東龐礦新風(fēng)井雙圈凍結(jié)施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

安勇燁 AN Yong-ye

（煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計(jì)研究院有限公司，石家莊 050051）

1 工程背景

東龐礦規(guī)劃的新風(fēng)井需穿過(guò)多個(gè)含水層，其中：松散巖類孔隙水（第四系砂、卵礫石含水層）層位穩(wěn)定，地層總厚度144.20m，靜水位埋深29.92m，最小降深4.44m，最大降深13.20m，涌水量0.956-1.761L/s，單位涌水量0.1334～0.2158 L/（s·m），滲透系數(shù)0.0997-0.1278m/d，富水性中等；2煤以上基巖段碎屑巖類孔隙裂隙水含水層，靜水位埋深45.43m，動(dòng)水位埋深104.29m，水位降深58.86m，涌水量0.483L/s，單位涌水量0.0082L/（s·m），滲透系數(shù)0.0512m/d，富水性弱。

地下水流速較大，超過(guò)5m/天。第四系底部礫石含水層段井筒預(yù)計(jì)涌水量1209m3/d，2煤底板下基巖段含水層層段井筒涌水量預(yù)測(cè)1057.54m3/d。

含水層多、地下水流速大等地質(zhì)特性為東龐礦新風(fēng)井的建設(shè)造成了極大困難。采用有針對(duì)性的凍結(jié)方式，確定合理的凍結(jié)施工參數(shù)，是本文設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 井筒設(shè)計(jì)概況

井筒直徑7m，深度674.1m，表土段采用雙層鋼筋混凝土塑料夾層復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)，采用凍結(jié)法施工，基巖段采用普通法施工。

由于壁基由下部圍巖的承載力和側(cè)面圍巖與壁座外緣混凝土的粘結(jié)力來(lái)承載，須選擇合適的層位來(lái)承托上部井壁重量[1]。要求凍結(jié)段井壁生根壁座或筒形壁座深度，應(yīng)設(shè)在穩(wěn)定性和封水性較好的巖層中。根據(jù)巖性確定壁座底所處位置位于垂深178m處，即最大掘砌深度為178m。該位置是設(shè)置壁基的較好位置：壁基設(shè)置在粗粒砂巖、粉砂巖中，其底部為粉砂巖、中粒砂巖、泥巖。

不同段高的混凝土強(qiáng)度等級(jí)、內(nèi)外壁厚度、鋼筋等參數(shù)見表1。

表1 不同段高的內(nèi)壁、外壁厚度等參數(shù)一覽表

3 井筒凍結(jié)方案

3.1 井筒凍結(jié)方案

方案采用雙圈孔“主排孔+輔排（內(nèi)）孔（防片幫孔）”凍結(jié)方案：主排孔保證凍結(jié)壁厚度、平均溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求和保證凍結(jié)壁按時(shí)交圈作用；防片幫孔起到防止掘進(jìn)時(shí)片幫的作用[2]，同時(shí)加強(qiáng)井幫上部地層凍結(jié)、縮短交圈時(shí)間，為提前開挖創(chuàng)造條件，還能靈活調(diào)節(jié)地層冷量分配，既可節(jié)約凍結(jié)需冷量，又防止因深部防片幫孔距井幫太近而發(fā)生斷管，實(shí)現(xiàn)在保證施工安全的同時(shí)最大限度減少凍土進(jìn)入掘進(jìn)斷面厚度，加快掘進(jìn)速度。

3.2 井筒凍結(jié)參數(shù)

3.2.1 地壓值

取砂礫層上部的砂質(zhì)黏土層作為控制層位，P=1.794MPa。

3.2.2 凍結(jié)技術(shù)參數(shù)

①積極凍結(jié)期鹽水溫度：-24～-27℃。

②井幫溫度（控制層）：Tn=-4℃～-8℃。

③有效凍結(jié)壁溫度（控制層）：tc=-5℃～-8℃。

④按深度理論計(jì)算最大孔間距。

表土段最大孔間距Lc=1.812m；

基巖孔底最大孔間距Ly=2.052m。

⑤凍結(jié)孔允許偏值。

沖積層最大孔底間距≤1.812m，基巖層最大孔底間距≤2.052m。

⑥凍土瞬時(shí)極限抗壓強(qiáng)度：10MPa。

⑦凍結(jié)壁厚度。

新回風(fēng)井沖積層厚度大于120m且小于400m，適用多姆克公式，將凍結(jié)壁看作無(wú)限長(zhǎng)的彈塑性厚壁筒，按第三強(qiáng)度理論計(jì)算[3]。

