某煤矿主副井深厚表土层冻结技术

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【摘要】某煤矿井筒具有主副井相距较近、粘土层较厚等特征，结合此煤矿井筒的地质条件，最终决定对煤矿的主副井深厚表土层实施冻结技术。煤矿主副井深厚表土层冻结技术的实施要求相当高，具体包括主副井间设冻结站、冻结参数适时优化、各大型工程的施工安排要合理、时空关系安排要合理、监测监控工作要到位、冻结安全措施要有效落实等。实践证实，煤矿主副井深厚表土层冻结技术具有建井工期短、工程建设成本低等优点。

【关键词】冻结方式 冻结壁厚度 冻结站 井帮位移

某煤矿生产能力设计值为1.8Mt/a，井口标高为27m。主井净直径为5m，外壁与内壁厚度分别为400mm、550mm，主井深度为572mm；副井净直径为7m，外壁与内部厚度分别为550mm、650mm，其中主副井间存在60m的间距。结合煤矿井筒检查孔有关资料可知，冲积层主要由多层粘土组成（约占冲积层总厚度的74%），其总厚度为210m，其中钙质粘土的分布深度为-128～160m和-83～-112m。结合冻土试验资料可知，在-100℃单轴抗压条件下，上述两层粘土的平均强度为3.87MPa和2.32MPa。砂质粘土的分布深度为-162～-177m，该类粘土层亦被称作水敏性地层。结合规范要求可知，冻结深度应确定到264m。为了加快建井进度、降低工程成本，工程技术人员最终决定采用合理安排主副井筒有关工序与时空优化冻结方案。

一、冻结方案的设计

研究结果表明，冻结壁强度与厚度对井筒掘砌安全具有直接性的影响。结合该煤矿的地质条件最终确定，冻结壁设计方案为深厚粘土层冻结设计；冻结方案为主井与副井分别处在冻结期和积极冻结期的最大盐水流量与最大需冷量。为了满足工程实际需要，该煤矿决定把主井冻结施工安排到副井冻结施工之前。

（一）冻结方式与冻结深度设计

1.设计原则

该煤矿的冻结方式最终确定为“主排孔+辅助孔”冻结方式，其中主排孔执行差异冻结方式。结合井筒的地质条件、冻结时间、开挖速度、整体强度要求与冻结壁厚度，辅助孔执行全深冻结方式，同时坚持“穿过风化带”原则。

2.孔间距要求

研究结果表明，必须严格控制冻结孔的偏值与间距，由此把冻结壁的交圈时间控制到位，其中表土内主排孔的偏值

（二）冻结壁厚度的计算

结合该项工程的具体特点，下部粘土层冻结壁厚度的设计标准为空帮时间≤20h、掘砌高2m。下文主要介绍三种计算方式，同时结合各计算结果确定出主副井冻结壁的实际厚度。

1.里尔曼公式：

其中， 为上覆岩层的容重，取 ； 为上覆岩层各层的厚度； 为冻结壁暴露时间所对应的冻土强度； 为掘进安全段高度，取2.5m； 为安全系数，取1.2。结合里尔曼公式最终计算出E主井为4.0m；E副井为5.09m。

2.维亚洛夫-扎列洪基公式： （备注：此时仅有上端固定到位）

其中， 为计算层位的地压。结合维亚洛夫-扎列洪基公式计算出E主井为3.83m；E副井为4.79m。

3.《煤矿冻结片凿井技术规程》提供的强度公式：

其中， 取1.3； 取0.2； 取2.5。结合此强度公式计算出E主井为3.99m；E副井为4.99m。

结合上述计算结果和该项工程的具体要求，最终把冻结壁厚度确定为E主井为4.0m；E副井为5.1m。

二、冻结方案的实施

（一）冻结站的运转情况

主井的打钻作业与冻结站的安装同步进行，其中主井的打钻作业耗时44d、地沟槽的施工耗时10d。该煤矿冻结站首次运转的时间安排在主井打钻结束的第11d，此时开始对副井进行打钻作业。主井与冻结站运转30d后，冻结壁交圈三含报水结束，其中37d后才完全拥有开挖条件，此时掘砌施工单位可开始井筒试挖，同时实行快速掘进施工方案。待主井冻结系统运转三个月后，壁座进入套壁停机状态，而副井自正式运转的38d后三含冒水，此时决定试挖时间安排到17d后。主副井间冻结站同时为主井与副井提供85d的服务，期间主井保持维护冻结期、副井保持积极冻结期，其中副井的冻结运转时间共141d。

（二）井帮位移观测与冻结壁外侧的扩散速度

1. 井帮位移观测：若冻结壁保持着稳定状态，则粘土层的变形速率与井帮的暴露时间呈负相关，其中粘土层的最大位移速率出现在井帮暴露后的3h。

2. 冻结壁外侧的扩散速度：冻结壁的结冰温度处在0℃。假定冻结壁的到达时间与测温孔径到外圈孔的距离分别为T、L，则外壁扩展的平均速度应为L/T。基于上述参数可计算出各地层冻结壁的扩展速度，其中粘土冻结速度比砂质粘土冻结速度更慢。研究证实，各地层间平均温度的发展规律和冻结壁的有效厚度大致相同，其中双排孔交圈阶段的冻结壁厚度较大，自此以后呈缓慢趋势；其次冻结壁平均温度的下降速度呈现出前期快后期慢的现象。

三、讨论

总体而言，上文针对某煤矿主副井深厚表土层冻结技术所谈及的内容可简单归纳为如下几点：

（一）就膨胀性粘土层段而言，需做到如下几点：适量增加盐水的流量；切实加强冻结；把深厚固结粘土层地段的井帮温度控制到-3℃～5℃以内，同时把荒径内冻土的深度控制到400mm～600mm之间。

（二）就深厚膨胀性粘土34m段与29m段而言，必须做到如下几点：加快掘进速度、精心组织施工、加强观测监控，由此确保掘进过程安全有序。观测数据显示，主井井帮位移速率为2.8mm/h，其主要分布在开帮后的2h～3h以内；主井段与副井段高度分别为2.4m、3.3m；主副井段井筒所对应的循环霎时间为15h、18h；井帮位移量为32mm、38mm，其中井帮位移量

（三）若井帮温度被控制到-3℃～-50℃之间，则内排孔双号全部处在关闭状态，其中单号孔仅开启1/2。若井帮温度为-6.9℃，则内排孔全部处在关闭状态，其中主排孔的盐水供给正常，此时需适当降低开机的功率，同时控制好冻结壁温度场的稳定状态。

参考文献

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[2] 雷俊岭，井红斌.冻结法在新河煤矿井筒掘砌施工中的应用[J].华章，2011，（10）：273-274.

[3] 赵久良.杨村矿主副风井井筒地面预注浆设计施工优化研究[J].现代商贸工业，2010，（24）：387-388.

作者简介：石伟 （1980-10）男 安徽省淮北市人 助理工程师，主要从事冻结凿井以及施工管理和技术工作。