文/蘇樂(lè)斌

凍結(jié)法鑿井作為通過(guò)不穩(wěn)定沖積層及鄰近含水基巖的特殊鑿井施工方法， 一直是國(guó)內(nèi)外礦井建設(shè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。 霍州煤電集團(tuán)呂臨能化公司龐龐塔礦千萬(wàn)噸項(xiàng)目地處山西省呂梁市臨縣境內(nèi)，屬河?xùn)|煤田，井田地處晉西黃土高原。 主副井均采用斜井開(kāi)鑿，主井傾角16°，一號(hào)副斜井傾角23°，二號(hào)副斜井傾角25°。 一期工程施工前期，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，在掘進(jìn)過(guò)程中將穿過(guò)3 層砂礫石層，其涌水量最高可達(dá)303m3/h。同時(shí)還面臨表土層和深厚砂礫石層、斜井傾角大、斷面大等工程困難。 經(jīng)研究論證決定，在井筒施工過(guò)程中，為了保證施工安全與質(zhì)量， 特采取國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)特殊鑿井法（凍結(jié)法）施工井筒。

一、施工原理

斜井凍結(jié)鑿井是利用傳統(tǒng)的氨循環(huán)制冷技術(shù)來(lái)完成的。 該技術(shù)是在井筒開(kāi)挖之前，用人工制冷的方法， 將井筒周圍含水地層凍結(jié)成一個(gè)封閉的不透水的帷幕——凍結(jié)壁，用于抵抗地壓、水壓，隔絕地下水與井筒之間的聯(lián)系。 之后， 在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行掘砌施工。 為形成凍結(jié)壁，首先在欲開(kāi)挖井筒的周圍打一定數(shù)量的凍結(jié)孔，孔內(nèi)安裝凍結(jié)器。 低溫鹽水在凍結(jié)器中流動(dòng)， 吸收其周圍地層之熱量，形成凍結(jié)圓柱。 凍結(jié)圓柱逐漸擴(kuò)大并連接成封閉的凍結(jié)壁， 直至達(dá)到設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度為止，然后在其保護(hù)下進(jìn)行掘砌施工，以便安全穿過(guò)含水地層。

二、凍結(jié)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合地質(zhì)報(bào)告， 采用的凍結(jié)方式為分段造孔、分段凍結(jié)，分段開(kāi)挖，分段拆除。 現(xiàn)結(jié)合二號(hào)副斜井實(shí)際情況，介紹具體方案設(shè)計(jì)。

1.凍結(jié)深度的確定

二號(hào)副斜井凈寬5.2m，凈高4.5m，井壁厚度0.7m，掘進(jìn)斷面寬度為6.6m，高度為5.8m。

2.凍結(jié)技術(shù)參數(shù)的確定

根據(jù)二號(hào)副斜井井筒工程地質(zhì)條件， 凍結(jié)參數(shù)設(shè)定如表1 所示。

表1 二號(hào)副斜井凍結(jié)壁參數(shù)表

3.凍結(jié)孔布置

根據(jù)二號(hào)副斜井開(kāi)挖斷面尺寸、 凍結(jié)壁厚度及地質(zhì)資料等情況， 綜合各種因素確定凍結(jié)孔布置方式。 凍結(jié)孔布置原則是：在滿足凍結(jié)壁厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下， 盡量少布置凍結(jié)孔，以減少鉆孔施工工期。

凍結(jié)地面水平方向凍結(jié)范圍為： 井筒中心 起101.843 ～204.822m， 其 水 平 長(zhǎng) 度 為102.979m。凍結(jié)孔布置五排。即兩排邊孔AE；兩排中間孔BD；一排中間孔C。 其排間距為2.4m。 兩排邊孔A E 共2×69 個(gè)， 其深度為51.69～99.70m，其孔間距為1.514m；兩排中間 孔B D 共2×41 個(gè)， 其 深 度 為51.69 ～99.70m，其孔間距為2.574m；一排中間孔C共69 個(gè)，其深度為51.69～99.70m，其孔間距為1.514m。 在凍結(jié)段開(kāi)始端及距開(kāi)端28.2 米處各增設(shè)一組4 個(gè)堵頭孔， 其深度為51.69m和65.68m。

