王 黔，李東永，范明建

（1．中煤能源鄂爾多斯分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200；2．天地科技股份有限公司，北京 100013）

·試驗(yàn)研究·

局部凍結(jié)法在西部大型礦井立井鑿井中的應(yīng)用

王 黔1，李東永1，范明建2

（1．中煤能源鄂爾多斯分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200；2．天地科技股份有限公司，北京 100013）

在分析蒙陜礦區(qū)某礦副井穿越地層的水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，通過對比分析不同凍結(jié)方案的安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，確定采用局部凍結(jié)法進(jìn)行立井鑿井施工。工程實(shí)踐表明，局部凍結(jié)法能夠滿足礦井建設(shè)的需要，實(shí)現(xiàn)了立井快速、安全、高效鑿井施工的目標(biāo)。為我國西部大直徑、中深井筒的安全高效建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)，具有較好的示范作用。

立井鑿井；局部凍結(jié)法；方案設(shè)計(jì)；工程應(yīng)用

1 工程概況及水文地質(zhì)狀況

1．1 井筒概況

蒙陜礦區(qū)某礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗境內(nèi)，井田位于鄂爾多斯高原之東南部，區(qū)域性地表分水嶺“東勝梁”的南側(cè)，毛烏素沙漠的東部，具有高原沙漠地貌特征。該礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力8 Mt／年，井田走向長度17．8 km，傾斜寬度13．5 km，面積180．67 km2。由于礦區(qū)煤層埋藏深度較深，最淺的3-1號(hào)煤層埋深達(dá)到550 m以上，屬于我國西部煤礦開采深度較深的礦井。礦井副井井筒井口標(biāo)高+1 132．20 m，鑿井深度達(dá)到580 m以上，主要技術(shù)特征見表1。在副井鑿井施工時(shí)，礦井一、二號(hào)主立井和一號(hào)回風(fēng)立井已經(jīng)施工到底，井下正在施工井筒間的貫通巷道及臨時(shí)車場。因此，該井筒具有直徑大和井上井下同期建設(shè)的特點(diǎn)。

表1 副井井筒主要技術(shù)特征表

1．2 水文地質(zhì)

1．2．1 含水層水文地質(zhì)狀況

根據(jù)礦井水文地質(zhì)勘探結(jié)果，按照地下水的賦存條件、水力特征及含水層的縱向分布結(jié)構(gòu)，將礦井地下水劃分為4層。詳細(xì)情況如下：

1）第四系薩拉烏素組孔隙潛水含水層。

巖性為灰黃色、灰綠色粉細(xì)砂，下部夾有黃土狀亞砂土薄層，含鈣質(zhì)結(jié)核，疏松。水位埋深18．22 m，含水層厚度43．68 m，靜止水位標(biāo)高1 110．48 m，水柱高度43．68 m，水位降深6．02 m，涌水量18．06 L／s，單位涌水量3．299 L／s·m（統(tǒng)降單位涌水量0．450 7 L／s·m），滲透系數(shù)12．26 m／天，富水性中等。

2）白堊系下統(tǒng)志丹群洛河組風(fēng)化基巖孔隙、裂隙承壓水含水層。

含水層為白堊系下統(tǒng)志丹群洛河組砂巖，全區(qū)分布。含水層巖性為磚紅色中、粗粒砂巖，次為細(xì)粒砂巖。巖層上部風(fēng)化裂隙發(fā)育，下部孔隙發(fā)育較強(qiáng)，給地下水形成良好的儲(chǔ)水空間。水位埋深25．34 m，靜止水位標(biāo)高1 103．34 m，水柱高度176．22 m，含水層厚度120．16 m，水位降深19．68 m，涌水量1．519L／s，單位涌水量0．084 65 L／s·m（統(tǒng)降單位涌水量0．046 83 L／s·m），滲透系數(shù)0．197 1 m／d，富水性弱。

