冻结法在古城主斜井施工中的应用

冻结法在古城主斜井施工中的应用[摘要]山西潞安集团公司古城矿主斜井是全国冻结斜井最长、最深的，冻结段斜长505.5米，冻结垂深147米。

具有地质、水文情况复杂，含水层多，大断面掘砌的特点，施工难度大，通过掘砌中优化施工方案，机械化施工安全惯利通过了冻结段，工程质量优良。

[关键词]斜井；冻结法凿井；大断面掘砌施工
引言
古城矿井位于山西长治市西，行政区域隶属长子、屯留管辖，常村、屯留矿井南部，二岗山断层北部，主斜井井筒地面标高
+940.8m，井田内广大地区被第四系黄土覆盖，地表总的趋势为西高东低。

井筒地质及水文地质
地层结构根据井筒检查孔第5#、第6#孔揭露，古城主斜井地层情况从上到下划分为第四系、二迭系。

按5#和6#检查孔揭露的工程地质情况，结合晋东南区域地质分析，表土层以粉质粘土与砂土为主，富含碳酸钙，由肉眼可见的大孔隙，有孔虫及植根孔，铅直节理发育，并含有大小不一、数量不等的结核和包裹体，有的被水浸湿后在自重作用下显著沉陷（湿陷性），易产生陷穴和天然桥，岩土胶结不好，结构较疏松，稍密至中密，导致竖直方向的渗透系数是水平方向渗透系数的几倍。

另外砂层分布的不均匀性，在局部出现了明显的差异，稳定性差。

受振
动后易液化，该类地层属于不稳定地层，隔水性差，导水性强，个别地段易出现涌水溃砂现象，采用普通法施工难以通过，故采用冻结法施工。

1.工程概况
古城煤矿主斜井斜长2018.802米，坡度15°净宽6.0米、井筒净高：5.2m、井筒掘进宽度：7.8m、井筒掘进高度：7.0m、净断面21.33m2，0～42.5米为明槽开挖，42.5米～548米表土段、风化基岩段采用冻结法施工，冻结斜长505.5米，548.0米以下基岩段采用普通法施工。

2.冻结方案及冻结施工设计
2.1方案选择及设计要点
针对古城煤矿主斜井井筒穿过地层特点，冻结方案以“安全第一、优质高效、少挖冻土”，确保井筒施工安全为原则，造孔、冻结、掘砌相衔接，连续、快速、优质完成冻结段施工为目的。

方案选择及要点如下：
（1）采用在地面打直孔方案，钻孔深度由浅入深，最浅孔为14m，最深孔为147m。

（2）采用局部冻结方式，斜井顶板冻结壁厚度以上为非冻结段，斜井井筒范围内为冻结段，可节省冻结制冷量。

（3）中排孔穿入井筒断面段，采用双管内充填聚胺脂隔热保温措施，减少冷量向井筒内扩散，使井筒尽量少挖冻土，创造良好的掘砌施工条件。

（4）中排孔及第ⅳ、ⅴ、ⅵ段的外排孔采用插花布置，以减小排孔间距，使冻结壁尽早交圈，同时增强冻土发展的均衡性。

（5）采用分段打钻、分段冻结工艺，确保造孔、冻结、掘砌连续施工。

（6）为了掌握冻结温度场变化规律，应用oc-1010单总线温度采集仪，实时监测冻结壁发展状况，以可靠的冻结温度数据指导斜井冻结施工。

（7）选用新型螺杆氨压缩机及exv-ii-340型蒸发式冷凝器等先进设备，确保制冷效果，满足井筒需冷量要求。

（8）采用分段打钻、分段冻结施工工艺，确保井筒连续施工，与掘砌单位相互配合掌握掘砌进度及情况，进行动态分析管理，安全顺利施工。

2.2基本设计计算参数选取
根据主斜井井筒穿过不同地层特点及地层值不同，计算出井筒垂深对照6#检测的地层资料，表土冻结段分为六段，每段末端为控制层曾为，积极期盐水温度为-28℃～30℃，平均温度为-10.0℃，地压计算
（1）顶板按“浅埋峒室松动压力的岩柱理论”计算，根据在长治冻结的20多个井筒实测及经验，浅埋冻土发展速度冻结孔向内26mm／d、外22mm／d，中排孔之间33-35mm／d，
计算公式：pa=yhcos α。

