馬躍峰

中煤第五建設(shè)有限公司第三工程處 江蘇 徐州 221140

正文：

1 概況

大南湖十號(hào)煤礦主斜井井筒位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密市東南約70km處，設(shè)計(jì)主斜井井筒凈寬5.2m，凈高4.1m，傾角14°。凍結(jié)段井壁采用雙層井壁，外層厚度80mm，內(nèi)層厚度720mm；底部為反底拱，反底拱開(kāi)挖深度1.5m。井筒穿越地層由新到老分別為第四系（Q4）、新近系上新統(tǒng)葡萄溝組(N2p)部分地層。其中，第四系及新近系地層采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)段井壁斜長(zhǎng)為203m，垂深范圍為68.662～117.772m。

2 工程與水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)

地層由新到老分別為第四系（Q4）、新近系上新統(tǒng)葡萄溝組(N2p)，自上而下穿見(jiàn)地層如下：

(1)第四系松散層（Q）主要為砂質(zhì)黏土、礫石、中細(xì)砂及砂礫石層。與下伏地層不整合接觸。鉆孔控制地層厚度4.90～11.84m，平均8.33m。

(2)新近系上新統(tǒng)葡萄溝組(N2p)巖性主要為淺紅色、綠灰色泥巖、粉砂巖、粗砂巖。多為泥質(zhì)、粉砂狀、粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，砂巖成分由長(zhǎng)石、少量石英及巖屑組成，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度差，易風(fēng)化，遇水易膨脹、崩解，多呈柱狀、碎塊狀，松軟。與下伏地層不整合接觸。鉆孔控制地層厚度130.79～233.60m，平均197.83m。

2.2 水文地質(zhì)

井筒設(shè)計(jì)掘進(jìn)層段穿見(jiàn)的含水層自上而下分為三個(gè)含水層組，即第四系透水不含水層；新近系上新統(tǒng)葡萄溝組含水層；侏羅系中統(tǒng)西山窯組含水層?，F(xiàn)將其水文地質(zhì)條件分述如下：

2.2.1 第四系透水不含水層

由粗、中、細(xì)、粉砂及粉土組成。含礫徑為0.2～7cm的礫石，次圓狀礫石不一，松散，無(wú)膠結(jié)。該層處于地表，即使有微量的降水入滲，也形不成飽和的包氣帶，而耗于其后的強(qiáng)烈蒸發(fā)。這些堆積物雖透水性較好，但不具儲(chǔ)水條件，為透水不含水層。

2.2.2 新近系上新統(tǒng)葡萄溝組含水層

巖性主要為泥巖、粉砂巖、粗～中粒砂巖、細(xì)粒砂巖。泥巖為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，平坦斷口，易風(fēng)化，遇水易膨脹、崩解，松軟。砂巖分別為粗、細(xì)、粉砂狀結(jié)構(gòu)，成分由長(zhǎng)石、少量石英及巖屑組成，泥質(zhì)膠結(jié)，分選差，次棱角～次園狀。呈柱狀、短柱狀、碎塊狀，較堅(jiān)硬。揭露該層埋深范圍10.40～243.78m，厚度233.38m。簡(jiǎn)易水文觀測(cè)未發(fā)現(xiàn)有明顯消耗。本次井檢孔抽水試驗(yàn)結(jié)果：?jiǎn)挝挥克?.004082L/s.m，滲透系數(shù)0.002341m/d，水位標(biāo)高689.15m，屬于承壓裂隙富水性弱含水層。

3 凍結(jié)設(shè)計(jì)

3.1 凍結(jié)設(shè)計(jì)方案

凍結(jié)段井壁斜長(zhǎng)為203m，垂深范圍為68.662～117.772m。凍結(jié)起始點(diǎn)傾斜長(zhǎng)度確定為253.999m，凍結(jié)起始點(diǎn)水平長(zhǎng)度確定為246.454m。斜井井筒凍結(jié)方案選擇及要點(diǎn)如下：