3）非煤系地層碎屑巖類孔隙、裂隙承壓水含水層。

全區(qū)分布，本區(qū)是指侏羅系中統(tǒng)安定組和直羅組地層。上部安定組巖性為紫紅色、灰綠色中粗粒砂巖、砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖及細(xì)粒砂巖巖性；下部直羅組巖性為青灰色、灰綠色中粗粒砂巖，雜色粉砂巖及砂質(zhì)泥巖。含水層厚度103．84 m，地下水從孔口涌出地表，水位高出地面13．56 m，自流涌水量1．638 L／s，水位標(biāo)高1 142．55 m，水柱高度468．87 m。單位涌水量0．120 5 L／s·m（統(tǒng)降單位涌水量0．070 89 L／s·m），滲透系數(shù)0．028 45 m／d，富水性弱。水化學(xué)類型為SO4-Na型水，礦化度6 122 mg／L。

4）煤系地層碎屑巖類孔隙、裂隙承壓水含水層。

本次工作層段位于3號(hào)煤層頂部巖層，含水層巖性主要為中、細(xì)粒砂巖。垂向上與粉砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖隔水層成互層狀分布。本區(qū)構(gòu)造不發(fā)育，巖體完整，巖石致密堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育微弱，故含水層富水性弱。含水層厚度77．13 m，地下水從孔口涌出地表，水位高出地面17．48 m，自流涌水量0．483 L／s，水位標(biāo)高1 146．60 m，水柱高度566．60 m。水位降深44．82 m，涌水量1．094 L／s，單位涌水量0．024 41 L／s·m（統(tǒng)降單位涌水量0．014 81 L／s·m），滲透系數(shù)0．029 89 m／d，富水性弱。

1．2．2 地下水補(bǔ)給、徑流與排泄

礦井第四系松散層潛水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件主要受地形地貌、巖性、氣象和水文等因素的控制。大氣降水、沙漠灘凝結(jié)水、灌溉回歸水是其主要補(bǔ)給來源。

基巖風(fēng)化裂隙潛水除零星裸露區(qū)直接得到大氣降水滲入補(bǔ)給外，絕大部分是通過上覆松散層潛水的下滲而間接得到大氣降水的補(bǔ)給。除局部地段在潛水層與松散層存在隔水層外，大部分地區(qū)均是具有密切水力聯(lián)系的統(tǒng)一含水體，故其補(bǔ)給、徑流方向、排泄與松散層潛水基本一致。

基巖裂隙承壓水除間接得到大氣降水補(bǔ)給外，還接受上游地段潛水滲入補(bǔ)給，徑流方向沿巖層傾向由東南向西北方向運(yùn)移。西部含水層埋藏愈深，裂隙愈少，形成了封閉的儲(chǔ)水空間，水量小。

根據(jù)該礦井的水文地質(zhì)條件，確定該井筒宜采用凍結(jié)法施工，以確保施工安全。

2 凍結(jié)方案確定與參數(shù)選取［1-2］

根據(jù)凍結(jié)工藝的不同，凍結(jié)形式主要分為一次凍全深、長短管（差異）凍結(jié)、分段（分期）凍結(jié)、局部凍結(jié)等。合理選取井筒凍結(jié)的形式，不僅關(guān)系到井筒凍結(jié)段的施工安全，而且決定了井筒基巖段施工的連續(xù)性。凍結(jié)深度主要根據(jù)井筒含水層、巖性、滲透系數(shù)等地質(zhì)與水文資料確定。特殊鑿井技術(shù)要求凍結(jié)段必須深入不透水的穩(wěn)定巖層10 m以上。當(dāng)基巖下部30 m仍有含水層時(shí)，應(yīng)延伸凍結(jié)深度。

根據(jù)礦井副井穿越的巖層水文地質(zhì)條件，該井筒適宜采用一次凍全深或局部凍結(jié)方案進(jìn)行施工。

2．1 凍結(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)井壁結(jié)構(gòu)圖和井檢孔柱狀圖，確定井筒凍結(jié)采用兩圈凍結(jié)孔相結(jié)合的形式，外圈孔為主凍結(jié)孔，內(nèi)圈孔為輔助孔?？傮w凍結(jié)深度應(yīng)過中等風(fēng)化帶。凍結(jié)參數(shù)如下：

