李成斌 范天文 劉 輝

(河北鋼鐵集團礦業(yè)公司)

某礦山豎井局部冷凍施工的應用

李成斌 范天文 劉 輝

(河北鋼鐵集團礦業(yè)公司)

介紹了某礦采用局部冷凍法的治水施工過程，重點闡述了局部冷凍法的工作原理及相關(guān)參數(shù)的確定，通過對該豎井表土層進行局部冷凍，取得了良好的施工效果，避免了表土層的過凍，降低了相關(guān)施工費用。

局部冷凍 治水 豎井施工

豎井凍結(jié)法施工，是將地層中的水結(jié)冰,將松散含水巖土變成凍土，增加其強度和穩(wěn)定性，隔絕地下水，以便在凍結(jié)壁的保護下進行地下工程掘砌作業(yè)。局部冷凍法是一種特殊的凍結(jié)方法，通過改變凍結(jié)器的結(jié)構(gòu)形式，使其只對需要的部位進行冷凍，在處理一些特殊地層中起到十分重要的作用。

1 工程概況

某礦井設(shè)計井筒直徑7.2 m，深985.8 m，井筒外壁厚450 mm，內(nèi)壁厚500 mm，處于第四系含水覆巖中。為保證施工順利，第四系和強風化層部分需采用冷凍法施工。沖積層深度約120 m，原設(shè)計冷凍深度192 m，采用長、短孔布置，長孔深度192 m，短孔深度130 m。在凍結(jié)交圈后，開始進行井筒掘砌施工，當冷凍段外壁掘砌施工至132 m時，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁膨脹向井心方向位移，長腿冷凍孔已經(jīng)全部被擠壓變形，不能繼續(xù)使用。

經(jīng)分析研究決定暫停豎井掘砌施工，重新轉(zhuǎn)入積極冷凍。由于已施工部分僅進行了外壁掘砌施工，井壁強度不能保證地應力的破壞，所以在井筒底部澆筑7 m的混凝土墊，防止下部繼續(xù)變形，灌水至靜水位，并繼續(xù)維持原短腿冷凍孔的冷凍及井筒上部的冷凍施工，采用局部冷凍法對115～192 m進行凍結(jié)。

2 局部冷凍原理

冷凍法工作原理是以鹽水作為冷媒介質(zhì)，在制冷系統(tǒng)的作用下，通過冷凍孔吸收圍巖熱量，使凍結(jié)孔周圍形成凍結(jié)壁。普通冷凍法與局部冷凍法的主要區(qū)別在于孔內(nèi)凍結(jié)器結(jié)構(gòu)形式的不同，如圖1所示。

普通冷凍法冷凍孔施工結(jié)束后直接下入無縫鋼管作為回液管，鹽水由供液管進入，回液管排出，孔內(nèi)各位置均有鹽水流動，且溫度相差較小，冷凍管整體都吸收圍巖熱量，達到冷凍效果；局部冷凍是在無縫鋼管內(nèi)重新布置回液管，在鋼管與回液管之間產(chǎn)生鹽水靜止區(qū)域，鹽水靜止區(qū)域的熱交換速度比鹽水流動區(qū)域熱交換速度相對較慢，實現(xiàn)局部凍結(jié)。

圖1 豎井冷凍施工孔內(nèi)布置示意

3 凍結(jié)施工方案

(1)局部加強凍結(jié)，井筒已掘砌132 m，此次主要凍結(jié)115～192 m的風化基巖段，以便安全順利通過全風化黑云變粒巖層和剩余凍結(jié)段部分。加快施工速度，減少凍結(jié)對已成井壁的影響。

(2)設(shè)計凍結(jié)孔圈徑15 m，布置凍結(jié)孔40個，開孔間距1.18 m，凍結(jié)管深度192 m，凍結(jié)管采用φ133 mm×5 mm 20#優(yōu)質(zhì)低碳鋼無縫管,內(nèi)下兩根塑料管作為供液管和回液管，供液管內(nèi)徑55 mm，壁厚6 mm，深度192 m；回液管內(nèi)徑90 mm，壁厚7 mm，深度115 m。

(3)原凍結(jié)站繼續(xù)維持凍結(jié)，關(guān)閉深凍結(jié)孔，循環(huán)淺凍結(jié)孔。鹽水去路溫度控制在-19～-22 ℃，維持120 m以上凍結(jié)壁現(xiàn)狀，在凍結(jié)孔鉆進施工及積極凍結(jié)期間保證井壁安全。

3.1 凍結(jié)參數(shù)

(1)地壓值。

P=γH,

(1)

式中，P為控制層位地壓值, MPa；H為安全控制層深度，取全風化黑云變粒巖巖層底部深度160 m。

計算得P=2.08 MPa.

