吳創(chuàng)

（煤炭工業(yè)西安工程造價(jià)管理站，陜西 西安710000）

近十年來(lái)隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的不斷深入推進(jìn)，我國(guó)西部地區(qū)的煤炭資源開(kāi)采能力大幅度提升，新建、改擴(kuò)建礦井?dāng)?shù)量劇增。建設(shè)期間發(fā)現(xiàn)西部地區(qū)第四系沖積層埋藏深度相對(duì)較淺,而白堊系砂巖地層厚度一般較大,且孔隙裂隙發(fā)育,為主要含水層,隔水層分布較少,厚度較薄,侏羅系地層雖在水文地質(zhì)資料中多描述為弱含水層,但實(shí)際揭露的水量一般都遠(yuǎn)大于預(yù)計(jì)。[1-2]考慮到上覆巖層強(qiáng)度低、富含水、可注性差、遇風(fēng)崩解、遇水泥化且可注性差，采取普通鉆井法或注漿法施工井筒都具有了一定的困難，無(wú)論是在工期、質(zhì)量、安全上都難以完全保證，為了解決這個(gè)問(wèn)題，一般采用凍結(jié)法施工，所謂凍結(jié)法是用人工制冷的方法, 將地下工程周圍含水巖土層凍結(jié)封閉,形成一個(gè)按照設(shè)計(jì)輪廓的凍土墻或密閉的凍土體,用以抵抗巖土壓力,隔絕地下水,并在凍土墻的保護(hù)下進(jìn)行地下工程施工的一種巖土特殊施工方法。這種方法不僅法封水效果好而且工藝也相對(duì)成熟。

1 工程概況

神木縣升富礦業(yè)有限公司煤礦位于陜西省神木市西北約25km 處，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120 萬(wàn)噸/年，選擇即主斜井、副斜井、回風(fēng)立井混合開(kāi)拓?；仫L(fēng)立井井筒深度163.35m，凈直徑6.0m，最大掘進(jìn)荒直徑8.3m，承擔(dān)全礦井回風(fēng)任務(wù)。

井筒區(qū)地表全部被第四系風(fēng)積沙覆蓋，根據(jù)鉆孔資料，可將工作將區(qū)內(nèi)含水層由上至下劃分為6 層。分別為:①第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙孔隙潛水含水層（Q4eol）；②第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層（Q3s）；③第四系中更新統(tǒng)離石黃土弱含水層（Q2l）；④侏羅系中統(tǒng)直羅組上部風(fēng)化基巖孔隙裂隙承壓水含水層（J2z 上）；⑤侏羅系中統(tǒng)直羅組孔隙裂隙承壓含水層（J2z）；⑥侏羅系中統(tǒng)延安組第四段孔隙裂隙承壓含水層（J2y4）。含水層主要特征見(jiàn)表1。

表1 含水層主要特征表

2 井筒凍結(jié)施工設(shè)計(jì)

2.1 凍結(jié)深度

根據(jù)規(guī)范要求，井簡(jiǎn)凍結(jié)深度必須穿過(guò)沖積層、風(fēng)化帶深至穩(wěn)定基巖10m 以上,或超過(guò)永久支護(hù)5-8m，根據(jù)井筒地層條件及涌水量, 確定凍結(jié)深度為穿過(guò)侏羅系中統(tǒng)直羅組孔隙裂隙承壓含水層（J2z）20m,則凍結(jié)深度為140m。

2.2 凍結(jié)壁

積極凍結(jié)期鹽水溫度為-26～-28℃；控制層位凍結(jié)壁平均溫度：-8℃。

由于基巖凍壁的受力態(tài)與沖積層中比較并未發(fā)生本質(zhì)變化,凍結(jié)壁仍然處于彈性-粘滯體狀態(tài)，在外荷載作用下仍然呈現(xiàn)出彈性區(qū)和塑性區(qū),并且產(chǎn)生塑性變形,當(dāng)塑性區(qū)或塑性變形量超過(guò)允許值時(shí)，凍結(jié)壁和凍結(jié)管將會(huì)受到破壞。據(jù)此分析,該工程凍結(jié)壁均看作是無(wú)限長(zhǎng)彈、塑性厚壁筒的力學(xué)模型。[3]

綜合考慮《礦山立井凍結(jié)法施工及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)地質(zhì)條件按照有限長(zhǎng)塑性體強(qiáng)度條件選取如下公式計(jì)算凍結(jié)壁厚：

