井筒凍結(jié)法在大賈莊鐵礦井建中的應(yīng)用

榮 輝 黃海鵬

(河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山 063700)

0 引言

大賈莊鐵礦主井井口標(biāo)高+20.5 m，井底標(biāo)高-662 m，井筒凈直徑6.0 m，第四系表土層134.2 m，134.2～139.5 m為全風(fēng)化混合花崗巖，139.5～164.6 m為強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖(局部夾石英偉晶巖脈)，164.6～174.4 m為中風(fēng)化混合花崗巖，以上3層風(fēng)化巖構(gòu)成基巖風(fēng)化裂隙含水層(段)，鐵質(zhì)鈣質(zhì)充填，屬弱富水性含水層(段)。礦區(qū)開(kāi)采時(shí)，第四系砂、卵礫石孔隙水為礦區(qū)主要充水因素，基巖風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙水次之。礦井上部隔水層巖性主要為粉土、粉質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)粘土，但該層厚度分布不穩(wěn)定，部分地段因缺失而形成天窗。根據(jù)地質(zhì)勘察和鉆孔報(bào)告，礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，第四系含水大，井筒掘進(jìn)時(shí)將受到涌水的嚴(yán)重影響。為避免井筒在掘進(jìn)中出現(xiàn)大量涌水而造成不必要的損失，在井筒掘進(jìn)前對(duì)第四系和強(qiáng)風(fēng)化帶段井筒采取凍結(jié)法施工的方式。

1 設(shè)計(jì)思路

在大型礦山基建過(guò)程中，井筒開(kāi)掘之前，大都采用第四系冷凍施工技術(shù)。該方法不僅能夠在保證掘井期間突發(fā)涌水情況的出現(xiàn)，也在很大程度上保證施工安全及工程質(zhì)量，是目前礦井施工較為成熟的一種技術(shù)，在我國(guó)礦山采用較為普遍。

大賈莊鐵礦主井為雙箕斗提升，設(shè)計(jì)凈直徑6.0 m，第四系多為砂礫及風(fēng)化層，深度不大，鑒于該井地質(zhì)條件復(fù)雜，涌水較大，故設(shè)計(jì)在井筒掘砌前采用第四系冷凍施工，以滿足掘井安全與質(zhì)量。井筒掘井為4.0 m模板短掘短砌，待壁座完成后進(jìn)行壁間壁后注漿，即可對(duì)解凍后的第四系涌水進(jìn)行有效阻隔。該方法施工工期短、效果好，完全能夠滿足工程要求。

2 凍結(jié)參數(shù)的確定

2.1 冷凍鹽水及控制層溫度確定

在井筒冷凍施工過(guò)程中，冷凍孔數(shù)量、間距、孔深、鹽水溫度等都對(duì)冷凍效果有著很大的影響，對(duì)該工藝各項(xiàng)參數(shù)的選取必須要充分考慮工程與地質(zhì)情況，在設(shè)計(jì)規(guī)范及施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上充分計(jì)算論證。

主井井筒設(shè)一個(gè)凍結(jié)站，選用2臺(tái)250S-39型水泵作為鹽水泵，功率P=75 kW，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。凍結(jié)站安裝3組螺桿制冷壓縮機(jī)組進(jìn)行雙級(jí)壓縮制冷，凍結(jié)鹽水溫度T=-28℃～-30℃(積極凍結(jié)期)。

根據(jù)礦區(qū)含水層的富水性、含水介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征以及地下水的賦存、運(yùn)移條件，礦區(qū)地下水劃分為第四系松散巖類孔隙含水層(組)和基巖裂隙含水層(帶)。礦區(qū)第四系砂礫與風(fēng)化層的存在，使得礦井上部與基巖段上部均存在著不同程度的水利聯(lián)系。根據(jù)礦井地質(zhì)構(gòu)造及賦水情況，確定控制層深度為139.1 m，凍土平均溫度：-8℃。

