矿井井筒冻结施工

井筒冻结工程

一、冻结方案

由于本矿井主、副、风井井筒净直径均较大，且冻结深度大，根据其实际地质情况并参照附近龙固、赵楼等矿井冻结设计、施工情况，三个井筒均采用三圈孔加辅助孔冻结方案。其主要优点为冻结效率高，综合工期短，适于早日开挖、快速施工，且安全可靠。

二、冻结设计

1、冻结深度的确定

本矿井井筒冻结深度分别为：主井井筒894m，副井井筒840m，风井井筒840m。

2、冻结壁设计

（1）冻结壁设计原则

按两种极限状态设计，一是冻结壁的极限承载能力；二是冻结壁极限允许变形状态。前者对砂层较合适，因为砂层冻结壁由于冻砂具有脆性断裂的特性，因此其承载能力必须得到满足，否则可能出水冒砂。后者适用于深厚粘土层，因为对于粘土层最终决定冻结壁厚度的是必须满足变形条件，在隔水粘土层中不会涌砂冒水，但过大的变形会导致冻结管断裂，从而影响冻结壁安全。

（2）基本设计计算参数

冻结壁基本设计计算参数见表3-2-1。

表3-2-1 冻结壁基本设计计算参数表

注：※掘砌荒半径不含壁后泡沫塑料板厚。

（3）冻结壁厚度设计

根据现有公式计算、有限元分析及经验工程类比并结合万福实际工程情况，确定万福矿井各控制层冻结壁厚度见表3-2-6。

表3-2-6 万福矿井主、副、风井各控制层冻结壁厚度表

（4）冻结壁（强度）平均温度校核

结合国内现有冻结制冷工艺，立足现实，在确保安全运转的前提下，盐水温度在-30～-37℃之间较为合适，在龙固、丁集等矿井已经实现-36℃的盐水温度，若达到-40℃不但制冷设备的效率大大降低，由此带来的冻结管及制冷系统的管道材质问题将很难解决，即便解决费用也难以承受。

因此计算最低盐水温度按-36℃。

多圈孔冻结施工国外及国内均没有现成的公式可以计算，冻结壁平均温度计算采用四种方法计算：①采用单排孔冻结壁平均温度计算公式——成冰公式，加修正值；②采用作图法计算；③采用有限元分析方法；④工程类比法。

冻结壁平均温度计算结果见表3-2-7。

表3-2-7 万福矿井冻结壁平均温度计算结果表

经过校核可知，冻结壁平均温度均能达到设计要求，强度可以满足施工安全。

3、冻结孔的布置

（1）冻结孔布置形式

万福冻结孔布置综合考虑龙固、郭屯及其它矿井的布置经验，根据增大冻结壁厚度不如在厚度一定的情况下，提高冻结壁强度的原则，加强内圈孔的布置，通过内圈孔、防片孔先交圈，为防止夹层水及减少冻结装机量，中圈孔、外圈孔依次开冻。为保证冻结壁强度能提高上去，将冻结孔在施工工艺满足的情况下尽可能均匀布置，即将中圈孔分开布置。

（2）冻结孔布置方案

根据万福实际地质情况和冻结壁设计厚度和平均温度，在一定冻结壁厚度下，通过冻结孔的布置，即能达到设计的冻结壁厚度，又能降低冻结壁平均温度、提高冻结壁强度来保证冻结壁的安全。

根据以上设计理念进行冻结孔布置，选择合理的冻结方案。

①冻结孔深度

a. 外圈孔深度

外圈孔的作用是保证冲积层下部冻结壁设计厚度及强度，所以外圈孔冻结深度穿过新近系和强风化带即可。冲积层深度主井、风井753.95m，副井749m。主井、风井强风化带底板深度为773.31m，弱风化带底板深度781.52m；副井强风化带底板深度为773.5m，弱风化带底板深度776.88m。

因此确定外圈孔冻结深度主井、风井、副井均为775m。由于上部需要的冻结壁较薄，为节省冷量，外圈孔可采用局部冻结，300m以上不冻或少冻，重点冻结300m以下。

b. 中圈孔深度

中圈孔设置目的：一是中、上部与内圈孔、防片孔一起形成有效的冻结壁，且保证上部冻结壁厚度和强度；二是保证冲积层中下部及风化带的冻结壁强度；三是部分冻结孔深到所需冻结深度，确保基岩段冻结。中圈孔采用差异冻结，长腿深度与冻结深度相同，即主井894m，副井840m，风井840m。短腿深度超过

风化带即可，即主井、风井短腿深度均为783m、，副井短腿深度为778m。

c. 内圈孔深度

内圈孔上部可与防片孔、中圈孔形成冻结壁，并提高冻结壁强度，防片孔深度以下与中圈、外圈共同保证冻结壁厚度与强度，还要降低井帮温度，减少冻结壁内表面位移。同时还要兼顾风化带的冻结。

内圈孔深度超过风化带即可，即主井、风井内圈孔深度均为783m、，副井内圈孔深度为778m。

d. 防片孔深度

深厚冲积层井筒因结构需要，上部井壁与下部井壁厚度相差较大（主井上下相差1.2m，副井上下相差1.55m，风井上下相差1.4m）。井筒又是自上而下施工，上部冻结时间短，内圈孔上部离荒径较远，上部冻土因动水影响发展速度较慢。若不设防片孔，上部开挖时易出现片帮、抽帮现象，有时还会发生因周围冻土围抱力不够，已施工井壁“脱裤子”的现象，严重影响井壁质量和施工安全及施工速度，增加工程成本。

借鉴龙固、郭屯矿井冻结经验，万福矿井冻结设防片孔，结合冻结壁强度、井帮温度要求及开挖和掘砌施工进度，防片孔深度要求既要保证防片孔深度以上的井帮温度，还要照顾到过防片孔以后井帮温度要达到设计要求。

因此结合井壁结构设计，防片孔冻结深度穿过井壁变截面，保护变径处的安全，深度分别为：主井512m、副井482m、风井482m。

②冻结孔偏斜

深厚冲积层冻结井施工中，冻结孔施工质量的好坏直接影响冻结工程的成败。为保证冻结壁均匀稳定及冻结壁厚度和强度的如期达到，根据业主要求及万福实际地质情况并结合当前冻结钻孔实际施工水平，对冻结孔偏斜提出如下要求：

a. 钻孔垂直度：0～300m≤2.5‰；300～600m，靶域半径0.7m；600m到新近系底板，靶域半径0.8m；基岩段靶域半径1.2m；防片孔向内≤0.5m。

b. 根据《矿山井巷工程施工验收规范》要求，外圈、中圈、内圈孔相邻两