陳鳳海，張步俊，張 林

（中煤第五建設(shè)有限公司 第三工程處，江蘇 徐州221140）

1 工程概況

紅墩子礦區(qū)紅四煤礦位于寧夏回族自治區(qū)東部，隸屬銀川市興慶區(qū)管轄。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力2.4Mt／a，采用立井開拓方式，工業(yè)場地內(nèi)布置主、副、風(fēng)井三個井筒。其中風(fēng)井井筒凈直徑6.0m，井筒設(shè)計深度963m，表土深度470.3m，凍結(jié)深度642m，最大井壁厚度1.8m，最大開挖荒徑9.3m。0～542m段為雙層井壁結(jié)構(gòu)，542～624m段為單層井壁結(jié)構(gòu)。

2 井筒地質(zhì)與水文地質(zhì)

風(fēng)井井筒新生界（包括第四系和古近系）松散層厚度470.3m，風(fēng)化帶厚度30.0m。新生界以洪沖積的砂土、亞砂土、亞粘土為主，其中古近系底部半膠結(jié)砂巖礫巖，泥質(zhì)鈣質(zhì)半膠結(jié)，分選差，礫徑3～5cm，最大15cm，磨圓度差。古近系及基巖風(fēng)化帶孔隙裂隙含水層富水性較強，具有承壓性。古近系地層凍土單軸抗壓強度小，凍結(jié)溫度低，具有蠕變特征。特別是古近系底界粉質(zhì)粘土，在－15℃時凍土單軸瞬時抗壓強度僅為4.42MPa，凍結(jié)溫度－2.4℃。

3 凍結(jié)施工設(shè)計

設(shè)計采用外圈、中圈、內(nèi)圈3圈凍結(jié)孔布置方式，內(nèi)圈凍結(jié)孔分為2圈，差異凍結(jié)，采用“梅花狀”布置。特別需要說明的，凍結(jié)設(shè)計主要設(shè)計參數(shù)是業(yè)主提供的，其主要參數(shù)見表1。

表1 凍結(jié)設(shè)計技術(shù)參數(shù)

序號 項目 單位 風(fēng) 井24 測 孔 數(shù) 個 1／2／1／1 25 溫 深 度 m 211／630／474／400 26 孔 規(guī) 格 mm Φ89×4 27 水 孔 數(shù) 個 1／1 28 文 深 度 m 397／470 29 孔 規(guī) 格 mm Φ140×6 30 鉆孔工程量 m 54512 31 冷凍站裝機標(biāo)準(zhǔn)制冷量 萬kal／h 2500 32 造孔施工 d 152 33 開機至試挖 d 75 0～200m／1.475m（至內(nèi)圈孔）34 凍結(jié)孔至荒徑之距 m200～370m／2.250m（至中圈孔）370～480m／1.800m（至中圈孔）

4 凍結(jié)工程運行

4.1 凍結(jié)造孔

井盤布置5臺TSJ－2000E型鉆機同時施工，2010年5月15日開鉆，2010年9月6日造孔結(jié)束，歷時115天，較設(shè)計工期提前37天，實際造孔效率為2844m／臺·月。

4.2 制冷溫度與凍結(jié)孔運行方式調(diào)控

2010年9月20日開機試運轉(zhuǎn)，同時對中內(nèi)圈凍結(jié)孔進行供冷，9月23日中內(nèi)圈鹽水回路溫度降至0℃以下；9月28日凍結(jié)站開始對外圈凍結(jié)孔進行供冷，10月2日外圈鹽水回路溫度降至0℃以下。此時風(fēng)井井筒全面開始凍結(jié)，中內(nèi)圈及外圈鹽水去路溫度分別于2010年11月5日、11月21日達到設(shè)計溫度－32℃以下。

2010年12月10日，井筒外壁掘砌施工至垂深55.5 m、井幫溫度－3.2～1.7℃時，關(guān)閉內(nèi)圈凍結(jié)孔淺孔停止鹽水循環(huán)，此時凍結(jié)82天。

2011年02月19日，井筒外壁掘砌施工至垂深361.5 m、井幫溫度－5.8～－7.8℃時，關(guān)閉內(nèi)圈凍結(jié)孔深孔停止鹽水循環(huán)，此時凍結(jié)153天。

2011年4月17日，井筒外壁掘砌施工至垂深459m、井幫溫度－6.7～－10.3℃時，關(guān)閉外圈凍結(jié)孔停止鹽水循環(huán)，此時凍結(jié)209天。

2010年11月22日～12月16日，外圈鹽水去路溫度－32.2～－32.7℃、溫差2.5～4.7℃，中內(nèi)圈鹽水去路溫度－32.9～－34.6℃，溫差1.9～2.6℃。

2010年12月17日～2011年4月17日，外圈鹽水去路溫度－33.0～－35.1℃、溫差1.0～3.8℃，中內(nèi)圈鹽水去路溫度－33.0～－35.5℃、溫差1.0～2.3℃。

