探讨赵固二矿冻结方法设计

探讨赵固二矿冻结方法设计

【摘要】本文主要是作者结合自己所做过的实际工程，对赵固二矿冻结方法设计主导思想及冻结深度及冻结壁厚，并分析了赵固二矿现有井筒检查孔资料和冻土相关试验数据，该矿井井筒穿过的冲积层厚度、埋藏特点和冻土力学特性与赵固一矿基本相近，并与泉店矿井筒穿过的冲积层埋藏条件相似，赵固一矿和泉店矿井的冻结设计和工程实践的经验与问题对赵固二矿冻结设计和施工具有重要的指导意义。为此，拟在总结赵固一矿和泉店矿井经验与问题的基础上，编制赵固二矿冻结方案，以达到安全、合理、快速、经济的目的。实践证明了设计的合理性和先进性，并取得了预期的技术经济效果。

【关键词】井筒冻结设计冻结壁厚

1 工程概况

赵固二矿于2005年上半年开工建设，冲积层厚度居全国第三位（龙固副井为567.7m，丁集矿井为525.3～525.5m），冻结深度居全国第二位（龙固副井为650m，丁集矿井为555～557m），加上冲积层中粘性土层和砂性土层的厚度比例为71.2～28.8m（见表1），单层厚度>10m的粘土层10层和砂质粘土层6层，粘土层的单层最大厚度达37.4m和最大埋深达468.15m，砂质粘土层的单层最大厚度达27m和最大埋深达518m，且深部粘性土层的含水率小，冻土抗压强度低、蠕变特性显著，容易导致冻结管断裂。

深井冻结的实践表明，随着冲积层厚度的增加，地压和水压增大，地温升高，特别是深部粘土层的冻土扩展速度慢和强度低，冻结壁的蠕变位移大，成为冻结管断裂、井壁破坏、井壁漏水的主要因素，轻则延长工期和增加工程造价，重则导致淹井和危及施工安全，造成重大损失。从国内已施工深厚冲积层冻结井的情况分析，冻结管断裂、井壁破坏和漏水一直是深厚冲积层冻结凿井的技术关键问题：例如潘谢矿区1977～1985年施工的9个深冻结井中计断管135根，平均断管率达40%；潘三东风井外层井壁压坏现象严重，压坏后井壁径向位移最大达550mm；谢桥副井施工至井深239m时冻结管断裂导致冻结壁融化透水淹井；赵固一矿开工前施工的梁宝寺主井井壁压坏严重和张北副井冻结管连续断裂7根，严重危及施工安全。以上事例说明，深厚粘土层已成为冻结法凿井向纵深发展的“拦路虎”。

焦作煤业集团公司对赵固二矿冻结法施工难度非常重视，为使赵固二矿实现安全快速施工，委托煤炭科学研究总院北京建井所编制冻结设计、待北京建井研究所于2005年5月上旬提出冻结推荐方案后，又召开了专家论证会，对冻结推荐方案进行了评议，修改后作为冻结招标方案，并通过招标选定施工单位，确定施工方案。现根据赵固二矿的施工情况，对冻结推荐方案、冻结招标方案、冻结施工方案的优缺点进行综合评价。