根據(jù)工程實(shí)踐和大量研究成果[4],同時(shí)與神木地區(qū)相似工程進(jìn)行類比對(duì)井壁凍結(jié)厚度進(jìn)行論證在公式計(jì)算的基礎(chǔ)上，綜合考慮還應(yīng)根據(jù)地層深度、巖性、凍土試驗(yàn)和含水層等資料,并結(jié)合掘砌施工速度指標(biāo)、凍結(jié)壁發(fā)展情況、井筒開(kāi)挖時(shí)間等因素，確定凍結(jié)壁厚度為2.7 m。

2.3 凍結(jié)孔布置

由于底層以孔隙含水為主，凍結(jié)的根本任務(wù)是封水，故采用“主凍結(jié)+防片幫凍結(jié)孔”方式布置，考慮到主凍結(jié)孔至井筒最大掘進(jìn)荒徑的距離宜控制在2.8～3. 5m 之間;防片幫孔至井簡(jiǎn)掘進(jìn)荒徑的距離宜控制在1.0～1.2m 之間,孔深宜穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化帶。故布置圈徑分別為11.6m 和10.4m；結(jié)合主凍結(jié)孔開(kāi)孔間距宜為1.3-1.4m,防片幫孔開(kāi)孔間距宜為1.9-2.1m，確定鉆孔孔數(shù)分別為28 和14。具體布置見(jiàn)下圖1。

圖1 鉆孔位置布置圖

凍結(jié)管規(guī)格選用Φ108×5mm 的20#低碳鋼無(wú)縫鋼管，內(nèi)襯箍焊接連接；管內(nèi)下放Ф62×5m 聚乙烯塑料管作為供液管。

井筒內(nèi)設(shè)計(jì)布置1 個(gè)水文孔，報(bào)導(dǎo)凍結(jié)基巖風(fēng)化帶底部含水層的凍結(jié)情況。為了準(zhǔn)確掌握凍結(jié)溫度場(chǎng)變化情況，設(shè)計(jì)2個(gè)測(cè)溫孔，分別布置在主、界面上，溫度測(cè)點(diǎn)在各孔內(nèi)沿垂直方向宜每隔20～50m 左右布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)不同方位、不同深度地層的凍結(jié)溫度。

2.4 凍結(jié)制冷設(shè)備

為保證冷凍站具有足夠的制冷量，制冷設(shè)備選型需要采用如下公式提前計(jì)算所需冷量。

Q =πdnHq（Kcal/h）

式中：d-凍結(jié)管直徑（m）；

n-凍結(jié)管數(shù)目（個(gè)）；

H-凍結(jié)深度（m）；

q-凍結(jié)管吸熱效率（Kcal/m2·h），取280Kcal/m2·h。經(jīng)計(jì)算得：Q =40.7×104Kcal/h

考慮富裕系數(shù)凍結(jié)站需冷量應(yīng)為1.2 倍的Q 及48.8×104 Kcal/h。故建議選2 組TBS1100.2JT 型及1 組W-FYSLGF600III型螺桿機(jī)組（備用），冷凍站裝機(jī)工況制冷量為：73.1×104Kcal/h，滿足凍結(jié)需要。

同時(shí)選用循環(huán)鹽水采用含鹽量26.6%，波美度29°Be，比重為1250kg/m3氯化鈣溶液，鹽水總循環(huán)量按照平均每孔鹽水流量≥10m3/h 來(lái)計(jì)算，應(yīng)大于310m3/h。

3 凍結(jié)效果及研究意義

經(jīng)過(guò)46 天的積極凍結(jié)期間鹽水溫度低于設(shè)計(jì)溫度，最低達(dá)到-32.3℃，維護(hù)凍結(jié)期鹽水溫度最低達(dá)到-24.1℃。達(dá)到開(kāi)挖條件，凍結(jié)壁有效厚度為2.8m，凍土壁溫度最低達(dá)到13.6℃，平均溫度為-11°C，經(jīng)凍結(jié)后施工期間全井筒井壁無(wú)水滲出，滿足井筒凍結(jié)段安全、連續(xù)施工的要求。

通過(guò)對(duì)神木市升富煤礦回風(fēng)立井凍結(jié)施工技術(shù)研究，不僅為其礦井的副斜井凍結(jié)施工提供理論基礎(chǔ)及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，而且為所在地區(qū)同類地質(zhì)條件的井筒施工提供重要參考。