李成斌 范天文 劉 輝

(河北鋼鐵集團礦業(yè)公司)

某礦山豎井局部冷凍施工的應用

李成斌 范天文 劉 輝

(河北鋼鐵集團礦業(yè)公司)

介紹了某礦采用局部冷凍法的治水施工過程，重點闡述了局部冷凍法的工作原理及相關參數的確定，通過對該豎井表土層進行局部冷凍，取得了良好的施工效果，避免了表土層的過凍，降低了相關施工費用。

局部冷凍 治水 豎井施工

豎井凍結法施工，是將地層中的水結冰,將松散含水巖土變成凍土，增加其強度和穩(wěn)定性，隔絕地下水，以便在凍結壁的保護下進行地下工程掘砌作業(yè)。局部冷凍法是一種特殊的凍結方法，通過改變凍結器的結構形式，使其只對需要的部位進行冷凍，在處理一些特殊地層中起到十分重要的作用。

1 工程概況

某礦井設計井筒直徑7.2 m，深985.8 m，井筒外壁厚450 mm，內壁厚500 mm，處于第四系含水覆巖中。為保證施工順利，第四系和強風化層部分需采用冷凍法施工。沖積層深度約120 m，原設計冷凍深度192 m，采用長、短孔布置，長孔深度192 m，短孔深度130 m。在凍結交圈后，開始進行井筒掘砌施工，當冷凍段外壁掘砌施工至132 m時，發(fā)現凍結壁膨脹向井心方向位移，長腿冷凍孔已經全部被擠壓變形，不能繼續(xù)使用。

經分析研究決定暫停豎井掘砌施工，重新轉入積極冷凍。由于已施工部分僅進行了外壁掘砌施工，井壁強度不能保證地應力的破壞，所以在井筒底部澆筑7 m的混凝土墊，防止下部繼續(xù)變形，灌水至靜水位，并繼續(xù)維持原短腿冷凍孔的冷凍及井筒上部的冷凍施工，采用局部冷凍法對115～192 m進行凍結。

2 局部冷凍原理

冷凍法工作原理是以鹽水作為冷媒介質，在制冷系統(tǒng)的作用下，通過冷凍孔吸收圍巖熱量，使凍結孔周圍形成凍結壁。普通冷凍法與局部冷凍法的主要區(qū)別在于孔內凍結器結構形式的不同，如圖1所示。

普通冷凍法冷凍孔施工結束后直接下入無縫鋼管作為回液管，鹽水由供液管進入，回液管排出，孔內各位置均有鹽水流動，且溫度相差較小，冷凍管整體都吸收圍巖熱量，達到冷凍效果；局部冷凍是在無縫鋼管內重新布置回液管，在鋼管與回液管之間產生鹽水靜止區(qū)域，鹽水靜止區(qū)域的熱交換速度比鹽水流動區(qū)域熱交換速度相對較慢，實現局部凍結。

圖1 豎井冷凍施工孔內布置示意

3 凍結施工方案

(1)局部加強凍結，井筒已掘砌132 m，此次主要凍結115～192 m的風化基巖段，以便安全順利通過全風化黑云變粒巖層和剩余凍結段部分。加快施工速度，減少凍結對已成井壁的影響。

(2)設計凍結孔圈徑15 m，布置凍結孔40個，開孔間距1.18 m，凍結管深度192 m，凍結管采用φ133 mm×5 mm 20#優(yōu)質低碳鋼無縫管,內下兩根塑料管作為供液管和回液管，供液管內徑55 mm，壁厚6 mm，深度192 m；回液管內徑90 mm，壁厚7 mm，深度115 m。

(3)原凍結站繼續(xù)維持凍結，關閉深凍結孔，循環(huán)淺凍結孔。鹽水去路溫度控制在-19～-22 ℃，維持120 m以上凍結壁現狀，在凍結孔鉆進施工及積極凍結期間保證井壁安全。

3.1 凍結參數

(1)地壓值。

P=γH,

(1)

式中，P為控制層位地壓值, MPa；H為安全控制層深度，取全風化黑云變粒巖巖層底部深度160 m。

計算得P=2.08 MPa.

(2)凍結壁厚度。根據多姆克公式計算：

(2)

式中,R為凍結壁內半徑(采用掘砌荒徑)，4.55 m；K為凍土強度(凍土允許強度)，取4.4 MPa。

根據計算結果并結合國內外已施工或正在施工的凍結井凍結壁設計厚度，確定該井凍結壁厚度為3.0 m。

(3)凍結孔布置圈徑。考慮井筒原有凍結壁厚度對打鉆施工的影響及現有凍結溝槽情況，確定凍結孔圈徑為D=15 m。

(4)測溫孔布置。凍結壁外側最大孔間距處布置1個，距離凍結圈徑1.5 m，深度192 m；凍結壁內側處理1～2個原凍結深孔作為內部測溫孔(由于受原凍結壁變形的影響，需重新進行測量，反應的溫度為受原凍結壁影響的溫度，可作為形成內側凍結壁及預測井幫溫度的參考)；外側測溫孔采用φ108 mm×4.5 mm優(yōu)質低碳鋼無縫管，外管箍連接，管底密封。

(5)其他。①積極凍結期鹽水溫度-27～-30 ℃；②凍土抗壓強度4.4 MPa；③設計凍結孔40個，開孔間距1.18 m;④水文孔布置,根據現場情況不具備實際水文孔的條件。

3.2 制冷工藝

(1)基礎數據。①設計積極凍結期的鹽水溫度-30 ℃;②冷卻損失系數1.3;③冷卻水溫度為25 ℃。

(2)凍結管散熱能力計算。

凍結管散熱能力：

Qt=πdeH0hekt,

(3)

凍結站最大需冷量：

Q1=mcQt,

(4)

式中，de為凍結管外直徑，m;H0為凍結深度，m;he為凍結孔數;kt為凍結管散熱系數或單位熱流量，1 046 kJ/(m2·h)。

計算得，Qt=2 149×103kJ/h，Q1=2 794×103kJ/h.

