例析冻结法施工在非煤矿井的应用

例析冻结法施工在非煤矿井的应用
一、引言
冻结法是利用人工制冷技术，在地下开挖体周围需加固的含水软弱地层中钻孔铺管，安装冻结器，通过制冷作用将天然岩土变成冻土，形成完整性好、强度高、不透水的临时加固体，从而达到加固地层、隔绝地下水与工程联系的目的。

我国采用冻结法技术施工矿井筒自1955年开始，至今有50多年的历史。

从初期单一的煤矿井筒冻结，发展到今日城市建设基坑开挖、路桥施工和地铁工程等各种工程施工领域，特别是在非煤矿山特殊凿井中应用广泛。

下面以黄屯硫铁矿措施井为例，浅析冻结法施工在非煤矿井中的应用。

二、矿井概况及水文地质条件
黄屯硫铁矿措施井位于安徽省庐江县境内，本矿区地处江淮丘陵南部，属低山丘陵地形，矿区水系发育，年平均降水量为1216.2mm，平均降雨日为130天，由于本矿区位于郯（城）—庐（江）断裂带东侧，扬州—铜陵地震带之间，地壳相对不稳定，地震活动较为频繁，地震强度属Ⅶ级区，地质构造较为复杂。

根据措施井地质资料描述，该矿井共有七段含水层，最大涌水量157.75m³/h。

措施井第四系松散层厚度为15.40m，岩性主要上部由灰黑、灰褐色砂质粘土，粘土夹砂砾。

下部基岩段主要有粗安岩组成，岩芯破碎、裂隙发育。

根据矿区地质特征黄屯硫铁矿措施井井筒设计采用单排孔全深冻结法的施工方式。

井筒主要技术特征见表1。

表1 井筒技术特征表
序号项目名称单位特征参数
1 井筒净直径m 5.0
2 表土层厚度m 15.4
3 井壁厚度mm 900
4 井筒深度m 394
5 冻结深度m 404
三、施工重点及难点分析
1、由于本矿区表土层较浅、岩石裂隙大、含水层位多等地质条件复杂，对冻结造孔施工带来很大难度。

可能出现泥浆漏失，要采取防范措施。

2、根据地质资料分析该区共有七个含水层位，最大层厚62.6米，各层位间没有隔水层，在施工设计和井筒掘砌施工中应防范各层位水系相互串通透水。

3、由于该井在-90m、-140m、-190m、-240m、-290m、-340m水平设6个单面马头门，业主要求在立井掘砌时同时施工马头门，掘砌深度3m，给冻结施工带来了很大难度，在冻结施工组织设计时要充分考虑冻结壁强度。

四、冻结技术方案设计
1、冻结壁设计
冻结壁厚度及强度的大小，直接影响井筒掘砌的安全，同时也是其他冻结参数设计的基础。

针对黄屯硫铁矿措施井工程特点，冻结壁的设计采用国内成熟的冻结设计经验，并采用解析计算办法确定。

2、冻结壁设计基本参数
井筒净直径Φ5.0m，井壁最大厚度0.9m，最大掘进荒直径6.8m。

其它基本参数如下：
（1）冻结盐水温度：T措施井= -30～-32℃（积极期）；
（2）冻结井帮温度：掘进到200m时温度不高于-3℃。

3、冻结深度确定
根据招标文件要求，并在认真分析了地质资料及冻土特征、总结国内深井冻结设计经验后，设计采用单排孔全深冻结的施工方式，冻结深度确定为404m。

4、冻结孔布置
根据冻结壁设计以满足温度场要求和力学模型要求为原则，结合冻结壁厚度、掘进荒径的大小、掘进速度及基岩段炮掘安全等要求，综合确定冻结孔布置圈径、孔间距。

5、冻结管及供液管设计
（1）冻结管选型
冻结管：0～200m选用φ140×5mm；200m～404m选用φ140×6mm；低碳钢无缝钢管内管箍焊接。

其中马头门方位7#～12#孔为了加强冻结壁厚度选用φ159×6mm；低碳钢无缝钢管内管箍焊接（详见冻结孔、水文孔布置图图1）。

图1、冻结孔、水文孔布置图
（2）供液管选型
供液管：选用φ75×6mm聚乙烯塑料管。

6、水文观测孔、测温孔布置设计
（1）水文观测孔
措施井设计1个水文孔，H=98m，以报导基岩段裂隙发育的第一含水层。

水文孔选用φ140×5mm。

（2）测温孔布置设计
措施井设计2个测温孔，H=404m，分别布置到冻结孔偏斜值最大位置的内、外侧，以观测不同方位、不同土层的冻结壁内温度。

测温管0～200m选用φ140×5mm；200m～404m选用φ140×6mm，底端封实，管内不需灌水和试压，但不得渗漏水。

7、冻结孔施工要求
（1）冻结孔偏斜控制
0～200m≤2.5‰；200m～404m≤2.2‰。

（2）径向内偏值控制
冻结孔径向内偏值≤400mm。

（3）冻结孔深度控制
所有冻结孔不得小于设计深度，但不得大于设计深度1.0m。

（4）观测孔控制
测温孔及水文孔按冻结孔要求进行控制。

8、冻结需冷量计算
井筒最大需冷量：
式中d—冻结管外径，0.140m；
H—冻结深度，404m；
n—冻结孔数，28个；
q—冻结管吸热效率，取330Kcal/m2·h。

9、冻结站装机容量及设备选择
根据计算的制冷量，措施井选取2组LG25L20SY双机双级撬块螺杆制冷压缩机组和2组BES2035螺杆压缩机进行双级压缩制冷，冷冻机实际工况制冷量为220×104 Kcal/h，可满足施工的需要。

（1）盐水流量
W =336m3/h；
（2）盐水配比及CaCl2用量
盐水比重1.27t/m3；波美度为30.7°Be，氯化钙（70%晶体）用量120t。

（3）盐水干管与集、配液圈选型
盐水干管与集、配液圈选用Φ273×8mm螺旋焊接管，现场加工制作。

（4）盐水泵选型
选用2台10SH-6型水泵作为盐水泵，Q=486m³/h，h=65m，P=132KW，一臺工作，一台备用。

五、几点体会
1、由于本矿井的特殊地质情况，为防止冻结法施工结束后上部地层中的水窜入下部地层，在成孔后下放冻结管前进行缓凝水泥浆钻孔浆液置换，以保证井筒在冻结施工结束后的施工安全，并取得了良好的效果。

2、在以往的冻结法凿井施工中，马头门施工一般在井筒掘砌施工完毕后在开掘，但该矿井业主要求把六个码头门一并开掘，给施工带来了很大难度，在冻结方案设计中应从分考虑到冻结壁强度、再炮掘过程中防止冻结管断裂，要制定相应措施。

3、冻结造孔期间防止泥浆漏失，合理调配浆液。

保证冻结孔质量是加快冻结壁形成和防止冻结管断裂的关键，为冻结施工和井筒掘砌打好稳固的基础。