1）積極凍結(jié)期鹽水溫度：-30℃～-28℃。2）鉆孔偏斜率：表土段≤2‰，風(fēng)化帶及基巖段≤3‰。3）主凍結(jié)孔最大孔間距：表土段≤1．5 m，凍結(jié)基巖段≤2．8 m。4）凍結(jié)壁平均溫度確定：-8℃。5）主凍結(jié)孔偏斜值：300 m以下靶域半徑≤0．8 m；向內(nèi)徑向偏值≤0．5 m。6）凍結(jié)壁厚度的計(jì)算：表土段以沖積層底界砂土（垂深83．94 m）作為控制層位；基巖段以底部砂巖作為控制層位。通過采用拉麥公式、多姆克公式對凍結(jié)壁厚度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果，表土段凍結(jié)厚度3．3 m，基巖段凍結(jié)厚度4．7 m。7）凍結(jié)孔布置：a）主凍結(jié)孔。布置圈徑：d21．5 m；數(shù)量：N=52個(gè)；開孔間距：1．299 m。b）輔助凍結(jié)孔。布置圈徑：d15．2 m；數(shù)量：N=24個(gè)；開孔間距：1．990 m。8）測溫孔及水文孔布置。a）測溫孔布置。測溫孔布置3個(gè)；主凍結(jié)孔外側(cè)1個(gè)；主孔與輔孔之間1個(gè)；內(nèi)圈孔圈徑上1個(gè)，孔深105m。b）水文孔布置。水文孔布置2個(gè)：孔深分別為45m、180m。9）凍結(jié)時(shí)間估算。井筒開始凍結(jié)至試挖凍結(jié)時(shí)間為56天，局部凍結(jié)法凍結(jié)總工期為243天，全深凍結(jié)法凍結(jié)總工期為306天。

2．2 凍結(jié)方案對比

通過對比井筒局部凍結(jié)和全深凍結(jié)方案主要技術(shù)參數(shù)（見表2），結(jié)合現(xiàn)場施工狀況，從工程量、技術(shù)難度、施工進(jìn)度等方面進(jìn)行對比分析。

表2 井筒凍結(jié)方案主要技術(shù)參數(shù)對比表

1）鉆孔工程量及制冷量需求：從凍結(jié)孔鉆孔工程量來看，局部凍結(jié)方案較全深凍結(jié)方案鉆孔長度減少5 022 m，施工總工期縮短63天；同時(shí)凍結(jié)需冷量減少244．764萬kJ／h，節(jié)約耗能效果明顯。

2）置換泥漿所需水泥漿量：局部凍結(jié)法確定凍結(jié)管與鉆孔之間的環(huán)形空間水泥漿置換部位為垂深410～510 m井筒段，置換高度為100 m，需漿液量130 m3。全深凍結(jié)法水泥漿置換部位為垂深410～603 m井筒段，置換高度193 m，需漿液量250．9 m3。局部凍結(jié)方案可減少水泥漿注漿量120．9 m3，減少了材料用量，縮短了施工工期，節(jié)約了人工成本。

3）對井底施工的影響：根據(jù)井下巷道施工進(jìn)度，井下巷道將先于井筒與馬頭門及相關(guān)硐室貫通。在副井鑿井過程中，全深凍結(jié)方案凍結(jié)孔將穿過井下硐室及巷道，為井下巷道施工帶來困難。局部凍結(jié)方案，可不受下部凍結(jié)管影響，提前施工副井馬頭門，為礦井快速高效建設(shè)創(chuàng)造條件。

4）凍結(jié)方案技術(shù)可行性：根據(jù)水文地質(zhì)資料，局部凍結(jié)下部基巖段富水性較弱，井下揭露的下部煤層頂板含水量較小。因此，全深凍結(jié)的意義不大。

