浅谈某煤矿冻结法凿井施工技术

浅谈某煤矿冻结法凿井施工技术

[摘要]通过冻结法凿井冷冻孔施工技术在冲积层较厚的煤矿建井施工过程中的应用，简要的介绍了冻结和凿井施工中所采取的技术措施。

[关键词]深厚表土层井筒冻结防片帮孔

1工程概况

该煤矿某井设计井筒净直径5.5m，深409.5m。井筒表土段厚349.7m，采用冻结法施工，冻结深度382m。冻结段井壁为双层钢筋混凝土结构，外壁厚450～700mm，内壁厚500～850mm，混凝土强度等级C30～C50。表土段内、外层井壁间敷设1层1.5mm厚的塑料软板，外层井壁与井帮之间铺设25～50mm厚聚苯乙烯泡沫塑料板。

井筒冻结壁设计厚度5.6m，冻结盐水温度-28～-32℃。冻结设计控制层位为表土段下部粘土层，冻土平均温度-15℃。冻结时间井筒试挖前估算为65d，试挖后为145d。

井筒冻结孔设计采用1圈主孔+2圈辅助孔的三圈孔布置方式。主圈冻结孔采用差异冻结方式，冻结深度360m/382m。辅助孔综合考虑井筒掘砌速度、冻结时间、冻结壁厚度及整体强度、防片帮等要求，采用双圈插花布置方式。其中外圈辅助孔穿过基岩风化带，深355m；内圈辅助孔深130m。冻结孔布置参数见附表。冻结管均为低碳无缝钢管。主圈孔冻结管规格为φ133mm×（6～7）mm，内箍焊接连接；辅助孔冻结管规格为φ159mm×6mm，内箍焊接连接。供液管均为φ75mm×6mm 塑料管。

井筒于2011-09-19完成冻结钻孔施工，09月20日开始冻结。至11月4日开机冻结46d后，水文孔全部冒水，表明冻结壁已交圈。11月12日井筒试挖，11月26日正式开挖。至2012-01-25，360m井筒掘砌外壁工程及16m壁座工程完工，表土段掘砌外壁平均月成井120.5m，最高月成井152m（2011年12月）。

2主要施工技术措施

2.1冻结工程

2.1.1采用合理的冻结方案

井筒冻结孔设计采用1圈主孔+2圈辅助孔的三圈孔布置方式。主圈孔主要起保证冻结壁厚度、平均温度达到设计要求和保证冻结壁按时交圈的作用。外圈辅助孔主要起保证冻结壁强度满足安全施工的要求和控制表土段下部井帮温度的作用。内圈辅助孔为防片帮孔，主要起防止掘进时片帮的作用。

实践证明，井筒设两圈辅助冻结孔，不但能加强井筒上部地层冻结，缩短冻结壁交圈时间，为提前开挖创造条件，还能灵活调节地层冷量分配，实现在保证施工安全的同时，最大限度地减小冻土进入掘进断面厚度，加快掘进速度的目的。

2.1.2适时采用反循环供冷，促使冻结壁交圈

井筒冻结40多d后，一含水文孔迟迟不冒水，有可能造成工期拖延。根据测温资料分析，认为有可能是含水层通过水文孔与上部地层沟通，冻胀水进入上部粘土层的缘故，使得水文孔不冒水。为此，采取了两项措施：一是将主圈孔上部相邻孔间距最大的4个冻结孔盐水循环方式由正循环改为反循环，加大冷量供给；二是向锁口内灌水，直至一含自然水位，增加井内水压，确保一含水文孔能正常报道冻结壁交圈情况。采取措施后，取得了预期效果。