計(jì)算凍結(jié)壁厚度為2.38m，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和類似地質(zhì)條件井筒凍結(jié)施工案例，確定凍結(jié)壁厚為2.6m。

⑧凍結(jié)壁平均溫度。

1）單排孔凍結(jié)壁平均溫度計(jì)算公式（成冰公式）

2）凍結(jié)壁平均溫度

計(jì)算tc=-7.646℃，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和目前國(guó)內(nèi)已施工同類型深厚表土凍結(jié)井實(shí)際凍結(jié)情況，控制層凍結(jié)壁平均溫度tc=-8℃。

⑨凍結(jié)深度。

1）《煤礦井巷工程施工規(guī)范》（GB50511-2010）第5.2.2條：立井井筒的凍結(jié)深度，應(yīng)根據(jù)底層埋藏條件及井筒掘砌深度確定，并應(yīng)深入穩(wěn)定的不透水基巖10m以上?；鶐r段涌水量較大時(shí)，應(yīng)延長(zhǎng)凍結(jié)深度。輔助凍結(jié)孔深度應(yīng)穿過(guò)沖積層深入基巖風(fēng)化帶5m以上；第5.2.26條：主凍結(jié)孔設(shè)計(jì)深度應(yīng)深于凍結(jié)段井筒的掘砌深度，根據(jù)規(guī)定沖積層厚度在≤200m時(shí)，應(yīng)比井筒掘砌深度深7m[4]。

2）《礦山立井凍結(jié)法施工及質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51277-2018）第4.4.1條：井筒凍結(jié)深度應(yīng)穿過(guò)沖積層、風(fēng)氧化帶深至穩(wěn)定基巖10m以上[5]。

3）《煤礦凍結(jié)法開鑿立井工程技術(shù)規(guī)范》（MT/T1124-2011）9.2.1條、9.5.1條規(guī)定：凍結(jié)段最深的掘砌（進(jìn)）位置必須淺于凍結(jié)深度5～8m[6]。

4）《煤礦安全規(guī)程》第四十五條：采用凍結(jié)法開鑿立井井筒時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵守下列規(guī)定：凍結(jié)深度應(yīng)當(dāng)穿過(guò)風(fēng)化帶延深至穩(wěn)定的基巖10m以上?；鶐r段涌水較大時(shí)，應(yīng)當(dāng)加深凍結(jié)深度[7]。

綜合上述因素，確定主凍結(jié)孔凍結(jié)深度為190m，防片幫孔深度為154m。

⑩凍結(jié)孔圈徑。

表土段凍結(jié)圈徑D表土=13.002m。

?凍結(jié)孔數(shù)。

主凍結(jié)孔圈徑13.002m，主排凍結(jié)孔33個(gè)，開孔間距1.236m；防片幫凍結(jié)孔圈徑11.306m，防片幫孔17個(gè)，開孔間距2.077m。凍結(jié)孔合計(jì)50個(gè)。

?凍結(jié)管。

凍結(jié)管采用φ140×5mm、20#優(yōu)質(zhì)低碳鋼無(wú)縫管，外管箍焊接連接，主凍結(jié)管、防片幫長(zhǎng)度分別為190、154m。

管箍采用φ152×5mm、20#優(yōu)質(zhì)低碳鋼無(wú)縫管制作，每個(gè)長(zhǎng)度150mm。

底隔板選用10mm鋼板加工，底錐采用8mm鋼板壓制。

供液管采用聚乙稀塑料軟管，內(nèi)直徑75×6mm。

?測(cè)溫孔布置。

1#、2#、3#測(cè)溫孔深度均為190m，測(cè)溫孔1布置在水流上方凍結(jié)孔外側(cè)主面上；測(cè)溫孔2布置在水流下方凍結(jié)孔外側(cè)較大界面上；測(cè)溫孔3布置在凍結(jié)孔最大間距處（具體位置應(yīng)根據(jù)實(shí)際施工中偏斜情況確定）。測(cè)溫孔均布置在離主凍結(jié)圈徑外側(cè)1.5m處。

測(cè)溫孔采用φ127×5mm優(yōu)質(zhì)低碳鋼無(wú)縫管。

?水文孔布置。

1#水文孔深度22m，2#水文孔深度144m。隔水地層設(shè)置海帶止水段。水文管規(guī)格：φ108×4.5mm優(yōu)質(zhì)低碳鋼無(wú)縫管，外管箍連接。

