孫同仁

（中煤陜西中安項目管理有限責任公司， 陜西 西安 710054）

0 引 言

斜井凍結(jié)雖然作為穿越井筒不良地質(zhì)段的一種比較先進有效的施工技術(shù)方法，但在煤礦斜井施工中尚未得到普遍應(yīng)用。其原因主要是斜井凍結(jié)與立井凍結(jié)技術(shù)相比還未趨于成熟，斜井凍結(jié)壁的設(shè)計無規(guī)范可依，現(xiàn)行的規(guī)范只針對立井凍結(jié)鑿井實施；斜井凍結(jié)造孔和凍結(jié)工程量巨大，斜井凍結(jié)占地面積大、施工技術(shù)復(fù)雜、凍結(jié)費用高昂等，斜井凍結(jié)成功案例還不多。

李家壩煤礦三條斜井井筒工程均采用凍結(jié)法施工，成功地實現(xiàn)了凍結(jié)工程的目標，保證了斜井工程的安全質(zhì)量和工期要求。筆者就李家壩煤礦斜井凍結(jié)工程技術(shù)和施工控制要點進行簡要介紹，為同類工程項目提供一些相關(guān)經(jīng)驗供參考和借鑒。

1 斜井凍結(jié)工程概述

李家壩煤礦位于寧夏回族自治區(qū)銀川市東南約 120 km處。礦井設(shè)計規(guī)模為 0.9 Mt/a；礦井采用斜井開拓方式，布置主、副、風三條斜井穿越第四系表土層、古近系地層和侏羅系延安組地層等。主斜井斜長 1 462 m，傾角 20°；副斜井斜長 1 462 m，傾角 20°；回風斜井斜長 1 345 m，傾角 24°。

李家壩煤礦三條斜井井筒穿過古近系地層中部(90 m～143 m 之間)有厚度 36 m 的巨厚含水砂層，在井筒掘進過程中極易出現(xiàn)冒頂、涌水、涌砂等嚴重事故，其施工難度和安全風險巨大。經(jīng)專家多次論證，李家壩煤礦確定三條斜井井筒穿越古近系中部厚砂層段，均采用凍結(jié)法施工。李家壩煤礦斜井凍結(jié)工程的設(shè)計和施工由天地科技股份有限公司承擔，斜井井筒支護設(shè)計由中國煤炭科工集團武漢設(shè)計院設(shè)計，斜井井筒掘砌施工由中煤第 71 工程處承擔。

主斜井凍結(jié)段從井筒斜長 266.48 m 開始到斜長 429.68 m結(jié)束，凍結(jié)段斜長 163.2 m；副斜井凍結(jié)段從井筒斜長 261.1 m開始到斜長 428.3 m 結(jié)束，凍結(jié)段斜長 167.2 m；風井凍結(jié)段從井筒斜長 215.9 m 開始到斜長 368.6 m 結(jié)束，凍結(jié)段斜長152.7 m；三條斜井凍結(jié)段斜長共計 483.7 m。

2 斜井凍結(jié)技術(shù)要點

(1)采用地面垂直孔凍結(jié)方案，鉆孔分區(qū)并由淺入深順序施工。

(2)采用局部凍結(jié)方式：①斜井頂板凍結(jié)壁厚度以上設(shè)計為非凍結(jié)段，斜井井筒范圍內(nèi)為凍結(jié)段；②非凍結(jié)段和井筒開挖斷面內(nèi)中間 1 排孔(風井和副井)或 2 排(主井)采用雙管內(nèi)充填聚氨酯隔熱層保溫；③采用異徑同心凍結(jié)管；④中間1 排或 2 排采用同心細徑凍結(jié)管。

(3)采用分段打鉆、分段凍結(jié)的工藝，力圖造孔、凍結(jié)和掘砌的連續(xù)施工。將各斜井分成 4 個區(qū)段，每個區(qū)段長度的劃分，考慮到凍結(jié)的保溫效果以及保證井筒掘砌之間的安全順利銜接，距離井口近的Ⅰ區(qū)段先凍結(jié)，距離井口較遠的Ⅳ區(qū)段最后凍結(jié)。分期凍結(jié)的時間間隔根據(jù)井筒掘進速度和每個區(qū)段需要的積極凍結(jié)時間確定，理想的情況是井筒掘進到各區(qū)段時，該區(qū)段的積極凍結(jié)時間剛好達到設(shè)計要求。