所有凍結(jié)孔均采用局部?jī)鼋Y(jié)， 其凍結(jié)范圍為斜井頂板以上5.0m 至斜井底板以下3.0m，非凍結(jié)區(qū)域均進(jìn)行隔溫，隔溫方法采用充填鹽水方式。 另外，為減少鑿井過(guò)程中的凍結(jié)挖掘量，井筒斷面內(nèi)的凍結(jié)管改用Φ89mm無(wú)縫鋼管，外進(jìn)行保溫和隔溫處理，隔溫管長(zhǎng)度均為5.8 米（有效隔溫長(zhǎng)度5.5 米）。

4.凍結(jié)器設(shè)計(jì)

凍結(jié)管選用φ133×4.5mm 低碳鋼無(wú)縫鋼管，外管箍聯(lián)接，采用充填鹽水式進(jìn)行局部?jī)鼋Y(jié)，內(nèi)下兩根φ50×5mm 塑料管作為供液管。

5.測(cè)溫孔布置設(shè)計(jì)

按水平長(zhǎng)30m/段布置2 個(gè)測(cè)溫孔， 本工程共布置8 個(gè)測(cè)溫孔， 布置凍結(jié)壁內(nèi)部與凍結(jié)壁外側(cè)位置。 布置原則：布置在每段末端凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)孔間距較大位置及凍結(jié)壁外側(cè)較大孔間距界面位置。 測(cè)溫孔采用φ57×3.5mm 無(wú)縫鋼管外管箍焊接，底端封實(shí)，管內(nèi)不需灌水和試壓，但不得滲漏水。

測(cè)溫孔深度暫定為：64.10m/2 個(gè)、78.09m/2 個(gè)、92.08m/2 個(gè)、99.70m/2 個(gè)。 測(cè)溫孔位置應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定， 測(cè)溫孔數(shù)量根據(jù)凍結(jié)孔施工情況增加。

三、效果分析

實(shí)踐證明， 凍結(jié)法保證凍結(jié)施工安全的同時(shí)，縮短了凍結(jié)施工工期，節(jié)省了大量電力資源， 避免了不必要的浪費(fèi)。 從開(kāi)挖斷面來(lái)看，凍結(jié)效果很好，無(wú)漏水及片幫現(xiàn)象。 開(kāi)挖過(guò)程中，凍結(jié)效果很好，凍土強(qiáng)度也很高，完全滿足封水承壓的條件。 井幫迎頭溫度維持在-8℃～-10℃，左右?guī)蜏囟然揪S持在-8℃左右。 頂板、底板、兩幫凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。 在滿足凍結(jié)設(shè)計(jì)對(duì)于凍土強(qiáng)度要求的同時(shí)，井幫溫度不致過(guò)低，有利于混凝土的凝固，節(jié)省了時(shí)間，提高了井筒掘進(jìn)的效率。 根據(jù)井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，砂礫石層凍結(jié)效果良好，穩(wěn)定性好，沒(méi)有片幫發(fā)生；粘土層穩(wěn)定性稍差，暴露段表面溫度回升較快，采取的措施是減小放空段，效果良好，沒(méi)有片幫發(fā)生。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合， 龐龐塔礦千萬(wàn)噸項(xiàng)目部在通過(guò)砂礫石層時(shí)采用的凍結(jié)法施工， 不僅保證了在松散層掘進(jìn)期間的安全施工，還提高了井筒掘進(jìn)的效率，為千萬(wàn)噸礦井的建成投產(chǎn)打下了很好的基礎(chǔ)， 同時(shí)為今后斜井在深表土凍結(jié)方面提供了借鑒。