①采用地面打直孔方案，鉆孔深度由淺入深。②采用異徑凍結(jié)方式，斜井頂板凍結(jié)壁厚度以上為小管徑凍結(jié)管（即φ108×5mm無(wú)縫鋼管），頂板凍結(jié)壁厚度及以下采用φ159×5mm的無(wú)縫鋼管作為凍結(jié)管，可節(jié)省凍結(jié)制冷量。③主斜井凍結(jié)斜長(zhǎng)203m，水平長(zhǎng)度196.97m，均分為5段，每段116個(gè)凍結(jié)孔。④采用分段打鉆、分段凍結(jié)工藝，確保造孔、凍結(jié)、掘砌連續(xù)施工。④為了報(bào)道凍結(jié)壁交圈情況，每段均設(shè)置2個(gè)水文孔。水文孔深度、花管位置垂深范圍64.5～109m。⑤為了準(zhǔn)確提供凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，掌握第一手原始凍結(jié)資料，各段均布設(shè)4個(gè)測(cè)溫孔，各段測(cè)溫孔深度均相同，每段測(cè)溫孔深度分別為Ⅰ段 70.5m，Ⅱ段80.3m，Ⅲ段90.1m，Ⅳ段99.9m，Ⅴ段109.7m。⑥凍結(jié)孔沿井筒開(kāi)挖方向布置5排，按設(shè)計(jì)的排距進(jìn)行布置凍結(jié)孔。⑦為了確保每段掘砌施工安全，每段終端孔作為封頭孔。⑧各凍結(jié)孔鹽水流量：積極凍結(jié)期10m3/h，維護(hù)凍結(jié)期6m3/h，并根據(jù)井筒凍結(jié)發(fā)展?fàn)顩r和掘砌施工速度，適時(shí)調(diào)整開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)和鹽水流量，以及凍結(jié)孔運(yùn)行數(shù)量。在凍結(jié)壁保證掘砌安全的條件下，為井筒施工創(chuàng)造良好環(huán)境。

3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）井筒凈寬度5.2m，井壁厚度0.8 m，井筒掘進(jìn)寬度7.0m，井筒凈高度4.1 m，反底拱深度1.2m，井筒掘進(jìn)高度6.4m；（2）凍結(jié)孔深度68.662～117.772 m；（3）凍結(jié)壁厚度：頂板6m、兩幫3m、底板5.5m；（4）凍結(jié)壁平均溫度頂、底板-12℃，兩幫-8℃。（5）凍結(jié)孔最大孔間距：外排2.1m，中排2.9m；（6）凍結(jié)孔工程量50150.97m，觀測(cè)孔工程量2685m，鉆孔總工程量52835.97m；（7）積極凍結(jié)期鹽水溫度-26～-28℃；（8）維持凍結(jié)期鹽水溫度-20～-22℃；(9凍結(jié)站最大需冷量303.65萬(wàn)kcal/h，裝機(jī)標(biāo)準(zhǔn)制冷量865萬(wàn)kcal/h

4 凍結(jié)施工檢測(cè)

4.1 測(cè)溫孔溫度檢測(cè)

測(cè)溫孔共設(shè)計(jì)20個(gè)，每段4個(gè)，凍結(jié)期間溫度變化均正常，反映了凍結(jié)壁的正常形成。

4.2 水文孔溫度檢測(cè)

水文孔設(shè)計(jì)10個(gè)，每段2個(gè)， 10個(gè)水文孔只有2個(gè)正常冒水，其余8個(gè)孔均未冒水，主要原因?yàn)閮鼋Y(jié)孔間距小，水文孔位于6個(gè)左右的凍結(jié)孔包圍中，凍脹水結(jié)冰未冒出管口。

4.3 鹽水流量檢測(cè)與鹽水泵運(yùn)行

2012年11月29日～2013年3月12日，開(kāi)泵2臺(tái)，單孔流量6.4～7.3m3/h；2013年3月13日～2013年5月2日，開(kāi)泵3臺(tái)，單孔鹽水流量6.0m3/h；2013年5月3日至2013年10月4日開(kāi)泵4臺(tái)，鹽水流量5.4～6.0m3/h。