2.2 凍結(jié)壁厚度確定

采用第四系凍結(jié)的井筒，凍結(jié)壁厚度選取的大小不僅關(guān)系到將來(lái)掘井期間是否過(guò)凍至掘進(jìn)荒徑內(nèi)或不能形成凍結(jié)膠圈，所以，凍結(jié)壁的厚度選擇至關(guān)重要。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般按多姆克公式計(jì)算井筒凍結(jié)壁厚度：

(1)

式中：R—井筒掘進(jìn)荒半徑，4.275 m；P—控制層地壓，1.81 MPa；[σ]—凍土長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度，4.4 MPa；E—凍結(jié)壁厚度，m。

(2)

2.3 凍結(jié)深度確定

根據(jù)豎井工程鉆孔柱狀圖及礦井水文地質(zhì)情況，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求對(duì)凍結(jié)孔深度在弱風(fēng)化風(fēng)下部適當(dāng)超深，最終確定大賈莊鐵礦主井井筒凍結(jié)深度為277 m。

3 凍結(jié)孔布置

3.1 凍結(jié)孔布置圈徑計(jì)算

分別按鉆孔允許偏斜率和基巖段采用鉆爆法施工兩種方式計(jì)算凍結(jié)孔圈徑直徑，為保證施工安全及工程質(zhì)量，二者之中取大值。

1)按鉆孔允許偏斜率：

D主井=D1+1.1E+2θH=11.8 m

(3)

2)按基巖段采用鉆爆法施工：

(4)

上述兩種計(jì)算方法結(jié)果比較，主井凍結(jié)孔布置圈直徑取12.7 m。

3.2 凍結(jié)孔數(shù)的確定

為進(jìn)一步加快冷凍膠圈時(shí)間，保證冷凍效果，井筒凍結(jié)孔一般采用單圈布置。根據(jù)凍結(jié)圈徑及孔間距，確定凍結(jié)孔數(shù)為：

N主井=π·D主井/L主井=32個(gè)

(5)

式中：L—主井凍結(jié)孔開(kāi)孔間距1.247 m。注：符合《煤礦凍結(jié)法開(kāi)鑿立井工程暫行技術(shù)規(guī)范》第5.6.2條：凍結(jié)孔開(kāi)孔間距，當(dāng)凍結(jié)深度小于300 m時(shí)，采用1.00～1.30 m。

3.3 凍結(jié)孔布置參數(shù)見(jiàn)下表

表1 凍結(jié)孔布置參數(shù)表

4 凍結(jié)孔施工設(shè)計(jì)

4.1 凍結(jié)孔偏斜率控制

嚴(yán)格控制凍結(jié)孔偏斜率在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)，確保凍結(jié)壁的均勻及穩(wěn)定性是凍結(jié)施工最為重要的一項(xiàng)內(nèi)容。由于本工程地質(zhì)條件復(fù)雜、鉆孔質(zhì)量要求高，鉆孔的深度，則要根據(jù)每個(gè)孔鉆具的長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算其深度。凍結(jié)孔偏斜檢測(cè)主要由指導(dǎo)鉆進(jìn)時(shí)偏斜監(jiān)測(cè)(不提鉆測(cè)斜)和成孔偏斜檢測(cè)。指導(dǎo)鉆進(jìn)偏斜監(jiān)測(cè)，采用JDT-5A型陀螺儀測(cè)斜，每30 m測(cè)斜一次；成孔偏斜每孔必測(cè)，上下復(fù)測(cè)，對(duì)于偏斜及孔間距超過(guò)規(guī)定者應(yīng)糾偏。冷凍孔在正常鉆進(jìn)時(shí)需根據(jù)巖性特點(diǎn)及具體施工情況及時(shí)調(diào)整鉆壓、鉆速、泵量和泥漿配比等參數(shù)。表土段鉆孔偏斜率≤2.2鉆；基巖段鉆孔偏斜率≤3.2段。