式中：pa——顶板压力mpa，
y——土的容重t／m3，
h——控制层顶板深度m。

α——井筒倾角，15°。

（2）两帮侧压力按似重液公式计算：计算公式：pb=0.13h。

（3）底部压力按承受水压计算：计算公式：pc=yh。

表土段冻结壁厚度计算，根据斜井倾角为15°，且井筒掘进断面近似圆形即似水平圆筒，故第第ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ冻结段采用拉麦无限长弹性厚壁筒计算公式，第ⅴ、ⅵ冻结段采用维亚洛夫有限长塑性厚壁筒公式计算表土段冻结壁厚度。

表土段拉麦冻结壁厚度安全系数取2.2，考虑到井筒断面大，跨度大，掘进宽度7.8m，在此基础上又要考虑到井筒断面形状所受压力的不均匀性及应力集中情况，综合斜井冻结施工经验表进行确定土段冻结壁厚度为2.0m～6.0m。

2.3冻结孔布置设计，现已第六段为例，第六段为全冻结段，地压最大，是地表与风化基岩的交接段，需要冻结壁最厚最强也是冻结比较困难和典型的一段，故以此说明：
（1）冻结排数：依据井筒断面、跨度，根据冻土发展速度和工期要求及有限方法分析，主斜井第六段选用7排冻结孔，排间距：边排为2.0m，中排间距2.7m，设置封头封尾孔。

（2）开孔间距：边排（外排）冻结孔间距1.52m，中间孔间距2.07m，外排空最大孔间距1.9m，外排最大孔间距为2.50m，
2.4主斜井冻结区域下置φ133×5mm无缝钢管，采用外接箍连
接方式。

斜井顶部冻结壁厚度以上为非冻结段，下置φ89×5mm无缝钢管，冻结管内下置φ50×5mm塑料管，穿过井筒的中排冻结管采用双管内添加硬质聚氨酯隔热保温材料。

2.5为了准确报导冻结壁交圈（不随外界水而波动）时间，孔内水冻实（全部交圈且具有一定的强度与厚度）每段设置水文孔1个，均设在冻结薄弱的中间排孔内，采用φ89×4.5mm无缝钢管，外接箍连接，水文孔滤水管位置据井检孔提供的资料均应下置在冻结区含水层里。

2.6盐水循环采用正循环。

即边排孔、封尾孔、中排孔采用整体冻结方式，这样对每段冻结情况容易判断，冻结壁受力均匀，不采用中排孔分段冻结方式。

2.7井筒最大需冷量，即第六、七、八段积极冻结，第五段维护冻结，井筒最大需冷量为559.99万kcal／h，
3.冻结段巷道掘砌施工方法
3.1明槽施工
表土明槽采用w-50型挖掘机开挖10.5t自卸汽车排土，按上下分层，先中间后两侧顺序开挖施工，下分层开挖前，施工汽车运输排土专用车道，坡度不大于10°，明槽两侧按53。

放坡。

3.2表土及风化基岩段施工（冻结段）
因该段在静水位之下多为饱和含水土质及流砂层，故在掘砌施工前采用冻结法冻结，起初采用通常的施工方法，即用风镐配合挖掘机开挖，如此大的断面，工程进度比较慢，月进尺不到15米，
后又进行了多次改进最终确定选用180型综掘机配合两台小挖掘机进行掘进，表土段较理想，进尺达到60m／月，现已通过了表土段。

风化基岩冻结段掘砌施工采用全断吕钻爆破作业方式，选用
ytp-28型高频风钻打眼，配以φ22×2200中空六角合金钢杆及φ42一字型钻头进行钻眼施工。

根据井筒围岩状况及条件采用如下爆破方案：
炮眼深度：2000－，掏槽方式：菱形掏槽，掏槽眼为2200－。

周边眼间距：400－，岩石条件差的情况下，周边眼控制在300－。

炮眼密集系数：0.4／0.5=0.8。

装药结构：正向装药。

起爆材料：mfb-100型电容式袖珍放炮器。

炸药型号：煤矿许用防冻乳化炸药，规格为φ32--350-200g。

雷管类型：毫秒延时电雷管，联线方式：串并联。

岩石坚固系数f取4至6。

4.结束语
古城煤矿主斜井表土段风化基岩段采用冻结法凿井，井筒顺利通过了表土段的含水层、流沙层、风化基岩的含水层，给掘砌工作创造了良好的施工条件，实现了干打眼同时也确保了井壁质量，效果显著。

在冻结段掘砌工作中克服了施工难度大、工程量大、天气气候等多种客观条件。

采用了机械化施工，平行作业，加快了施工速度，采取了多种措施，工程质量优良，为以后的斜井冻结施工累计了许多宝贵的经验。

作者简介
申磊（1981-），男，助工，大学文化，一直从事矿井工程建设和煤矿安全管理工作，现任潞安古城煤矿建管处安全部副部长。