(2)凍結(jié)壁厚度。根據(jù)多姆克公式計算：

(2)

式中,R為凍結(jié)壁內(nèi)半徑(采用掘砌荒徑)，4.55 m；K為凍土強度(凍土允許強度)，取4.4 MPa。

根據(jù)計算結(jié)果并結(jié)合國內(nèi)外已施工或正在施工的凍結(jié)井凍結(jié)壁設(shè)計厚度，確定該井凍結(jié)壁厚度為3.0 m。

(3)凍結(jié)孔布置圈徑?？紤]井筒原有凍結(jié)壁厚度對打鉆施工的影響及現(xiàn)有凍結(jié)溝槽情況，確定凍結(jié)孔圈徑為D=15 m。

(4)測溫孔布置。凍結(jié)壁外側(cè)最大孔間距處布置1個，距離凍結(jié)圈徑1.5 m，深度192 m；凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)處理1～2個原凍結(jié)深孔作為內(nèi)部測溫孔(由于受原凍結(jié)壁變形的影響，需重新進行測量，反應的溫度為受原凍結(jié)壁影響的溫度，可作為形成內(nèi)側(cè)凍結(jié)壁及預測井幫溫度的參考)；外側(cè)測溫孔采用φ108 mm×4.5 mm優(yōu)質(zhì)低碳鋼無縫管，外管箍連接，管底密封。

(5)其他。①積極凍結(jié)期鹽水溫度-27～-30 ℃；②凍土抗壓強度4.4 MPa；③設(shè)計凍結(jié)孔40個，開孔間距1.18 m;④水文孔布置,根據(jù)現(xiàn)場情況不具備實際水文孔的條件。

3.2 制冷工藝

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。①設(shè)計積極凍結(jié)期的鹽水溫度-30 ℃;②冷卻損失系數(shù)1.3;③冷卻水溫度為25 ℃。

(2)凍結(jié)管散熱能力計算。

凍結(jié)管散熱能力：

Qt=πdeH0hekt,

(3)

凍結(jié)站最大需冷量：

Q1=mcQt,

(4)

式中，de為凍結(jié)管外直徑，m;H0為凍結(jié)深度，m;he為凍結(jié)孔數(shù);kt為凍結(jié)管散熱系數(shù)或單位熱流量，1 046 kJ/(m2·h)。

計算得，Qt=2 149×103kJ/h，Q1=2 794×103kJ/h.

(3)凍結(jié)站需冷量及制冷設(shè)備選擇。井筒凍結(jié)需冷量2 794×103kJ/h，選用螺桿鹽水機組，配備F1YSLG25F型螺桿鹽水機組1臺。該機組-30 ℃時制冷量1 800×103kJ/h，正常工況下凍結(jié)站制冷量為7 200×103kJ/h，實際效率按85%計算，實際凍結(jié)站制冷量為6 120×103kJ/h，滿足凍結(jié)需要。

(4)鹽水系統(tǒng)設(shè)計。 鹽水系統(tǒng)總循環(huán)量計算：

Wbr=Q1/(ΔtRbrCbr) ，

(5)

式中，Δt為去、回路溫差，3 ℃；Rbr為鹽水密度，1 260 kg/m3；Cbr為鹽水比熱，0.66 kJ/kg℃。

計算得Wbr=333 m3/h.

為了加快凍結(jié)冷量的傳遞，采取加大凍結(jié)器內(nèi)鹽水流量的措施，使凍結(jié)孔流量達到10～13 m3/h，凍結(jié)器內(nèi)鹽水流動狀態(tài)達到由層流到紊流過渡狀態(tài)。

(5)供液管規(guī)格。供液管直徑：

(6)

式中，Vbr為供液管內(nèi)鹽水允許流速，取0.6～1.5 m/s；n′為供液管數(shù)量。

經(jīng)計算d=48 mm。選用供液管內(nèi)徑55 mm，壁厚6 mm的塑料管；回液管選用內(nèi)徑90 mm，壁厚7 mm 的塑料管。

經(jīng)驗算，供、回液管之間的環(huán)狀間隙面積2 835 mm2,供液管面積2 374 mm2，滿足工程技術(shù)要求。

(6)鹽水干管及集、配液管計算：

(7)

