凍結(jié)施工技術(shù)在西部某礦井井筒工程中的應(yīng)用

梁云海 陳紅蕾 李 林

(1.杭錦旗西部能源開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316； 2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

·施工技術(shù)·

凍結(jié)施工技術(shù)在西部某礦井井筒工程中的應(yīng)用

梁云海1陳紅蕾2李 林2

(1.杭錦旗西部能源開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316； 2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

基于西部某礦進(jìn)風(fēng)立井地質(zhì)水文特點(diǎn)，選用了單圈插花長(zhǎng)短腿布孔設(shè)計(jì)方案，并對(duì)凍結(jié)施工技術(shù)進(jìn)行了闡述，既為掘砌施工創(chuàng)造了良好的施工環(huán)境，又取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，為西部類似地層凍結(jié)井方案設(shè)計(jì)提供借鑒。

沖積層，軟巖，富含水層，凍結(jié)方案

隨著西部煤炭資源的大開發(fā)，在陜甘、內(nèi)蒙鄂爾多斯、新疆等地區(qū)施工的凍結(jié)井筒也越來(lái)越多[1]。西部地區(qū)地層有其特殊性，部分地區(qū)井筒穿過的第四系相對(duì)較薄，且穿過的軟巖強(qiáng)度低，自穩(wěn)能力差，但軟巖凍結(jié)凍土發(fā)展速度快[2]。因此，在凍結(jié)井筒設(shè)計(jì)及施工過程中，不僅考慮井筒凍結(jié)與掘砌的時(shí)空配合，還須考慮東西部地區(qū)地層及水文地質(zhì)差異，以保障凍結(jié)井筒安全快速施工。

西部某礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15.00 Mt/年，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為1 555.50 Mt，服務(wù)年限為74.0年。初期投產(chǎn)時(shí)共布置主斜井、副斜井、進(jìn)回風(fēng)立井4個(gè)井筒。主斜井和副斜井采用普通鑿井法施工，進(jìn)、回風(fēng)立井采用凍結(jié)法施工。

進(jìn)風(fēng)立井井筒凈直徑7.8 m，井筒設(shè)計(jì)深度387 m，上面被第四系現(xiàn)代風(fēng)積沙所覆蓋，依次穿過第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙(0 m～9.92 m)、新近系上新統(tǒng)保德組(9.92 m～92.19 m)、安定組(92.19 m～188.3 m)、直羅組(188.3 m～302.4 m)、侏羅系中統(tǒng)延安組第五段(302.4 m～370.5 m)。井筒穿越的風(fēng)化巖及安定組、直羅組及延安組粉砂巖、泥巖及互層組底層，巖石結(jié)構(gòu)松散，遇水巖石變軟，容易坍塌而失去穩(wěn)定。井筒穿過的含水層由上至下劃分為五層，分別是：1)第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙孔隙潛水含水層；2)安定組上部風(fēng)化基巖裂隙承壓水含水層；3)侏羅系中統(tǒng)安定組基巖裂隙承壓水含水層；4)侏羅系中統(tǒng)直羅組基巖裂隙承壓水含水層；5)侏羅系中統(tǒng)延安組基巖裂隙承壓水含水層。從五個(gè)含水層的預(yù)計(jì)涌水量中可以看出安定組為井筒的主要涌水層(如表1所示)。

表1 含水層層段預(yù)計(jì)涌水量

1 凍結(jié)施工特點(diǎn)

進(jìn)風(fēng)立井開挖荒徑為9.9 m，凍結(jié)深度設(shè)計(jì)為237 m，凍結(jié)施工工期設(shè)計(jì)僅193 d，而從開始凍結(jié)到具備開挖條件僅為45 d，凍結(jié)工期緊張。從凍結(jié)井筒穿越的地層來(lái)看，該凍結(jié)井筒又具有以下特點(diǎn)：

