冻结法在阳煤集团堡子公司副斜井过续鲁河冲积层施工中的应用
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【摘 要】该文就冻结法在阳煤集团堡子公司副斜井过续鲁河冲积层施工中的应用进行具体的阐述，以供同行探讨，具有一定借鉴意义。
【关键词】冻结法；副斜井；续鲁河冲积层
0.引言
早在1880年，德国工程师波茨舒就提出了人工冻结法原理并获得了专利，并在1883年首次将该技术应用于德国阿尔巴里德煤矿井筒施工（冻结深度为103m），获得了成功。至今，人工冻结法已有近130年的历史，已是一种理论上和实践上都比较成熟的特殊施工方法。下面就冻结法在阳煤集团堡子公司副斜井过续鲁河冲积层施工中的应用进行具体的阐述，以供同行探讨。
1.副斜井基本情况简介
堡子公司副斜井设计副斜井担负矿井矸石、设备及材料等辅助提升任务，同时作为矿井的主要进风井和安全出口。
开掘过程中依次穿过地表黄土层、第四系含水层、二叠系下盒子组并最终抵达山西组2#煤，其中地表黄土层为明槽开挖，长度98m，第四系含水层厚度35m，主要由砂、砂砾石，卵石组成，渗透性强，出水量大，采用冷冻法通过。
副斜井遇续鲁河冲积层时，先采用帷幕注浆进行施工未达到预期效果，之后采用冻结法施工。在井筒施工期间，由于个别冷冻管布置误差或在井筒施工中被截断，导致井筒涌水并逐渐增大为26m3/h，施工困难较大。帷幕注浆法失败后，经过咨询和走访兄弟单位遇见类似情况时采用冻结法施工效果比较理想。故堡子公司、晋南公司、集团公司研究后决定采用冻结法施工。2011年12月根据勘探现场成果绘制了钻孔平面图和基岩面剖面图，计算出需冻结长度80m左右，为下一步的冻结法施工提供了依据。
2.冻结法施工工艺
冻结法施工方案及钻孔设计于2012年1月完成，经晋南公司对冻结法施工方案及钻孔设计进行会审后，报集团公司审查批准，冻结法施工方案及施工工艺如下：
A：冻结孔布置：
（1）根据副斜井现场地质勘查情况，井筒冻结施工长度确定为84m，分两段施工，第一段冻结0m到43m为斜孔冻结方式，第二段43m到84m为地面垂直孔冻结方式。斜孔布置在巷道围岩外1.1-1.4m处，采用25度下山斜孔20个进行冻结，孔深为43m。垂直孔深度按设计井筒底板下3m处为终孔深度，垂直孔布置四排，排距为2.2-2.3，间距为1.2-2m设计孔数为90个。
（2）冻结孔偏斜率表土段≤5‰，冻结孔向井中偏值≤300mm。
（3）冻结管选用∮108×4.5mm，20#低碳钢无缝钢管。
（4）冻结管采用焊接连接，斜孔每根长度小于4m，保持0.1MPa压力2小时不降低为合格。
B：测温孔布置：
井筒布置4个测温孔，测温孔深度为30m，根据冻结孔测斜情况，设置在冻结孔间距大的位置，冻结圈径外0.8m处，测温管选用∮108×4.5mm，20#低碳钢无缝钢管。
C：冻结站制冷设计：
冷冻站最大需冷量必须满足冻结需要，并装有一定数量的备用机组以确保井筒正常冻结，根据井筒冻结实际需求，设立冻结站一个。
经计算，冻结站需冷量为23.5kcal/h，选用螺杆盐水机组，冻结站配备F1YSLG20F型螺杆盐水机组2台，标准制冷量100万kcal/h。
3.钻孔施工过程
（1）钻机施工钻场2012年2月1日开始开挖，2月下旬钻场及护坡于2月下旬施工完成，钻场开挖土方约1000立方。
（2）冻结施工队伍于2012年2月中旬进场，钻场施工完毕后开始安装钻机。1号斜孔于2012年2月29日开钻，于2012年6月10日斜孔下管全部施工完成，斜孔设计长度为42.33m，根据现场施工情况，斜孔长度延长到46m，覆盖到设计垂直孔第4排处。共施工钻孔36个，孔深长度总计1735m，成孔20个，成孔孔深长度总计1094m，钻孔成孔率为55.56%，孔深使用率为63%。斜孔于6月14日开始冻结，7月15日冻结达到预期要求，7月18日副斜井开始掘进。截止11月20日斜孔冷冻段已经施工完毕，开始施工垂直孔冻结段，2013年3月10日停止斜孔冷冻。