2011年4月18日～8月11日，中內(nèi)圈鹽水去路溫度－24.4～－29.1℃、溫差0.5～2.0℃

2011年8月12日停止對風(fēng)井井筒供冷，實際凍結(jié)總工期327天。

5 井筒掘砌施工

2010年11月20日，風(fēng)井井筒開始試挖鎖口，于2010年12月6日正式開挖。2011年5月28日井筒掘砌至垂深－542m（該位置為雙層井壁壁座底界），此時井筒停止掘砌施工開始套內(nèi)壁，2011年7月8日套內(nèi)壁施工完畢。而后井筒進行下部單層井壁掘砌施工，2011年8月12日井筒掘砌至－624m，此時凍結(jié)段掘砌過程已全部完成。

6 凍結(jié)施工監(jiān)測

6.1 水文孔水位變化

1＃水文孔（孔深397m）于2010年11月13日冒水（凍結(jié)54天），2＃水文孔（孔深470m）于2010年11月5日冒水（凍結(jié)46天）。至此，風(fēng)井井筒－470m以上地層凍結(jié)壁已全部形成。凍結(jié)交圈時間較設(shè)計提前14天。1＃水文孔水位變化見表2、圖1，2＃水文孔水位變化見表3、圖2。

表2 1＃水文孔水位變化一覽 單位／m

圖1 1＃水文孔水位變化曲線

圖2 2＃水文孔水位變化曲線

表3 2＃水文孔水位變化一覽 單位／m

6.2 凍結(jié)壁形成情況檢測

井幫溫度檢測工作是凍結(jié)工程信息化施工中不可缺少的一項內(nèi)容，是檢驗凍結(jié)壁發(fā)展變化規(guī)律的重要手段。實時檢測，而后再進行凍結(jié)壁溫度場校核分析，及時掌握凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r，為井筒安全順利連續(xù)施工提供可靠保障。井筒掘砌期間，井幫溫度及凍土擴展速度實測數(shù)據(jù)見表4。

表4 井幫溫度及凍土擴展速度實測數(shù)據(jù)一覽

7 經(jīng)驗與體會

1）造孔施工過程管控是確保鉆孔施工質(zhì)量、施工進度的關(guān)鍵。紅四風(fēng)井造孔臺月效率如此之高，主要在于施工現(xiàn)場強化科學(xué)施工管理。施工過程中，視井筒地層實際巖性，合理調(diào)配不同性能的化學(xué)泥漿，保護好孔壁；同時正確選擇鉆具組合，做到高鉆壓、低轉(zhuǎn)速、少刻取；并采取防斜、測斜及糾斜相結(jié)合手段。上述措施有利于確保造孔質(zhì)量，提高造孔速度，縮短造孔工期。

2）通過施工過程控制，紅四風(fēng)井造孔質(zhì)量達到優(yōu)良等級，凍結(jié)效果明顯提高，1＃水文孔、2＃水文孔凍結(jié)交圈冒水時間分別比設(shè)計提前14天、22天。實踐證明，造孔施工質(zhì)量好壞直接影響井筒凍結(jié)壁形成交圈。

3）根據(jù)井幫溫度檢測結(jié)果，基本掌握了紅墩子礦區(qū)新生界松散層（包括第四系和古近系）凍土發(fā)展速度和凍結(jié)壁發(fā)展變化規(guī)律，特別是垂深95～260m段沖積層凍土發(fā)展速度僅為10～14mm／d，新生界底界鋁質(zhì)粘土凍土發(fā)展速度僅為14mm／d左右。從實際揭露的巖性來看，主要原因是含水率低，導(dǎo)熱系數(shù)小。上述相關(guān)數(shù)據(jù)，為今后該區(qū)域類似地層井筒凍結(jié)方案設(shè)計以及內(nèi)圈凍結(jié)孔布置圈徑、開孔間距、凍結(jié)深度的確定，具有一定的參考價值。

4）合理調(diào)控制冷鹽水溫度、鹽水流量以及凍結(jié)孔運行方式，是確保地層凍結(jié)壁厚度、強度的凍結(jié)施工關(guān)鍵技術(shù)，是保證井筒安全連續(xù)掘砌施工之前提。

〔1〕王敏建，崔建井.立井筒表土凍結(jié)段施工工法探討 〔J〕.煤炭技術(shù)，2005，01.

〔2〕湯志斌，陳文豹，李功洲.凍結(jié)壁溫度場的實測研究及在工程中的應(yīng)用〔A〕.地層凍結(jié)工程技術(shù)和應(yīng)用—中國地層凍結(jié)工程40年論文集〔C〕，1995.

〔3〕沈朝春.凍結(jié)法施工立井深厚粘土層實例〔A〕.礦山建設(shè)工程技術(shù)新進展—2008全國礦山建設(shè)學(xué)術(shù)會議文集（上）〔C〕，2008.

〔4〕周興旺.我國特殊鑿井技術(shù)的發(fā)展與展望〔J〕.煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35（10）.