【摘要】某煤礦井筒具有主副井相距較近、粘土層較厚等特征，結(jié)合此煤礦井筒的地質(zhì)條件，最終決定對煤礦的主副井深厚表土層實施凍結(jié)技術。煤礦主副井深厚表土層凍結(jié)技術的實施要求相當高，具體包括主副井間設凍結(jié)站、凍結(jié)參數(shù)適時優(yōu)化、各大型工程的施工安排要合理、時空關系安排要合理、監(jiān)測監(jiān)控工作要到位、凍結(jié)安全措施要有效落實等。實踐證實，煤礦主副井深厚表土層凍結(jié)技術具有建井工期短、工程建設成本低等優(yōu)點。

【關鍵詞】凍結(jié)方式 凍結(jié)壁厚度 凍結(jié)站 井幫位移

某煤礦生產(chǎn)能力設計值為1.8Mt/a，井口標高為27m。主井凈直徑為5m，外壁與內(nèi)壁厚度分別為400mm、550mm，主井深度為572mm；副井凈直徑為7m，外壁與內(nèi)部厚度分別為550mm、650mm，其中主副井間存在60m的間距。結(jié)合煤礦井筒檢查孔有關資料可知，沖積層主要由多層粘土組成（約占沖積層總厚度的74%），其總厚度為210m，其中鈣質(zhì)粘土的分布深度為-128～160m和-83～-112m。結(jié)合凍土試驗資料可知，在-100℃單軸抗壓條件下，上述兩層粘土的平均強度為3.87MPa和2.32MPa。砂質(zhì)粘土的分布深度為-162～-177m，該類粘土層亦被稱作水敏性地層。結(jié)合規(guī)范要求可知，凍結(jié)深度應確定到264m。為了加快建井進度、降低工程成本，工程技術人員最終決定采用合理安排主副井筒有關工序與時空優(yōu)化凍結(jié)方案。

一、凍結(jié)方案的設計

研究結(jié)果表明，凍結(jié)壁強度與厚度對井筒掘砌安全具有直接性的影響。結(jié)合該煤礦的地質(zhì)條件最終確定，凍結(jié)壁設計方案為深厚粘土層凍結(jié)設計；凍結(jié)方案為主井與副井分別處在凍結(jié)期和積極凍結(jié)期的最大鹽水流量與最大需冷量。為了滿足工程實際需要，該煤礦決定把主井凍結(jié)施工安排到副井凍結(jié)施工之前。

（一）凍結(jié)方式與凍結(jié)深度設計

1.設計原則

該煤礦的凍結(jié)方式最終確定為“主排孔+輔助孔”凍結(jié)方式，其中主排孔執(zhí)行差異凍結(jié)方式。結(jié)合井筒的地質(zhì)條件、凍結(jié)時間、開挖速度、整體強度要求與凍結(jié)壁厚度，輔助孔執(zhí)行全深凍結(jié)方式，同時堅持“穿過風化帶”原則。

2.孔間距要求

研究結(jié)果表明，必須嚴格控制凍結(jié)孔的偏值與間距，由此把凍結(jié)壁的交圈時間控制到位，其中表土內(nèi)主排孔的偏值<500mm、輔助孔內(nèi)的偏值<400mm、孔間距≤2.2m。

（二）凍結(jié)壁厚度的計算

結(jié)合該項工程的具體特點，下部粘土層凍結(jié)壁厚度的設計標準為空幫時間≤20h、掘砌高2m。下文主要介紹三種計算方式，同時結(jié)合各計算結(jié)果確定出主副井凍結(jié)壁的實際厚度。

1.里爾曼公式：

其中， 為上覆巖層的容重，取 ； 為上覆巖層各層的厚度； 為凍結(jié)壁暴露時間所對應的凍土強度； 為掘進安全段高度，取2.5m； 為安全系數(shù)，取1.2。結(jié)合里爾曼公式最終計算出E主井為4.0m；E副井為5.09m。