2 对井筒地质、水文地质资料和冻土试验资料的分析评估

2.1 井筒地质、水文地质资料

赵固二矿设计生产能力为180Mt/a，选用中央并列式开拓方案，主、副、风井筒布置在一个工业广场内。为了正确选定井筒位置，先后施工了四个井筒检查孔，根据2006年4月4日对赵固二矿井筒检查孔资料审查结果得出：主、副、风井井筒穿过的冲积层的厚度分别为528.85m、522.55m、519.5m；主井/副井/风井的基岩强、中、弱风化带埋深分别为568.27m、589.64m、613.89m/570.06m、591.52m、615.0m/586.76m、597.3m、616.11m。冲积层埋藏特点与赵固一矿基本相同，主、副、风井粘性土层与砂性土层的厚度比例分别为76.93：23.07、70.73：29.27、70.49：29.51；砂性土层以细砂、粉砂为主，主、副、风井砂性土层的最大埋深分别为459.2m（粉砂）～493.05m（细砂）、502.35m（粉砂）～520.15m （细砂）、476.6m（粉砂）～498.8m（细砂）；主井/副井/风井深部冲积层（>300m）中单层厚度>5m粘性土层的层数、总厚度、平均厚度、连续厚度、最大埋深分别为12层、168.58m、14.05m、42.8m、528.85m/16层、133.2m、8.33m、20.35m、522.55m/11层、122.75m、11.16m、31.65m、519.5m。加上基岩强、中、弱风化带的厚度均比赵固一矿大，风井和副井的净直径大，将对冻结深度和冻结壁、井壁设计产生重要的影响。

2.2 冻土试验资料

根据煤科总院北京建井研究所提供的冻土试验资料分析，赵固二矿冲积层的土性和冻土强度、蠕变参数等近似赵固一矿。

3 二矿冻结推荐方法

3.1 主要技术指标

受焦作煤业集团有限公司的委托，煤炭科学研究总院北京建井所根据陈四楼主副井、程村主副井、济西主副井、顾桥副井等深厚冲积层冻结设计和工程实践经验，于2004年4月中间提出赵固一矿冻结设计优化推荐方案。

3.2 优缺点分析

主要优点：冻结推荐方案与国内近年来施工的>500m冲积层冻结设计主要技术指标相比具有以下特点：吸取国内、外深厚冲积层冻结凿井经验的基础上，对赵固二矿冲积层埋藏特点进行了细致的分析，采用理论与实践相结合的综合分析方法，对设计基本参数进行优选，按强度条件和变形条件设计冻结壁的厚度和安全掘进段高，能较全面地满足赵固二矿518m冲积层冻结壁强度和稳定性的要求。

4 赵固二矿冻结方案设计

4.1冻结方案设计指导思想

通过赵固一矿主副风井和泉店矿主副风井等深厚冲积层冻结设计、施工经验与问题对比分析结果，提出赵固二矿冻结方案设计的指导思想如下：把冻结方案设计视为井筒冻结与掘砌系统工程的重要组成部分。无论冻结深度、冻结壁厚度、安全掘进段高、冻结制冷工艺设计以及工期分析都必须把“冻结与掘砌”有机地结合起来，统筹兼顾。

4.2冻结深度的设计优化

根据赵固二矿冲积层厚度及其邻近基岩风化情况、矿山井巷工程施工及验收规范对冻结深度的要求、冻结段井壁壁座深度和深井冻结实践经验等综合分析，提出赵固二矿主井、副井、风井的冻结深度分析为615m、628m、628m。

4.3冻结壁厚度设计优化

根据赵固二矿冲积层埋藏特点选取砂性土层的控制层位、冻结盐水温度、井帮温度、冻结孔布置方式、冻结壁平均温度、冻土计算强度等参数以及近几年建设的深厚冲积层冻结壁厚度设计主要技术指标综合分析计算结果，提出赵固二矿主井、风井和副井的设计厚度分别为7.7m、8.4m和10.2m或10.3m。

5 赵固二矿主、副、风井冻结设计方案的技术指标和优缺点对比

在仔细分析国内近年来建设>400m冲积层的程村主副井、济西主副井、泉店主副井风井等和>500m冲积层的龙固副井、丁集主副风井、赵固一矿主副风井等冻结方案设计与施工经验的基础上，结合编者对深厚冲积层冻结凿井的科研、设计、施工经验体会和国内冻结单位的实践经验，对赵固二矿净直径为5m、5.5m、6.5m和6.8m、6.9m的主井、风井和副井分别提出2个冻结方案进行分析对比。

6 结语

通过以上论述分析，实践证明该设计是在赵固二矿工程中是可行的，其设计的合理性和先进性，都取得了预期的技术经济效果。