(4)分段凍結(jié)壁設(shè)計為封閉體凍結(jié)帷幕，分段凍結(jié)端頭凍結(jié)管在開挖范圍采取正常凍結(jié)。

(5)在各井筒凍結(jié)段的兩端增加一個凍結(jié)孔，采用正常凍結(jié)以加強端頭凍結(jié)壁的強度。

(6)各凍結(jié)孔設(shè)計的鹽水流量，積極凍結(jié)期為 6 m3/h ～8 m3/h，維護凍結(jié)期為 4 m3/h～6 m3/h。每段的前期掘進根據(jù)實測的井幫溫度、收斂位移分析凍結(jié)壁發(fā)展情況及掘砌施工速度，適時調(diào)整開機臺數(shù)和鹽水流量，為凍結(jié)段井筒掘進提供安全、良好的施工環(huán)境。

(7)為了預(yù)測凍土發(fā)展情況以判斷凍結(jié)壁厚度和平均溫度，在每個凍結(jié)分段端頭的第 3、第 4 凍結(jié)孔界面位置及中間 1 排孔的界面位置，設(shè)計 3 個測溫孔。

(8)凍結(jié)段井壁設(shè)計采用 36U 型棚(150 mm)網(wǎng)噴混凝土+雙層鋼筋混凝土(550 mm)反底拱支護；C40 混凝土抗?jié)B等級P6。

3 斜井凍結(jié)施工控制要點

3.1 凍結(jié)造孔

(1)根據(jù)施工基準點，依據(jù)凍結(jié)施工圖布置凍結(jié)孔，按凍結(jié)孔設(shè)計方位要求固定鉆機。鉆機安裝應(yīng)平穩(wěn)，在鉆孔時不發(fā)生位移。

(2)開孔孔位偏差不應(yīng)大于 20 mm，成孔靶域半徑不大于0.5 m，井幫外側(cè)孔向井幫內(nèi)的偏斜不大于 0.2 m。

(3)在每個鉆孔施工前，必須實測孔口的標高；而后與井口標高進行校核計算，調(diào)整非凍結(jié)段，最終確定鉆孔深度。

(4)在鉆進過程中，每個孔均要對鉆孔的深度和偏斜進行監(jiān)測。鉆孔深度根據(jù)鉆具長度進行計算；鉆孔采用 JDT—6 型陀螺測斜儀進行測斜，配合螺桿鉆具進行定向糾偏。定向過程中每 8 m 及時測斜，掌握好偏距和方位角；凍結(jié)孔偏斜率不大于 2‰。

3.2 凍結(jié)管的保溫和下放

(1)凍結(jié)管及其接箍、底錐和焊條的品種及規(guī)格材質(zhì)應(yīng)符合凍結(jié)設(shè)計要求。凍結(jié)管選用φ108×5 mm 和φ127×5 mm 無縫鋼管；外管箍采用φ121×6 mm 和φ140×6 mm 無縫鋼管焊接連接；供液管為φ75×6 mm 增強塑料管。供液管材應(yīng)符合低溫使用要求。

(2)凍結(jié)管處于頂板凍結(jié)壁上部非凍結(jié)區(qū)部分采用 30 mm聚氨酯進行保溫處理。保溫處理首先要丈量凍結(jié)管長度并預(yù)留好接頭長度(每根保溫管上部預(yù)留 300 mm)并同時做好記錄，然后對凍結(jié)管表面進行除銹處理；最后對凍結(jié)管外套高密度聚乙烯管并加注聚氨酯，以實現(xiàn)凍結(jié)管的保溫。

(3)凍結(jié)管下入孔內(nèi)前要先配管。配管長度應(yīng)符合規(guī)范和設(shè)計要求，并且控制好保溫層深度，逐根丈量、編號和配組，做好原始記錄。

(4)當下管過程受阻時，先用人力扭轉(zhuǎn)加壓緩沖下管，若無效果，則改用鉆機滑車加壓。嚴禁加壓過猛或高速向下猛沖，以避免損壞管箍和焊縫。

(5)下放凍結(jié)管后，用測斜儀進行測斜，然后復(fù)測凍結(jié)孔的深度。

(6)凍結(jié)管長度和偏斜合格后進行打壓試漏。凍結(jié)孔試漏壓力控制在 2 MPa～2.3 MPa 之間，穩(wěn)定 30 min 壓力無變化者為試壓合格。