2.維亞洛夫-扎列洪基公式： （備注：此時僅有上端固定到位）

其中， 為計算層位的地壓。結(jié)合維亞洛夫-扎列洪基公式計算出E主井為3.83m；E副井為4.79m。

3.《煤礦凍結(jié)片鑿井技術規(guī)程》提供的強度公式：

其中， 取1.3； 取0.2； 取2.5。結(jié)合此強度公式計算出E主井為3.99m；E副井為4.99m。

結(jié)合上述計算結(jié)果和該項工程的具體要求，最終把凍結(jié)壁厚度確定為E主井為4.0m；E副井為5.1m。

二、凍結(jié)方案的實施

（一）凍結(jié)站的運轉(zhuǎn)情況

主井的打鉆作業(yè)與凍結(jié)站的安裝同步進行，其中主井的打鉆作業(yè)耗時44d、地溝槽的施工耗時10d。該煤礦凍結(jié)站首次運轉(zhuǎn)的時間安排在主井打鉆結(jié)束的第11d，此時開始對副井進行打鉆作業(yè)。主井與凍結(jié)站運轉(zhuǎn)30d后，凍結(jié)壁交圈三含報水結(jié)束，其中37d后才完全擁有開挖條件，此時掘砌施工單位可開始井筒試挖，同時實行快速掘進施工方案。待主井凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)三個月后，壁座進入套壁停機狀態(tài)，而副井自正式運轉(zhuǎn)的38d后三含冒水，此時決定試挖時間安排到17d后。主副井間凍結(jié)站同時為主井與副井提供85d的服務，期間主井保持維護凍結(jié)期、副井保持積極凍結(jié)期，其中副井的凍結(jié)運轉(zhuǎn)時間共141d。

（二）井幫位移觀測與凍結(jié)壁外側(cè)的擴散速度

1. 井幫位移觀測：若凍結(jié)壁保持著穩(wěn)定狀態(tài)，則粘土層的變形速率與井幫的暴露時間呈負相關，其中粘土層的最大位移速率出現(xiàn)在井幫暴露后的3h。

2. 凍結(jié)壁外側(cè)的擴散速度：凍結(jié)壁的結(jié)冰溫度處在0℃。假定凍結(jié)壁的到達時間與測溫孔徑到外圈孔的距離分別為T、L，則外壁擴展的平均速度應為L/T。基于上述參數(shù)可計算出各地層凍結(jié)壁的擴展速度，其中粘土凍結(jié)速度比砂質(zhì)粘土凍結(jié)速度更慢。研究證實，各地層間平均溫度的發(fā)展規(guī)律和凍結(jié)壁的有效厚度大致相同，其中雙排孔交圈階段的凍結(jié)壁厚度較大，自此以后呈緩慢趨勢；其次凍結(jié)壁平均溫度的下降速度呈現(xiàn)出前期快后期慢的現(xiàn)象。

三、討論

總體而言，上文針對某煤礦主副井深厚表土層凍結(jié)技術所談及的內(nèi)容可簡單歸納為如下幾點：

（一）就膨脹性粘土層段而言，需做到如下幾點：適量增加鹽水的流量；切實加強凍結(jié)；把深厚固結(jié)粘土層地段的井幫溫度控制到-3℃～5℃以內(nèi)，同時把荒徑內(nèi)凍土的深度控制到400mm～600mm之間。

（二）就深厚膨脹性粘土34m段與29m段而言，必須做到如下幾點：加快掘進速度、精心組織施工、加強觀測監(jiān)控，由此確保掘進過程安全有序。觀測數(shù)據(jù)顯示，主井井幫位移速率為2.8mm/h，其主要分布在開幫后的2h～3h以內(nèi)；主井段與副井段高度分別為2.4m、3.3m；主副井段井筒所對應的循環(huán)霎時間為15h、18h；井幫位移量為32mm、38mm，其中井幫位移量<50mm，屬安全井幫位移量。

（三）若井幫溫度被控制到-3℃～-50℃之間，則內(nèi)排孔雙號全部處在關閉狀態(tài)，其中單號孔僅開啟1/2。若井幫溫度為-6.9℃，則內(nèi)排孔全部處在關閉狀態(tài)，其中主排孔的鹽水供給正常，此時需適當降低開機的功率，同時控制好凍結(jié)壁溫度場的穩(wěn)定狀態(tài)。

參考文獻

[1] 韓文鎮(zhèn).楊村煤礦副井超深凍結(jié)孔施工技術[J].科技創(chuàng)新導報，2011，（12）：58-58.

[2] 雷俊嶺，井紅斌.凍結(jié)法在新河煤礦井筒掘砌施工中的應用[J].華章，2011，（10）：273-274.

[3] 趙久良.楊村礦主副風井井筒地面預注漿設計施工優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2010，（24）：387-388.

作者簡介：石偉 （1980-10）男 安徽省淮北市人 助理工程師，主要從事凍結(jié)鑿井以及施工管理和技術工作。