(3)凍結站需冷量及制冷設備選擇。井筒凍結需冷量2 794×103kJ/h，選用螺桿鹽水機組，配備F1YSLG25F型螺桿鹽水機組1臺。該機組-30 ℃時制冷量1 800×103kJ/h，正常工況下凍結站制冷量為7 200×103kJ/h，實際效率按85%計算，實際凍結站制冷量為6 120×103kJ/h，滿足凍結需要。

(4)鹽水系統(tǒng)設計。 鹽水系統(tǒng)總循環(huán)量計算：

Wbr=Q1/(ΔtRbrCbr) ，

(5)

式中，Δt為去、回路溫差，3 ℃；Rbr為鹽水密度，1 260 kg/m3；Cbr為鹽水比熱，0.66 kJ/kg℃。

計算得Wbr=333 m3/h.

為了加快凍結冷量的傳遞，采取加大凍結器內鹽水流量的措施，使凍結孔流量達到10～13 m3/h，凍結器內鹽水流動狀態(tài)達到由層流到紊流過渡狀態(tài)。

(5)供液管規(guī)格。供液管直徑：

(6)

式中，Vbr為供液管內鹽水允許流速，取0.6～1.5 m/s；n′為供液管數量。

經計算d=48 mm。選用供液管內徑55 mm，壁厚6 mm的塑料管；回液管選用內徑90 mm，壁厚7 mm 的塑料管。

經驗算，供、回液管之間的環(huán)狀間隙面積2 835 mm2,供液管面積2 374 mm2，滿足工程技術要求。

(6)鹽水干管及集、配液管計算：

(7)

式中，V′mbr為鹽水干管及配、集液圈內允許流速，取1.5～2 m/s。

經計算，鹽水干管及配、集液圈內直徑249 mm。選用φ273 mm×6 mm作為鹽水干管及配、集液圈。

3.3 施工難點分析

由于本次凍結無法設計水文孔，且已掘砌的井筒底部進行了混凝土澆筑，所以無法以水位變化來推斷凍結壁是否交圈。

依據測溫孔的溫度變化，繪制凍結壁溫度變化拓展圖來推算交圈時間，探索其規(guī)律。根據原凍結壁發(fā)展情況和實際揭露地層特征，全風化黑云變粒巖含水量低，凍結速度較慢，但由于原凍結壁及地層溫度的影響，二次凍結時凍土擴展速度會快得多，綜合考慮，可按2.5 cm/d的平均擴展速度，按2 m的最大孔間距計算，預計交圈時間為40 d左右。

預計凍結壁交圈后，為達到凍結壁厚度和強度的設計要求，需加強凍結20 d左右，即預計凍結60 d 后，凍結壁可達到設計厚度，經測溫數據計算驗證后可進行井筒排水。仔細觀測止?jié){墊的穩(wěn)定性和出水情況，打探孔進行探水和測溫，無異常后破止?jié){墊恢復施工，短段掘砌，監(jiān)測井幫溫度和位移。

3.4 凍結壁形成情況預分析

本次局部冷凍設計主要是為完成115～192m的凍結，為保證已經形成的井壁安全，原凍結的130m短孔冷凍管仍繼續(xù)維持冷凍，凍結壁形成應按以下情況考慮(見圖2)。

圖2 凍結壁形成

(1)0～115 m。根據相關規(guī)范及經驗，采用鹽水充填式局部凍結法。非凍結段的凍土擴展速度是凍結段凍土擴展速度的40%～50%，凍結段凍土擴展速度按2.5 cm/d計算，則非凍結段凍土擴展速度為1～1.25 cm/d，積極冷凍60 d，凍結壁厚度為60 cm 左右；原凍結壁經測溫孔及現場情況推算為3 m 左右，所以原凍結壁與新凍結壁處于剛剛相交狀態(tài)。

(2)115～130 m。凍結段凍結壁厚度為1.5 m,原凍結壁為3 m，原凍結壁與新凍結壁已經完全相互疊加，確保上部第四系的水無法通過該處流入井筒。

(3)115～130 m。由于原凍結設計的長管全部損壞，原凍結壁基本已解凍，所以凍結壁厚度為新的凍結壁厚度。

影響冷凍土擴展速度的因數有很多，包括地層含水量、水流速度及處在水流上下游位置等因數，本次分析僅考慮理想狀態(tài)環(huán)境下凍土擴展速度。綜上所述，各位置的凍結壁都達到設計要求，凍結效果滿足開挖條件?？紤]實際情況，115～192 m位置已經基本進入風化基巖段，影響凍結壁擴展的因數較少，與分析情況基本一致。

4 結 語

目前，該井正在按上述設計方案施工，預計可完成115～192 m的凍結，確保井筒恢復正常掘砌。施工時需加強對原凍結孔及局部凍結孔的監(jiān)控監(jiān)測，確定井筒恢復掘砌的開挖條件，破除井筒底部混凝土墊層時需測明井幫溫度，并打探水孔探水。

2014-09-26)

李成斌(1986—)，男，技術員，063701 河北省唐山市灤縣響嘡鎮(zhèn)。