4.2 凍結(jié)孔終孔間距控制

控制凍結(jié)孔內(nèi)偏值在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，保證凍結(jié)壁有效厚度及井幫溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值也是冷凍膠圈的關(guān)鍵。所以，冷凍孔施工過(guò)程中，必須做好凍結(jié)孔終孔間距控制。

開(kāi)孔前，要對(duì)鉆機(jī)認(rèn)真找正，使轉(zhuǎn)盤中心、鉆孔中心和鉆塔提升中心重合，鉆機(jī)底盤和基礎(chǔ)間隙要墊實(shí)，確保開(kāi)孔垂直度；開(kāi)孔誤差不得超過(guò)±10 mm。按凍結(jié)孔偏斜率的要求，嚴(yán)格控制鉆孔偏斜值、方向、徑向內(nèi)偏值等，超過(guò)規(guī)定則糾偏處理，確保鉆孔質(zhì)量。每30 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)具體情況測(cè)點(diǎn)可調(diào)整，表土與巖石交界面另布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。鉆孔糾偏時(shí)，采用5LZ146×7.0螺桿動(dòng)力鉆具配套泥漿泵、陀螺定向儀、長(zhǎng)短扶正器、斜向儀微機(jī)進(jìn)行糾偏，最大程度的保證終孔間距滿足規(guī)范及施工要求。設(shè)計(jì)表土段最大孔間距：L≤1.86 m；基巖段終孔最大間距：L0≤3.02 m。

4.3 凍結(jié)管、供液管的選型

凍結(jié)管選用Φ120 mm低碳鋼無(wú)縫鋼管，并用內(nèi)管箍焊接連接。

供液管選用Φ90 mm液管選用鋼管聚乙稀塑料軟管。

5 水文孔、測(cè)溫孔布置設(shè)計(jì)

5.1 水文孔布置

根據(jù)水文地質(zhì)資料，暫定一個(gè)水文孔，孔深H=100 m，以報(bào)導(dǎo)第四系沖積層中85.4～98.2 m中粗砂凍結(jié)壁交圈情況。水文管采用Φ108 mm粗砂凍結(jié)壁交圈低碳鋼無(wú)縫管，外管箍對(duì)焊連接。水文孔花管部位的上、下端，可捆綁一定厚度和高度的海帶層，用以封堵承壓水。

5.2 溫度觀測(cè)孔布置

主井設(shè)計(jì)2個(gè)測(cè)溫孔，以觀測(cè)不同方位，不同土層及凍結(jié)壁薄弱部位的溫度。測(cè)溫孔H=277 m。測(cè)溫孔管選用Φ108 mm的無(wú)縫鋼管，外管箍對(duì)焊連接。

6 具體施工

通過(guò)對(duì)以上凍結(jié)參數(shù)的確定，本次凍結(jié)孔共施工32個(gè)，孔深277 m/個(gè)；水文孔1個(gè)，孔深100 m；測(cè)溫孔2個(gè)，孔深277 m/個(gè)。主井鉆孔共計(jì)35，累計(jì)工程量：9 518 m。通過(guò)對(duì)以上凍結(jié)參數(shù)及鉆孔成孔質(zhì)量、進(jìn)度進(jìn)行嚴(yán)格控制，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了規(guī)范要求，滿足了工期要求，實(shí)施效果良好，在后期井筒第四系的掘砌過(guò)程中，涌水量為4.2 m3/h，達(dá)到了預(yù)期效果。

7 結(jié)語(yǔ)

大賈莊鐵礦主井掘砌工程經(jīng)過(guò)凍結(jié)施工，使得井筒在第四系和風(fēng)化段掘進(jìn)期間沒(méi)有發(fā)生較大涌水，提高了施工的速度，保證了工程的質(zhì)量與安全。該項(xiàng)目成功實(shí)施后，在類似井筒進(jìn)行了推廣實(shí)施，效果顯著。