(7)凍結(jié)孔完成和下放管完畢，需進行驗收。其驗收內(nèi)容包括嚴密性、垂直度和孔間距、深度和管內(nèi)有無充填物等。

①嚴密性：所有凍結(jié)孔按規(guī)范要求進行動壓試驗，以檢查與原試壓有無出入或有無被臨孔打穿、滲漏的現(xiàn)象，并做好驗收記錄。

②垂直度和孔間距：根據(jù)成孔測斜資料，檢查開孔間距和終孔間距是否達到設(shè)計要求。

③檢查凍結(jié)孔鉆進下管記錄，或進行現(xiàn)場實測抽查。凍結(jié)管下放深度不小于設(shè)計深度、不超過設(shè)計深度 0.5 m 為合格；檢查管內(nèi)有無鐵銹、泥漿和砂子等沉淀物。

(8)每段鉆孔施工結(jié)束，經(jīng)驗收凍結(jié)管試壓、偏斜及孔深全部符合設(shè)計要求后，進行凍結(jié)器的安裝。凍結(jié)器安裝首先在地面丈量塑料管長度，連接前段配重器和羊角管；然后再進行凍結(jié)管內(nèi)的安裝。

3.3 凍結(jié)站設(shè)備的安裝

(1)站內(nèi)設(shè)備主要包括冷凍機組、鹽水箱、鹽水泵、清水泵、冷凝器、蒸發(fā)器等。站外設(shè)立專用廂式變壓器，按照設(shè)備使用說明書和相關(guān)安裝規(guī)范要求進行設(shè)備安裝。

(2)在鹽水泵、冷凍機、冷凝器等運轉(zhuǎn)設(shè)備就位前，將預(yù)留孔內(nèi)清除干凈；就位找平后，用混凝土進行二次澆灌。

(3)運轉(zhuǎn)設(shè)備就位后用墊鐵找平，保證電機和機軸的同心度。

(4)冷凝器安裝應(yīng)保證垂直，不準偏斜和扭轉(zhuǎn)，操作檢修平臺要牢固可靠。

(5)螺桿機組的固定采用預(yù)埋件。預(yù)埋時必須按照設(shè)計圖紙施工要求進行。

(6)冷凍機組的蒸發(fā)器及低溫管路的保溫用軟質(zhì)泡沫塑料；鹽水箱、鹽水干管用 100 mm 厚的聚苯乙烯泡沫板保溫。

(7)溫度計、壓力表和流量計的安裝，要按有關(guān)規(guī)范規(guī)定進行。

(8)在清水池中融化氯化鈣，然后泵入鹽水箱中，并開鹽水泵不斷循環(huán)，直至鹽水濃度達到設(shè)計要求。溶解氯化鈣時要除去雜質(zhì)。

(9)機組充氨和冷凍機加油應(yīng)按照設(shè)備使用說明書的要求進行。首先進行制冷系統(tǒng)的檢漏和沖洗；在確保系統(tǒng)無滲漏后，再充氨加油。

3.4 管路系統(tǒng)的安裝和試漏

(1)管路系統(tǒng)包括氨循環(huán)系統(tǒng)、鹽水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水 3個管路系統(tǒng)的安裝。氨循環(huán)系統(tǒng)安裝完畢，應(yīng)進行壓氣試漏和真空試漏，并進行保溫處理；鹽水系統(tǒng)管路安裝后，需進行水壓試漏和保溫處理。

(2)管道組成件及管道支撐件、管道加工件、坡口加工及組對、管道安裝的檢驗數(shù)量和標準，應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

(3)安裝前應(yīng)對使用的管材進行除銹和清除雜質(zhì)；管路在應(yīng)力集中部位應(yīng)安裝軟接頭。

(4)管材和彎頭應(yīng)按設(shè)計圖在地面進行試裝配并丈量具體長度；試裝配合格后進行管路的正式吊裝。

(5)鹽水和冷卻水管路用法蘭連接并用管架架設(shè)。鹽水管路要避免浸水和高低起伏；回路鹽水干管的高處和集配液管端部要設(shè)放空閥。

(6)鹽水管路經(jīng)試漏和清洗后用泡沫塑料保溫。保溫層厚度為 100 mm，保溫層的外面用塑料薄膜包扎。

(7)氨系統(tǒng)管路壓氣的試漏試驗壓力。低壓系統(tǒng)應(yīng)達到1.2 MPa，中壓系統(tǒng)達到 1.4 MPa，高壓系統(tǒng)應(yīng)達到 1.8 MPa。初始 6 h 允許壓力下降 0.03 MP、以后 18 h 壓力不變?yōu)楹细瘛?/p>