由此可見，局部凍結(jié)方案不僅可以滿足現(xiàn)場生產(chǎn)條件的需要，而且可以有效縮短工期，減少材料費(fèi)用和勞務(wù)成本，實(shí)現(xiàn)礦井的安全、快速、高效、經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

3 現(xiàn)場施工

副井井筒于2010年9月份開始施工凍結(jié)鉆孔，至12月完成全部凍結(jié)孔的現(xiàn)場施工和地面冷凍站的安裝調(diào)試工作。12月20日正式開機(jī)凍結(jié)，至2011年3月8日，根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，井筒凍結(jié)段達(dá)到開掘要求，3月11日正式開始井筒掘砌。經(jīng)過220天的施工，至2011年10月21日完成井筒套內(nèi)壁的全部工程量，累計(jì)套內(nèi)壁503m。至2011年11月11日井筒壁間注漿全部完成；井筒與馬頭門于12月11日貫通，井筒掘砌累計(jì)深度為556 m，井底東西馬頭門墻部砌碹16m。至2012年1月7日完成副井井筒掘砌施工，井筒安全順利落底。2012年3月8日井筒凍結(jié)段壁間及非凍結(jié)段壁后注漿全部結(jié)束。

在整個(gè)副井凍結(jié)施工過程中，各環(huán)節(jié)銜接緊湊、工序安排合理，實(shí)現(xiàn)了安全、快速建設(shè)。

4 結(jié)束語

1）局部凍結(jié)法是在分析井筒水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，優(yōu)選出的適應(yīng)于現(xiàn)場施工條件的凍結(jié)方案。

2）與全深凍結(jié)方案相比，具有工程量小、能耗低、投資少、施工安全和工期短的優(yōu)點(diǎn)。礦井自凍結(jié)孔施工開始，到井筒掘砌工作全部完成，累計(jì)耗時(shí)15個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了大直徑、中深井筒的快速施工。

3）局部凍結(jié)法為礦井井筒與井底硐室、聯(lián)絡(luò)通道的同時(shí)施工創(chuàng)造了條件，實(shí)現(xiàn)礦井建設(shè)的平行作業(yè)，縮短了礦井的建設(shè)周期。

4）局部凍結(jié)法在該礦井副井鑿井中的成功應(yīng)用，為我國西部大直徑、中深井筒的安全高效建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)，具有較好的示范作用。

［1］ 路耀華，崔增祁．中國煤礦建井技術(shù)［M］．北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1995：428-439．

［2］ 胡 坤，呂曉亮，荊留杰．凍結(jié)法鑿井需注意問題的探討［J］．山西建筑，2008，34（19）：127-128．

Application on Partial Freezing Method in Shaft Sinking of West Large-scale Coal Mine

Wang Qian，Li Dong-yong，F(xiàn)an Ming-jian

Based on the analysis in the hydrogeological condition of a coal mine auxiliary shaft in Inner Mongolia and Shaanxi mining area passed through stratum，through comparing and analyzing the indexes of safety，technology and economy in different frozen plans，the partial freezing method in shaft sinking construction is determined．Engineering practice shows that the partial freezing method can meet the needs of coal mine construction，achieve the goal of fast，safe，efficient shaft sinking construction．It accumulated the practical experiences for safe and efficient construction in large diameter and mid-depth shaft in western china，has a good demonstration effect．

Shaft sinking；Partial freezing method；Frozen-plans design；Engineering application

TD265．3

B

1672-0652（2013）10-0025-03

2013-07-06

國家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAB13B02）；中國中煤能源重點(diǎn)科技項(xiàng)目（ZM-MDKY-FW（2011）-018）

王 黔（1980—），男，山東鄒城人，2003年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事采煤安全技術(shù)管理和礦井建設(shè)技術(shù)管理工作（E-mail）ykjtwq＠163．com