深厚冲积层立井冻结法凿井技术

深厚冲积层立井冻结法凿井技术
鲍永生
【摘要】麻家梁煤矿副立井净直径9.3m,井深537m,冲积层深276.5m,风化基岩
段厚20m。

冲积层下部有厚度较大的高岭质粘土层,含水率小,蠕变特性显著。

冲积层及风化基岩段采用冻结法施工,冻结深度348m。

简要介绍了井筒冻结方案设计、冻结工艺、冻结效果监测及施工情况。

【期刊名称】《建井技术》
【年(卷),期】2012(000)004
【总页数】4页(P4-7)
【关键词】深厚冲积层;立井;冻结法凿井;高岭质粘土;差异冻结
【作者】鲍永生
【作者单位】同煤国电同忻煤矿有限公司,山西大同037001
【正文语种】中文
【中图分类】TD265.34
1 工程及地质概况
同煤浙能麻家梁煤矿位于山西省朔州市朔南矿区南部，设计生产能力12Mt/a，立井开拓。

副井净直径9.3m，井深537m，冲积层及风化基岩段采用冻结法施工，冻结深度348m。

根据井检孔地质资料(见表1)，副井冲积层厚276.5m，风化基岩段厚20m，岩性
以亚砂土、砂质粘土、粘土为主，中间夹杂2～4层中细砂层和1～2层砂砾层。

冲积层中，深厚高岭质粘土有2层，埋深分别为186～207.91m和244.44～253.41m，厚度分别为21.91和 8.97m。

较厚的粘土层有6层，厚度不等，从10.2～38.5m；含水率小，蠕变特性显著。

井筒自上而下，共有2层含水层，4个含水段。

2层含水层分别是新生界砂砾层孔隙潜水含水层和古生界二叠系山西组4煤顶板K4、K5砂岩裂隙含水层，基本均为弱含水层，各含水层之间均有隔水层分隔。

2 冻结方案
2.1 冻结方案的确定
考虑到副井冲积层下部有厚度较大、含水丰富的风化基岩、裂隙岩层，经过分析论证，确定该井筒采用主辅孔差异冻结方案，冻结深度348m。

外圈孔为主冻结孔，差异冻结，深孔深348m，浅孔深295m；内圈为辅助冻结孔，孔深288m。

冻结段采用钢筋混凝土塑料夹层井壁结构[1-4]。

2.2 冻结参数设计
(1)冻结壁厚度。

冻结壁在掘砌施工中，起临时支护作用，其厚度取决于地压大小和冻土强度。

根据副井检查孔资料，选取冲积层底部的中砂层(垂深269m)作为控制层位，控制层地压3.5MPa。

参考国内外经验，冻结壁平均温度取-10℃，冻土强度为6.42MPa，采用多姆克公式计算，得冻结壁厚度为5.3m。

(2)冻结温度。

副井冲积层中的粘土层多粉粒，冻结强度低，冻土扩展速度慢，蠕变特性显著。

为提高其强度，宜采用低温盐水冻结。

根据国内串联双级压缩制冷技术和相关井筒冻结施工经验，确定积极冻结期和冲积层段掘砌施工中，盐水温度为-30℃ 。

经计算，冻结壁平均温度见表2。

表2 副井冻结壁平均温度计算结果℃井帮温度/℃冻结壁有效厚度/m5.06.07.0-8.5-11.5-11.8-12.1-6.0-10.8-11.1-11.4
(3)冻结孔布置。