此外，当井筒掘至接近130m深时，为了加强130～180m 段地层冻结，再次将主圈部分冻结孔盐水循环方式改为反循环，也取得了预期效果。

2.1.3科学合理地控制冻结温度

在冻结段井筒掘砌施工中，运用“冻结法凿井信息可视化管理软件”，根据测温孔温度实测数据，分析冻结壁温度场的特性。同时根据冻土力学性能，建立回归数学模型，预测冻结壁温度场的发展。再利用计算机模拟冻结壁温度场的发展情况，显示并预测某一时刻任意指定深度位置冻结壁温度场的特征和竖向冻结壁形状，使冻结壁温度场、冻结壁厚度等参数可视化。该项技术的应用，为合理控制井帮温度，协调冻结和掘砌关系提供了科学依据，实现了深厚冻结粘土层段井筒安全快速施工（在井帮温度只有-2.9～-5.5℃的情况下，安全快速地通过了垂深273.4～278.5m段膨胀性钙质粘土层；在井帮温度为-4.5～-6.9℃时，安全快速地通过了垂深298.05～305.65m段膨胀性钙质粘土层；在井帮温度为- 4.4～- 6.1℃时，安全快速地通过了垂深320.05～324.9m段膨胀性钙质粘土层）。

从该井筒施工情况看，井帮温度已不再是判定施工是否安全的主要指标。只要冻结壁厚度、强度符合设计要求，冻结壁具有相对均匀性，便认为是安全的，不必拘泥于传统的维持-8～-10℃的观念。

2.1.4采取措施，避免井壁局部过度受冻

垂深187～220m段井筒施工时，东北方和西北方井壁上出现了2道近似竖向的裂缝，长度贯穿整个段高，宽度2～4mm，每模位置基本固定。通过对井壁挂霜情况的观察分析，发现裂缝处井壁及井帮表面结霜均比其他地方多。再查看冻结钻孔成孔测斜资料，发现裂缝处冻结钻孔内偏。根据经验，内偏的冻结孔必然会导致该处冻土温度比其他地方低，冻结不均匀，从而给井壁造成一定的破坏。找出原因后，及时关闭了2个内偏值比较大的冻结孔供液管进液阀门，停止其盐水循环，然后继续向下施工。向下掘砌完3个段高后，发现新浇筑的井壁未出现裂缝，以前出现的井壁裂缝宽度和深度也未再扩展，井壁和井帮表面结霜情况基本均匀，说明采取的措施正确，保证了井壁质量。

2.2凿井工程

2.2.1采用合理的施工方案

井筒冻结具备开挖条件后，首先掘砌锁口，并试挖30m，安装好“三盘”，吊挂好井内设施。冻结表土段采用人工风镐挖掘，短段掘砌。风化带及冻结基岩段采用钻爆法掘进。采用段高可调的YJM改型单缝式液压整体金属模板浇筑外壁。它可满足2.0m和4.0m筑壁段高的要求，段高调整容易，有利于提高工效。内壁采用段高1.05m的金属模板砌筑。

2.2.2做好施工准备工作

一是协调好地方关系，积极营造良好的施工环境。二是施工前制定详细的应急预案和相关安全技术措施，备齐备足日常及应急施工材料。

2.2.3加强监测

一是加强井帮温度和井帮变形监测。井帮变形量自开挖至浇筑井壁混凝土时如果超过50mm，外壁和井帮之间的泡沫塑料板厚度便由50mm增加到75mm，同时将混凝土强度比设计提高1个等级。二是安装了提升系统各层位、工作面和各主要生产环节可视系统，既减小了事故发生概率，有利于施工安全，又便于地面生产指挥，有利于提高效率。

3体会

（1）该煤矿某井井筒防片帮孔设计深度为130m，而井筒外壁变径处在垂深180m位置，造成垂深130～180m段无防片帮孔，导致掘进时片帮量大。根据该井筒施工经验，今后在进行类似地层井筒冻结孔布置设计时，应将防片帮孔到达井筒外壁第1变径处作为确定防片帮孔深度的原则。

（2）为防止膨胀性粘土层段冻结壁变形过大造成井壁破坏，同时改善混凝土井壁养护条件，冻结表土段外壁与井帮之间设计和施工时沿用了大多数冻结井的做法，即敷设了25～50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板，不仅增加了掘进工作量，影响施工速度，而且浇筑井壁混凝土时，泡沫塑料板碎块有时会混入混凝土中，使井壁质量降低。建议有关科研单位研制一种能直接喷射到井帮上，具有一定附着力和强度，并具有保温隔热性能的发泡剂来代替目前使用的泡沫塑料板。