1)凍結(jié)井筒深度不大，穿過的沖積層較薄(約占凍結(jié)總深度的1/3)，基巖段厚度相對(duì)較大。為保障井筒安全快速施工，少掘凍土，在凍結(jié)設(shè)計(jì)及施工中須考慮凍土發(fā)展與井筒掘進(jìn)的時(shí)空配合[3-7]?；鶐r較沖積層導(dǎo)熱系數(shù)大，凍結(jié)凍土發(fā)展快，而基巖埋藏在井筒底部，開挖前的凍結(jié)時(shí)間較沖積層長(zhǎng)，因此，在上部沖積層段凍結(jié)孔距離開挖荒徑宜小，保障短時(shí)間內(nèi)凍土發(fā)展到荒徑；而在下部基巖段凍結(jié)孔距離開挖荒徑宜大，保障在凍結(jié)較長(zhǎng)時(shí)間下凍土進(jìn)荒徑較少[8-11]。

2)侏羅系安定組(包括風(fēng)化基巖帶)為主要含水層，裂隙發(fā)育較大，含水較為豐富。井筒凍結(jié)主要解決該地層涌水問題。水文孔宜報(bào)道該含水層凍結(jié)壁交圈情況。

2 應(yīng)對(duì)措施

在保證凍結(jié)井掘砌施工連續(xù)安全的情況下，為縮短造孔工期，節(jié)約造孔工程量，少打巖鉆，凍結(jié)孔布置采用長(zhǎng)短腿布置方式；在少打鉆孔工作量的基礎(chǔ)上，為保障上部沖積層凍結(jié)壁快速達(dá)到設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度，滿足掘砌施工快速開挖的需要，凍結(jié)孔布置采用單圈插花布置方式。綜上所述，為保障井筒凍結(jié)工程安全快速施工，進(jìn)風(fēng)立井選用單圈插花長(zhǎng)短腿布置方式。

2.1 單圈內(nèi)側(cè)淺凍結(jié)孔深度確定

單圈內(nèi)側(cè)淺凍結(jié)孔深度確定原則：1)注意凍結(jié)與掘砌的時(shí)空配合，保證井筒連續(xù)施工的安全，避免掘砌到短腿后下部?jī)鼋Y(jié)壁沒交圈或強(qiáng)度不足引發(fā)事故；2)基巖風(fēng)化帶及安定組為主要含水層，涌水量較大(41 m3/h左右)，裂隙發(fā)育，為基巖凍結(jié)封水的主要層位；3)水文孔報(bào)到層位選擇在安定組的含水層。根據(jù)積極凍結(jié)工期要求及水文孔報(bào)到的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，在安定組中應(yīng)確保較小的孔間距，且與水文孔報(bào)到時(shí)間對(duì)應(yīng)。

綜合考慮以上內(nèi)側(cè)淺凍結(jié)孔深度設(shè)計(jì)原則，宜將內(nèi)側(cè)淺凍結(jié)孔深度穿過主要含水層(基巖風(fēng)化帶及安定組)，不僅能夠保證在安全的前提下掘砌的連續(xù)施工，也能保證水文孔冒水的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。如果淺凍結(jié)孔沒有穿過安定組主要含水層(如進(jìn)風(fēng)井主要含水層底板-180.9 m)，掘砌施工的連續(xù)性無(wú)法保證，或水文孔不能有效報(bào)道主要含水層的交圈情況或由于孔間距較大交圈時(shí)間大大推遲，影響工期。

2.2 單圈內(nèi)側(cè)淺凍結(jié)孔圈徑確定

單圈內(nèi)側(cè)淺凍結(jié)孔圈徑確定原則：1)考慮淺部沖積層的防片幫，凍結(jié)管距離開挖荒徑越近，改善井幫地質(zhì)條件越快；距離開挖荒徑越遠(yuǎn)，在開挖時(shí)，凍土未發(fā)展到荒徑改善土性，極易造成片幫等事故。2)深部基巖段(安定組)宜保證炮掘的安全距離，凍結(jié)管距離開挖荒徑越遠(yuǎn)，炮掘時(shí)對(duì)凍結(jié)管安全威脅越小(規(guī)范要求炮眼距離凍結(jié)管大于1.2 m)。

結(jié)合上部沖積層凍土發(fā)展速度，內(nèi)側(cè)淺凍結(jié)孔距離井幫1.2 m～1.4 m為宜，如設(shè)計(jì)距離過大，淺部沖積層井幫條件沒有改善，易造成片幫事故；設(shè)計(jì)距離過小，深部風(fēng)化基巖段及安定組炮掘時(shí)，容易造成凍結(jié)管炸裂，綜合考慮內(nèi)側(cè)淺凍結(jié)孔距離井幫1.3 m為最佳。