设计采用主冻结孔和在其内侧增设辅助孔的冻结孔布置方式。

主冻结孔48个，布置圈径19.8m，开孔间距1.296m；辅助冻结孔18个，布置圈径15.8m，开孔间距2.758m。

冻结孔布置如图1所示。

表1 副井检查孔揭露的地层结构序号岩层名称厚度/m累厚/m序号岩层名称厚度/m累厚/m1耕植土0.50.531细砂1.34238.942粉砂土41.5842.0832高岭质粘土1.3240.243粉质粘土12.8354.9133细砂4.2244.444粉砂质粘土5.0960.034高岭质粘土8.97253.415卵石层0.660.635细砂6.0259.416粘土20.781.336中砂3.59263.07粉砂0.681.937含砾卵石层2.0265.08粘土6.0787.9738含砾粘土2.18267.189粉砂质粘土14.79102.7639中砂1.82269.010细砂0.6103.3640粉砂质粘土4.0273.011粉质粘土3.14106.541含砾粘土3.48276.4812高岭质粘土0.6107.142泥岩5.41281.8913粘土12.26119.3643粉砂质泥岩5.71287.614粉砂质粘土4.64124.044粉砂岩2.0289.615粉砂土3.0127.045砂泥岩
1.4291.016粘土18.0145.046粉砂质泥岩
2.929
3.917中砂1.5146.547中砂岩3.7297.618粘土25.5172.048含砾粗砂岩2.14299.7419粉砂土1.0173.049粉砂质泥岩7.56307.320粉砂质粘土1.217
4.250细砂岩2.2309.521细砂
0.6174.851粉砂质泥岩3.0312.522粉质粘土11.2186.052含砾粗砂岩
2.9315.423高岭质粘土21.91207.9153泥岩
3.7319.124粘土16.5922
4.554细砂岩1.3320.425粉砂质粘土2.9227.455泥岩4.59324.9926细砂0.91228.3156细砂岩4.92329.9127粘土1.0229.3157含砾粗砂岩10.36340.2728高岭质粘土1.2230.5158泥岩
5.2345.4729粉砂土
6.39236.959含砾粗砂岩4.6350.0730高岭质粘土0.723
7.660———
图1 冻结孔布置示意
(4)粘土层掘进段高。

掘进段高受很多因素影响，比如地质条件、掘进施工机械化程度、各工序配合、冻土力学性质等。

在众多因素中，地质条件和冻土强度为主要
因素。

考虑到粘土层冻结力学性质差异较大，选取埋深较大(垂深253m)的粘土层作为冻结壁安全掘进段高控制层，按维亚洛夫-扎列茨基公式计算。

结果表明，粘
土层安全掘进段高为2.0～2.6m。

深部粘土层施工中，除了要控制掘进段高外，还要根据不同地层的冻结情况，提前加大冻结站制冷量，加强冻结，确保快速通过。

(5)测温孔、水文孔布置。

为准确掌握冻结温度场变化及冻结壁交圈情况，副井设
计布置了3个测温孔，即测1、测2、测3(见图1)。

测1、测2位于主冻结孔外侧，均为345m深；测3位于辅助冻结孔圈径上，深287m。

水文孔2个，即水1、水2(见图1)，布置在井筒开挖位置中央。

水1深148m，花管位置在102～104m和143～146.5m段，在97～102m段进行封止水。

水2深271m，花管位置在227～228.5m、237.5～244.5m、254～265m及
267.5～269m段，在222～227m段进行封止水。

(6)冻结管选用低碳无缝钢管，内管箍焊接。

主冻结孔200m深以内，管材规格为
φ140mm×6mm；200m深以下，为φ140mm×7mm。

辅助冻结孔，管材规格
为φ127mm×6mm。

测温孔、水文孔管材均选用φ108mm×5mm低碳无缝钢管，外管箍对焊联接。

冻结管材及管箍质量必须符合GB8163—1999标准要求。

(7)冻结工期。

按照设计要求，副井主冻结孔冲积层段偏斜率≤2‰，最大允许孔间距2.2m，故冻结壁最大交圈半径为1.1m。

冻土平均扩展速度按23mm/d考虑，预计主要含水层冻结壁交圈时间为52d，达到试挖条件时的冻结时间为55d，积
极冻结时间为297d。

副井冻结技术参数如下：
井筒净直径9.3m井壁最大厚度1.8m井筒最大掘进直径12.9m冲积层深度276.5m冻结壁平均温度-10℃积极冻结期盐水温度-30℃冻结深度348m冻结壁
厚度5.3m冻结孔径向偏值0.5m主冻结孔深度348/295m主冻结孔布置直径
19.8m主冻结孔个数48主冻结孔开孔间距1.296m辅助冻结孔深度288m辅助
冻结孔布置圈径15.8m辅助冻结孔个数18辅助冻结孔开孔间距2.758m测温孔
个数1/1/1测温孔深度345/345/287m水文孔个数1/1水文孔深度148/271m
冻结钻孔工程量21 369m冻结需冷量8 970MJ/h冷冻站需冷量10 764MJ/h冷
冻站装机标准制冷量34 363MJ/h积极冻结时间297d
3 冻结工艺
冻结方式为盐水正循环。