(8)氨系統(tǒng)管路的真空試漏。在壓氣試漏之后，進一步檢查系統(tǒng)在真空條件下的密封性及排除系統(tǒng)中殘存的氣體和水分，為系統(tǒng)充氨準備條件。系統(tǒng)內(nèi)真空度為 0.097 MPa～0.101 MPa 水銀柱、24 h 后壓力在 0.090 MPa～0.093 MPa 水銀柱范圍內(nèi)為合格。

(9)管道的水壓試漏。試驗壓力不得小于工作壓力的 1.5倍且持續(xù) 10 min 不降壓、不滲漏。試驗前，注液體時應(yīng)排盡空氣；液壓試驗應(yīng)緩慢升壓，待達到試驗壓力后，穩(wěn)壓10 min；再將試驗壓力降至設(shè)計壓力，停壓 30 min。以壓力不降、無滲漏為合格。

(10)管道在壓力試驗合格后，應(yīng)進行吹掃清洗工作。

(11)管道試壓完畢后，應(yīng)涂兩層醇酸防銹漆進行防腐處理。

3.5 管路低溫系統(tǒng)的保溫施工

(1)管道的保溫施工應(yīng)在管道涂漆合格后進行；施工前，管道外表面應(yīng)保持清潔干燥。

(2)管道的保溫施工材料應(yīng)有制造廠的質(zhì)量證明書或分析檢驗報告；種類、規(guī)格及性能應(yīng)符合設(shè)計文件的規(guī)定。

(3)需要蒸汽吹掃的管道宜在吹掃后進行保溫施工。

(4)氨制冷系統(tǒng)低溫設(shè)備及管路的絕熱層選用聚氨脂橡塑保溫材料，拼縫寬度小于 2 mm；其鹽水箱四周及頂板均選用厚 50 mm 的聚苯乙烯泡沫塑料板，底部用木鋸沫充填。

(5)氨管路、鹽水干管及配液管用厚 50 mm 的泡沫塑料管材，內(nèi)外裹兩層塑料薄膜。

(6)低溫閥門等不能用泡沫塑料制品絕熱的部分，采用優(yōu)質(zhì)棉絮加塑料薄膜。

(7)敷設(shè)異徑管的絕熱層時，應(yīng)將保溫層加工成扇形塊。

3.6 凍結(jié)制冷

(1)凍結(jié)系統(tǒng)安裝完畢和各系統(tǒng)打壓試漏合格后，進行設(shè)備調(diào)試和試運轉(zhuǎn)。在設(shè)備調(diào)試和試運轉(zhuǎn)完成且凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常后，進入積極凍結(jié)；要求 15 d 內(nèi)鹽水溫度降至－20℃ 以下，開挖前鹽水溫度降至－28℃ 以下。

(2)根據(jù)測溫孔溫度對凍結(jié)壁發(fā)展情況進行預(yù)測，并實測凍結(jié)壁溫度和厚度達到預(yù)計要求后，可進行試挖。如試挖證明凍結(jié)壁厚度已達設(shè)計要求，方可進行正式開挖。

(3)監(jiān)測控制進氣壓力和排氣壓力、冷卻水溫度、冷凍機的電流、鹽水泵的電流等，綜合各參數(shù)進行分析，確保制冷系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常；凍結(jié)站運轉(zhuǎn)參數(shù)每 2 h 記錄 1 次。

(4)在進、出鹽水干管上安裝溫度計，監(jiān)測去、回路鹽水溫度，并根據(jù)設(shè)計要求調(diào)整制冷量；去、回路鹽水溫度每 2 h記錄 1 次。

(5)在進、出鹽水干管上安裝壓力表，在每個凍結(jié)管口安裝鹽水流量測量回路；試運轉(zhuǎn)時和開挖前，檢測各個凍結(jié)器的鹽水流量，并且通過鹽水泵吸水口上和凍結(jié)器羊角上的控制閥門對鹽水流量進行調(diào)整。

(6)根據(jù)去、回路鹽水溫差和鹽水總流量估算凍結(jié)站的總制冷量。如制冷量小于設(shè)計值或理論計算值，應(yīng)查找原因并且調(diào)整冷凍機運轉(zhuǎn)參數(shù)或增加冷凍機開機臺數(shù)。

(7)在凍結(jié)器頭部安裝測溫點，監(jiān)測各凍結(jié)器回路鹽水溫度是否一致(1 次/h)。如發(fā)現(xiàn)個別凍結(jié)器回路鹽水溫度明顯偏高，應(yīng)查明原因并及時采取措施進行處理。

(8)測溫孔內(nèi)按 10 m 左右間隔布置溫度測點，溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用深井溫度實時監(jiān)測儀器。開凍前檢測原始地溫分布，開凍后每 2 h 記錄 1 次溫度監(jiān)測結(jié)果。