基于凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)要求和以上分析，進(jìn)風(fēng)立井凍結(jié)工程布孔見圖1，水文孔布置深度見圖2。

3 實(shí)際凍結(jié)工程施工

進(jìn)風(fēng)立井井筒凍結(jié)造孔工程于2014年8月14日開始施工，2014年9月9日完成36個(gè)凍結(jié)孔、3個(gè)測(cè)溫孔，2個(gè)水文孔施工，實(shí)際造孔施工工期27 d，比計(jì)劃工期38 d提前11 d完工。

進(jìn)風(fēng)立井凍結(jié)從2014年9月25日開機(jī)運(yùn)行，JW1水文孔自10月21日(凍結(jié)26 d)開始，水文孔內(nèi)水位快速上漲至-4.19 m后上漲速度遲緩，并于11月2日(凍結(jié)38 d)冒出管口。JW2水文孔自10月18日(凍結(jié)23 d)開始，水文孔內(nèi)水位快速上漲并于10月21日(凍結(jié)26 d)冒出管口。進(jìn)風(fēng)立井水文孔水位曲線如圖3所示。

11月2日掘砌施工單位在進(jìn)行鎖口施工前的準(zhǔn)備工作時(shí)，將JW1水文孔上覆蓋土挖去，發(fā)現(xiàn)孔管外環(huán)形空間向外涌水并形成

大量積水，由涌水量和積水量推斷水文管海帶封水效果不良是導(dǎo)致10月21日后水文孔水位上漲緩慢的原因?？梢?0月21日J(rèn)W1水文孔報(bào)道的含水層凍結(jié)壁已交圈，比計(jì)劃工期38 d提前12 d。

掘砌施工單位在井口試挖完成后于11月9日轉(zhuǎn)入正式開挖。在掘砌施工過程中，無(wú)任何安全事故發(fā)生，并于2015年1月31日掘砌到底，順利通過凍結(jié)段。在井筒施工過程中，凍結(jié)單位隨時(shí)監(jiān)測(cè)井幫溫度。監(jiān)測(cè)的井幫溫度隨深度變化見圖4。由圖中井幫溫度可以看出：進(jìn)風(fēng)立井選用單圈孔插花長(zhǎng)短腿布置方式，不僅能為安全快速建井提供保障，還能有效控制淺部沖積層的防片幫問題和深部基巖控制凍土進(jìn)荒徑量。

4 結(jié)語(yǔ)

基于井筒穿過的地層及水文地質(zhì)特點(diǎn)，西部某礦進(jìn)風(fēng)立井凍結(jié)工程采用單圈孔插花長(zhǎng)短腿布置方式，不僅為安全快速建井提供保障，還能有效控制淺部沖積層的防片幫問題和深部基巖凍土進(jìn)荒徑量，為西部類似凍結(jié)井方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1] 劉宜和,李 林.蒙西隴東地區(qū)富水軟巖地層凍結(jié)造孔施工技術(shù)研究[J].煤炭工程,2014,46(4):40-42.

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Application of freezing construction technology in the shaft of a western coal mine

Liang Yunhai1Chen Honglei2Li Lin2

(1.HangjinBannerWesternEnergyDevelopmentCo.,Ltd,Ordos014316,China； 2.BeijingChinaCoalMineEngineeringCo.,Ltd,Beijing100013,China)

Based on the geological and hydrological characteristics of a western coal mine, the design of air intake shaft is the single ring flower leg length hole layout scheme. It describes the freezing construction techniques, both thinking about a good work environment creating for the continuous excavation and construction, and good economic benefits achieving. The frozen shaft scheme design provides references for the similar strata in western.

alluvium， soft rock， layer rich in water， freezing scheme

1009-6825(2015)30-0081-03

2015-08-13

梁云海(1966- )，男，高級(jí)工程師； 陳紅蕾(1981- )，男，工程師； 李 林(1987- )，男，工程師

TD262

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