鹽水流量未達(dá)到積極期10m3/h，維護(hù)期8m3/h。原因?yàn)閱慰走\(yùn)行方式，沒(méi)有采取串聯(lián)運(yùn)行方式。

4.4 井幫溫度檢測(cè)

井筒開(kāi)挖后井幫溫度檢測(cè)情況見(jiàn)下表4.1。

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前28m因?yàn)閮鼋Y(jié)時(shí)間短，開(kāi)挖過(guò)早導(dǎo)致井幫溫度較高，根據(jù)實(shí)際施工過(guò)程分析，采用綜掘機(jī)掘進(jìn)方式，兩幫井幫溫度控制在-10℃，井中溫度控制在-8℃，能夠保障井筒安全掘砌。

5 凍結(jié)運(yùn)行狀況與凍結(jié)段掘砌情況

5.1 凍結(jié)制冷運(yùn)行狀況

2012年11月29日開(kāi)機(jī)凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)，前期投入2臺(tái)高壓冷凍機(jī)降溫，12月1日冷凍站運(yùn)轉(zhuǎn)改雙級(jí)運(yùn)行，開(kāi)機(jī)1組， 2012年12月23日開(kāi)機(jī)2組，2月23日開(kāi)機(jī)3組，開(kāi)泵3臺(tái)，3月21日開(kāi)機(jī)4組，開(kāi)泵3臺(tái)，4月17日開(kāi)機(jī)5組，開(kāi)泵3臺(tái)。6月28開(kāi)機(jī)4組，7月13日開(kāi)機(jī)3組， 7月21日，冷凍站開(kāi)機(jī)2組，8月1日冷凍站開(kāi)機(jī)調(diào)整為1組，一直到10月5日停機(jī)，共凍結(jié)時(shí)間310天。

鹽水溫度降溫曲線如下圖：

5.1 鹽水溫度降溫曲線

5.2 凍結(jié)段掘砌情況

主斜井凍結(jié)段于2013年1月4日試挖，采用炮掘施工，4月19日后改為綜掘機(jī)。2013年10月6日還剩余400-395m段（即5m）二次支護(hù)未完成，冷凍站于2013年10月5日停機(jī)。主斜井凍結(jié)段各部位礦建掘砌工序時(shí)間見(jiàn)表5.1：

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綜上，礦建凍結(jié)段施工沒(méi)有達(dá)到正規(guī)循環(huán)要求，從施工到支護(hù)，最大時(shí)間差達(dá)到80天，掘進(jìn)方式先采取放炮+挖機(jī)，施工速度1m/天，后改為綜掘機(jī)掘進(jìn)，最快速度達(dá)2.5m/天，但因設(shè)備保養(yǎng)能力差，期間綜掘機(jī)損壞3次，每次維修達(dá)10天以上，累計(jì)影響達(dá)30天以上，大大影響施工速度。凍結(jié)段施工工序最長(zhǎng)時(shí)間為139天，基本工序完成時(shí)間100天，最后一部位工序完成時(shí)間59天還余5m未支護(hù)完成。

5.3 凍結(jié)段井筒掘砌工序完成時(shí)間

表5.2 主斜井各段凍結(jié)孔投入及空底、空幫時(shí)間

綜上：

1）空底時(shí)間最長(zhǎng)時(shí)間為109天，最小時(shí)間為23天，平均空底時(shí)間為55天。

2）空幫時(shí)間最長(zhǎng)時(shí)間為139天，最小時(shí)間為35天，平均空幫時(shí)間為80天內(nèi)。

6 結(jié)論

1）礦井地質(zhì)水文資料的準(zhǔn)確性驗(yàn)證：主斜井水文資料根據(jù)實(shí)際施工反映基本準(zhǔn)確，但地質(zhì)資料有偏差，凍結(jié)段終點(diǎn)巖性為砂巖，與設(shè)計(jì)的泥巖有偏差。建議在長(zhǎng)距離斜井凍結(jié)，在施工凍結(jié)孔時(shí)應(yīng)該重新在起始點(diǎn)和終點(diǎn)進(jìn)行取芯工作，以驗(yàn)證凍結(jié)設(shè)計(jì)的可靠性。