(9)在斜井開挖期間，對每個新段長都必須進行井幫溫度的測量。井幫溫度用點溫計測量，井幫位移用收斂計測量；井幫溫度測點不少于 4 個，井幫位移測點不少于 2 個，測點沿圓周均勻布置。

(10)掘進期間視凍結(jié)壁的井幫溫度、收斂位移、掘進與支護速度控制鹽水溫度。正常掘砌下鹽水溫度維持在－25℃～－28℃。

(11)待第Ⅳ段內(nèi)層凍結(jié)井壁砌筑、井壁強度滿足安全要求時，即可停止凍結(jié)。停止凍結(jié)后，為了防止凍結(jié)管導水，需拔出凍結(jié)管并用 1∶1 水泥漿充填鉆孔。

(12)凍結(jié)站運轉(zhuǎn)時，應(yīng)重點監(jiān)控因氨泄露引起的中毒、火災(zāi)和爆炸等安全防范工作，并監(jiān)督確保凍結(jié)的連續(xù)供電，避免凍結(jié)體解凍造成井筒開挖過程涌水(潰砂)問題的發(fā)生。

3.7 凍結(jié)和掘砌配合

(1)在凍結(jié)段掘砌中，凍結(jié)施工單位必須做好同掘砌施工單位的密切配合工作，合理控制制冷量分配，適時改變循環(huán)方法，做到凍土發(fā)展速度與井筒掘砌速度相適應(yīng)。確保凍結(jié)體下部不發(fā)生解凍(凍結(jié)管割斷)造成井筒開挖過程涌水(潰砂)；盡可能創(chuàng)造“淌芯”挖掘條件，加快掘砌速度。

(2)掘進至距第Ⅰ凍結(jié)段頂板 3 m 時，掘砌單位應(yīng)停止工作面的掘進，對迎頭采用噴漿封閉，并安排專人對工作面的情況進行檢查觀測，做好同凍結(jié)單位等的配合工作。

(3)在掘進過程中，要對開挖范圍內(nèi)的凍結(jié)管進行割除。在割除前，凍結(jié)單位應(yīng)排空管內(nèi)鹽水并拔出供液管；掘砌單位在得到凍結(jié)單位的專人確認后，方可進行割管工作。在割管的同時，凍結(jié)單位應(yīng)做好掘進前方的下一列凍結(jié)管的停凍、排空和拔管等工作。

(4)掘進單位在掘砌中進行割除凍結(jié)管或打漏凍結(jié)管時，應(yīng)及時通知凍結(jié)單位人員到場并做好凍結(jié)管的封堵工作。

(5)掘進單位應(yīng)為凍結(jié)單位檢測人員的下井提供方便條件，保證正常檢測，及時了解凍結(jié)發(fā)展情況，為調(diào)整凍結(jié)參數(shù)提供實測數(shù)據(jù)。

(6)掘進時嚴禁超挖井幫，防止打漏靠近井幫外的凍結(jié)管。

(7)掘砌施工嚴格按掘砌施工組織設(shè)計和作業(yè)規(guī)程要求等進行?？諑蜁r間不能超過 24 h，做好 3 個距離點控制：每掘進 0.9 m(1.5 架棚)，及時進行架棚和掛網(wǎng)噴漿封閉，并且進行一次支護；每掘進 3 m (5 架棚)的距離，開挖反底拱和架設(shè)反底梁；一次支護距離迎頭不超過 25 m，進行永久支護。

(8)掘砌過程中對偏斜進入井幫的凍結(jié)孔，在確保凍結(jié)壁安全的情況下，可以考慮割除；但應(yīng)征得業(yè)主、監(jiān)理和凍結(jié)單位的同意后方可實施。

4 結(jié) 語

李家壩煤礦主、副、風三條斜井穿越古近系砂層段均采用中深部凍結(jié)法施工。斜井的最大凍結(jié)深度為 162 m，其凍結(jié)鉆孔總長度為 156 600 m，有效凍結(jié)總長度為 20 740 m。斜井凍結(jié)工程的工程量大、施工技術(shù)難度很高。該斜井凍結(jié)工程從 2012 年 3 月開始分步實施，到 2014 年 1 月全部結(jié)束，斜井凍結(jié)效果達到設(shè)計目標要求，三條斜井井筒施工均安全順利地穿越了巨厚含水砂層段，確保了李家壩煤礦斜井工程的安全質(zhì)量和工期要求。