式中，V′mbr為鹽水干管及配、集液圈內(nèi)允許流速，取1.5～2 m/s。

經(jīng)計算，鹽水干管及配、集液圈內(nèi)直徑249 mm。選用φ273 mm×6 mm作為鹽水干管及配、集液圈。

3.3 施工難點分析

由于本次凍結(jié)無法設(shè)計水文孔，且已掘砌的井筒底部進行了混凝土澆筑，所以無法以水位變化來推斷凍結(jié)壁是否交圈。

依據(jù)測溫孔的溫度變化，繪制凍結(jié)壁溫度變化拓展圖來推算交圈時間，探索其規(guī)律。根據(jù)原凍結(jié)壁發(fā)展情況和實際揭露地層特征，全風化黑云變粒巖含水量低，凍結(jié)速度較慢，但由于原凍結(jié)壁及地層溫度的影響，二次凍結(jié)時凍土擴展速度會快得多，綜合考慮，可按2.5 cm/d的平均擴展速度，按2 m的最大孔間距計算，預計交圈時間為40 d左右。

預計凍結(jié)壁交圈后，為達到凍結(jié)壁厚度和強度的設(shè)計要求，需加強凍結(jié)20 d左右，即預計凍結(jié)60 d 后，凍結(jié)壁可達到設(shè)計厚度，經(jīng)測溫數(shù)據(jù)計算驗證后可進行井筒排水。仔細觀測止?jié){墊的穩(wěn)定性和出水情況，打探孔進行探水和測溫，無異常后破止?jié){墊恢復施工，短段掘砌，監(jiān)測井幫溫度和位移。

3.4 凍結(jié)壁形成情況預分析

本次局部冷凍設(shè)計主要是為完成115～192m的凍結(jié)，為保證已經(jīng)形成的井壁安全，原凍結(jié)的130m短孔冷凍管仍繼續(xù)維持冷凍，凍結(jié)壁形成應按以下情況考慮(見圖2)。

圖2 凍結(jié)壁形成

(1)0～115 m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及經(jīng)驗，采用鹽水充填式局部凍結(jié)法。非凍結(jié)段的凍土擴展速度是凍結(jié)段凍土擴展速度的40%～50%，凍結(jié)段凍土擴展速度按2.5 cm/d計算，則非凍結(jié)段凍土擴展速度為1～1.25 cm/d，積極冷凍60 d，凍結(jié)壁厚度為60 cm 左右；原凍結(jié)壁經(jīng)測溫孔及現(xiàn)場情況推算為3 m 左右，所以原凍結(jié)壁與新凍結(jié)壁處于剛剛相交狀態(tài)。

(2)115～130 m。凍結(jié)段凍結(jié)壁厚度為1.5 m,原凍結(jié)壁為3 m，原凍結(jié)壁與新凍結(jié)壁已經(jīng)完全相互疊加，確保上部第四系的水無法通過該處流入井筒。

(3)115～130 m。由于原凍結(jié)設(shè)計的長管全部損壞，原凍結(jié)壁基本已解凍，所以凍結(jié)壁厚度為新的凍結(jié)壁厚度。

影響冷凍土擴展速度的因數(shù)有很多，包括地層含水量、水流速度及處在水流上下游位置等因數(shù)，本次分析僅考慮理想狀態(tài)環(huán)境下凍土擴展速度。綜上所述，各位置的凍結(jié)壁都達到設(shè)計要求，凍結(jié)效果滿足開挖條件?？紤]實際情況，115～192 m位置已經(jīng)基本進入風化基巖段，影響凍結(jié)壁擴展的因數(shù)較少，與分析情況基本一致。

4 結(jié) 語

目前，該井正在按上述設(shè)計方案施工，預計可完成115～192 m的凍結(jié)，確保井筒恢復正常掘砌。施工時需加強對原凍結(jié)孔及局部凍結(jié)孔的監(jiān)控監(jiān)測，確定井筒恢復掘砌的開挖條件，破除井筒底部混凝土墊層時需測明井幫溫度，并打探水孔探水。

2014-09-26)

李成斌(1986—)，男，技術(shù)員，063701 河北省唐山市灤縣響嘡鎮(zhèn)。