2）斜井凍結(jié)水文孔的設(shè)計(jì)：目前多數(shù)斜井凍結(jié)工程未設(shè)水位觀測(cè)孔，對(duì)斜井凍結(jié)效果的分析缺乏有力依據(jù)。主斜井水文孔僅成功冒水2個(gè)，8個(gè)凍脹水結(jié)冰未成功冒水。建議合理設(shè)置水文觀測(cè)孔，以反映凍結(jié)交圈的情況。

3）斜井分段封頭孔設(shè)計(jì)：所謂斜井分段設(shè)計(jì)就是分段加上封頭孔，以確保本段內(nèi)的掘砌安全，從施工看，封頭孔設(shè)置過(guò)多實(shí)際起到的效果并不明顯，成本反而增加，建議以后設(shè)計(jì)只在凍結(jié)起、始點(diǎn)設(shè)計(jì)封頭孔。

4）斜井凍結(jié)壁交圈：通過(guò)施工情況分析，正常情況下兩幫交圈在29～31天，頂?shù)捉蝗υ?3～36天。

5）鹽水溫度控制：斜井凍結(jié)的深度小于200m，且凍結(jié)地層都以第四系、第三系淺部地層為主，積極期鹽水溫度控制在-26℃～-28℃，維護(hù)期在-20℃～-22℃，即可滿足施工要求。

6）鹽水流量控制：本工程施工情況分析，單孔鹽水流量積極期8m3/h，維護(hù)期5m3/h ，能夠滿足安全施工的要求。

7）凍結(jié)孔的運(yùn)行方式：針對(duì)斜井凍結(jié)深度較淺的特點(diǎn)，建議凍結(jié)孔的運(yùn)行方式設(shè)計(jì)為串聯(lián)運(yùn)行方式，可節(jié)約運(yùn)行成本。

8）凍結(jié)孔分段投入：斜井凍結(jié)凍結(jié)孔分段投入的時(shí)間應(yīng)該根據(jù)礦建施工的速度、施工方案考慮。放炮施工，控制凍結(jié)段在80m，每10天投入10m，綜掘機(jī)施工，控制凍結(jié)段在120m，每10天投入15m左右。

9）邊排孔的停止凍結(jié)：邊排孔的凍結(jié)能夠維持兩側(cè)凍結(jié)壁，也能夠緩解頂、底凍結(jié)壁的解凍，所以何時(shí)停止兩幫邊排孔凍結(jié)至關(guān)重要，原則是鋪底二次支護(hù)結(jié)束后便停止兩幫邊排孔的凍結(jié)，本工程中最短時(shí)間為90天，最長(zhǎng)時(shí)間為188天，建議邊排孔在二次支護(hù)結(jié)束后再維持15天左右的凍結(jié)效果，來(lái)緩解凍結(jié)壁的解凍為好。

10）空幫、空頂時(shí)間控制：建議在斜井凍結(jié)施工中，應(yīng)按照正規(guī)循環(huán)施工，建議空底時(shí)間不超過(guò)50天，空幫時(shí)間不超過(guò)60天。

11）井筒開(kāi)挖時(shí)間確定：斜井井筒凍結(jié)段開(kāi)挖天數(shù)宜凍結(jié)50天后，井幫溫度降至-5℃后。

12）凍結(jié)段交界點(diǎn)出水處理：本井筒上部254m采用普通法施工，且上部地層含水，估算出水量達(dá)到50m3/h。建議施工前必須采取有效封止水措施，可以采取注漿法或施工排水水倉(cāng)，但水倉(cāng)應(yīng)該設(shè)在非凍結(jié)段內(nèi)施工。

13）井幫溫度的控制：對(duì)于長(zhǎng)距離斜井凍結(jié)，井幫溫度建議控制在-8℃以下。