制冷系统设计采用双级压缩制冷工艺，低压机选用JZ2LG31.5型和JZ3KA25型螺杆冷冻机组各2台；高压机选用JZ2LG25型螺杆冷冻机组2台，8AS-12.5型活
塞机1台。

其中活塞机组供制冷系统压力试验使用，并作为备用机组。

选用EXV-Ⅱ-340型蒸发式冷凝器5台，每台选配1台电磁水处理器。

盐水去路温度-30℃，制冷剂蒸发温度-35℃。

冻结过程分积极冻结期、强化冻结期、维护冻结期及消极冻结期。

积极冻结期需冷量最大，5台冷冻机组全部开机。

消极冻结期减少开机台数，避免掘砌过程中遇到大范围、高强度的冻土，影响施工进度。

冻结过程中，当水文孔水位持续上升达
7d，且测温孔监测显示冻结壁已交圈，但尚未发展至井筒荒径以内时，井筒具备
试挖条件。

4 冻结效果监测
(1)冻结制冷系统运转性能监测
通过对冻结孔单孔盐水流量和冻结器工况实测，得知主冻结孔(1～48号孔)盐水平均流量为13.36m3/h，差值范围为-4.04%～7.93%，冻结器运转正常，可以满足安全快速冻结施工要求。

图2所示为冻结制冷系统盐水温度实测曲线。

图2 冻结制冷系统盐水温度实测曲线
副井于2008-10-17开机冻结。

冻结40d后，盐水温度降至-30℃，达到设计要求。

冻结136d后，开始减机，盐水温度上升至-28.5～-25.5℃。

冻结209d后，进一步减机，盐水温度上升至-25～-23.4℃。

2009-06-26停止冻结，共冻结249d。

(2)水文孔水位监测
通过水文孔水位监测，可得知不同控制层位的冻结壁交圈及水位变化情况。

浅水文孔(水1)冻结41d(2008-11-26)后，水位开始稳定上升；冻结43d后，水
位溢出管口，表明该段冻结壁交圈时间为41～43d。

深水文孔(水2)冻结
38d(2008-11-23)后，水位开始稳定上升；冻结41d后，水位溢出管口，表明该
段冻结壁交圈时间为38～41d。

(3)冻结壁温度场监测
副井掘进到100m深之前，主、辅冻结孔圈之间的冻土已全部交汇。

之后，冻结
壁有效厚度达7m以上，提高了冻结壁强度和稳定性，确保了井筒掘砌施工安全。

图3所示为主冻结孔外侧界面冻土扩展范围与冻结时间的关系。

图3 深部主冻结孔外侧界面冻土扩展范围与冻结时间的关系
5 结语
麻家梁煤矿副井净直径9.3m，冻结段井壁厚1.3～1.8m，最大掘进直径达12.9m，是国内已施工冻结井筒中直径较大的立井；且地压大，水压大，深部还有难于冻结的厚粘土层。

这样的工程及地质条件，施工难度较大。

该井筒冷冻站2008-10-17开机冻结，2层主要含水层冻结壁交圈时间分别为43
和41d，比设计提前了9和11d。

井筒2008-12-08(冻结53d)达到试挖条件，比设计提前了2d；2009-04-21，冻结段掘砌外壁施工结束；2009-06-26，冷冻站停止运转；2009-07-04，冻结段掘砌施工全部结束。

井筒累计冻结249d，比计
划缩短了48d。

冻结段井筒掘砌施工中，未发生过井壁压坏、冻结管断裂及人身
安全等事故，工程质量全部优良，实现了安全优质施工。

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