?凍結(jié)壁交圈時(shí)間。

凍結(jié)壁交圈時(shí)間估算為T1=52天。

3.3 凍結(jié)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 凍結(jié)管吸熱能力

凍結(jié)管吸熱能力QT=4.105×106kJ/h。

制冷站能力Q'=4.721×106kJ/h。

3.3.2 制冷站需冷量及制冷設(shè)備選擇

井筒凍結(jié)需冷量4.721×106kJ/h，制冷設(shè)備擬選用LG25L20SY型螺桿制冷機(jī)，其-28℃時(shí)制冷量2.035×106kJ/h，根據(jù)計(jì)算配備該制冷機(jī)3臺(tái)，總標(biāo)準(zhǔn)制冷量21.798×106kJ/h。附屬設(shè)備根據(jù)冷凍機(jī)附屬設(shè)備型號(hào)及數(shù)量見表2。

表2 輔屬設(shè)備型號(hào)及數(shù)量表

3.3.3 鹽水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

凍結(jié)孔鹽水總流量460.3m3/h，計(jì)算凍結(jié)孔單孔流量9.2m3/h。

3.3.4 供液管規(guī)格

供液管選用內(nèi)直徑選用75mm，壁厚6mm的塑料管。

3.3.5 鹽水干管及集、配液管規(guī)格

選用φ325mm×8mm作為鹽水干管及配、集液圈。

3.3.6 鹽水循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)及設(shè)計(jì)

①鹽水泵揚(yáng)程計(jì)算取值見表3。

表3 鹽水干管及配集液圈徑循環(huán)量揚(yáng)程（h1）計(jì)算取值表

②鹽水供液管揚(yáng)程計(jì)算取值見表4。

表4 鹽水供液管揚(yáng)程（h2）計(jì)算取值表

③凍結(jié)管環(huán)狀空間揚(yáng)程計(jì)算取值見表5。

表5 凍結(jié)管環(huán)狀空間揚(yáng)程（h3）計(jì)算取值表

④鹽水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

鹽水泵揚(yáng)程為16.946m，凍結(jié)需循環(huán)鹽水量500m3/h，泵循環(huán)揚(yáng)程16.946m。選用12sh-9A型水泵為鹽水泵，標(biāo)稱流量720m3/h，水泵有效流量518.4m3/h，揚(yáng)程49m。制冷站選用12sh-9A型水泵2臺(tái)，鹽水泵循環(huán)壓力0.214MPa。

3.3.7 氯化鈣溶液配置

氯化鈣溶液采用74%氯化鈣和水配制，見表6。

表6 氯化鈣溶液配制表

3.3.8 冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①冷凍站冷卻水用量：制冷站內(nèi)3臺(tái)螺桿制冷機(jī)，最大消耗水量45m3/h（單臺(tái)耗水量15m3/h）。

②清水泵：IS150-125-315型清水泵3臺(tái)。

③冷卻塔：NBL-250T型冷卻塔3臺(tái)。

④凍結(jié)主要消耗材料明細(xì)見表7。

表7 凍結(jié)主要消耗材料明細(xì)表

3.3.9 風(fēng)井凍結(jié)工程參數(shù)表

新風(fēng)井凍結(jié)工程參數(shù)見表8。

表8 凍結(jié)工程參數(shù)表

3.3.10 風(fēng)井凍結(jié)孔平面布置

風(fēng)井凍結(jié)孔平面布置見圖1。

圖1 凍結(jié)孔平面布置圖

4 結(jié)束語(yǔ)

東龐礦新風(fēng)井穿過(guò)多個(gè)含水層，地下水流速超過(guò)5m/天。設(shè)計(jì)采取強(qiáng)化凍結(jié)措施，即根據(jù)地層特性，通過(guò)分析輔助孔間距確定荒徑距離、凍結(jié)時(shí)間等諸多因素，針對(duì)邯邢地區(qū)地下水流速大的情況，采用加密鉆孔，提高供冷能力，抵抗地下水流對(duì)凍結(jié)的影響等非正常地層凍結(jié)措施，采用“主排孔+防片幫孔”雙圈凍結(jié)方式，主排孔深190m，防片幫孔深154m。凍結(jié)工期共計(jì)200天，其中凍結(jié)孔施工50天，溝槽按照10天，開機(jī)至試挖60天，試挖到穿過(guò)最下部黏土層80天。工程項(xiàng)目總造價(jià)（含特鑿措施費(fèi)）1378.2萬(wàn)元。

本文通過(guò)探討凍結(jié)法施工與最深掘砌深度的關(guān)系，確定壁基層位，對(duì)類似條件下井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可供參考。