（3）垂直冷冻孔2012年4月26日开始施工，2012年7月12日施工完成，共施工钻孔89个，全部有效，无废孔，钻孔设计总长度为3125.52m，实际总长度为3283.42m。垂直孔10月8日开始冻结。11月20日开始施工垂直孔段，2013年4月19日停止垂直孔冷冻。2013年5月2日垂直孔冻结段全部施工完毕。
4.副斜井壁后注浆施工工艺
副斜井冻结段掘进80m时，井筒涌水量约为26m3/h，由于巷道涌水量太大，施工及其困难，经公司领导研究决定：采用壁后注浆充填加固止水，副斜井于2013年4月1日开始停掘，注浆队伍开始进场注浆，4月2日开始打孔注浆，于4月29日注浆完成，利用4月份一个月时间对副斜井冻结段进行壁后注浆充填加固止水，每孔深度为1―2m，共施工钻孔198m，注浆用水泥321吨，RSS粉状化学料5.5吨、RSS液体化学料40.6吨。注浆截止4月底，将副斜井井筒浇筑段壁后全部注浆充填加固，已无涌水现象，由于掌头范围9m未进行混凝土浇筑，注浆时无法加压，将水全部控制到两根2寸管中，集中排水，现井筒中的涌水已控制。
5.副斜井过冲积层掘进施工工艺
副斜井冻结段施工采用人工风镐、手镐掘进，运渣采用人工装渣到矿车上运输，由于副斜井井筒施工全部采用人工施工，工人劳动难度较大且施工进度还比较缓慢，正常掘进时，将一架棚的渣清理完，支完一架棚需两天才能完成，每支15架棚左右进行一次混凝土浇灌，浇灌时需对井筒进行起底，起完底后开始对底板进行浇筑，底板浇筑完成后开始浇筑帮部和拱部，最后拆模，完成15架棚混凝土浇筑一般为15天，每月副斜井井筒施工进度约为10m。
6.副斜井施工期间存在的问题及解决方法
6.1钻场布置
副斜井一侧1-5号冷冻孔是利用挖掘机挖出井筒后，在表土段停掘处打钻，由于钻场为深坑处，钻机施工冷冻斜孔需根据设计孔位搭架施工，钻机下部为积水和淤泥，钻孔施工期间需要进行排水，因而，导致施工难度加大。冻结期间，冻结管接头破裂需处理时，还需清理淤泥和排水后方可进行。在施工副斜井另一侧9-15号孔时采用延长斜孔外端至地面的方法直接在地表稳钻施工，降低了施工难度。
6.2斜孔冻结的优缺点
斜孔冻结的弊端为：斜孔施工时，成孔率及使用率较低，副斜井的钻孔成孔率为55.56%，孔深使用率为63%。且钻孔偏移度较大，也因部分冷冻斜孔偏移设计位置导致冻结效果欠佳。
有利方面为：有效控制了冲积层在井筒施工过程中的蠕变流动、垮塌及涌水量，显著改善了副斜井的施工条件。且井筒施工后，能继续对井筒进行冻结，使涌水量的控制得以继续维持。
6.3垂直孔冻结的优缺点垂直孔冻结有利方面为：垂直孔施工时，成孔率及使用率高，副斜井垂直孔施工无废孔。
垂直孔冻结弊端为：施工期间中间两排孔需割断处理，割断后将无法进行冻结，割断孔解冻后，都成为导水孔，导致巷道涌水量加大。
6.4支护方面
冻结段支护为29U棚+钢筋混凝土浇灌联合支护，掘进时，先采用29U棚支护，再进行钢筋混凝土浇灌，刚开始29U棚支护时，采用砼背板、破板进行构顶支护，每支一架棚进行喷砼封闭，由于喷砼不能使背板后面全部充填，冻结效果不好的局部地点开始涌水。针对这一问题，将29U棚后采用钢筋网和喷砼支护，使29U棚后无空隙，大幅度降低了井筒涌水量。
7.结论
冷冻法施工在井筒中应用，安全性比较高，冷冻形成的冻土帷幕效果比较好，尤其适用于河床冲积层或流沙层的加固。堡子煤业有限公司副斜井采用冷冻法施工，属集团公司首例，在施工过程中虽有不足之处，但总体是成功的，对集团公司同类地质条件下的斜井施工提供了可资借鉴的有效施工方法。随着施工技术和冷冻技术的不断发展，冷冻法在井筒施工方面的应用会越来越广泛。