閆磊磊

摘 要：煤礦工程是對(duì)煤礦的一種深度挖掘，煤礦工程的順利開展與人們的生活有很大聯(lián)系。在煤礦工程項(xiàng)目建設(shè)過程中，立井施工通過含水地層是個(gè)較困難的事。尤其是對(duì)于厚度比較大的第四系表土層施工，采用凍結(jié)法有其較大的優(yōu)越性，是較為合理和成熟的方案。為此徐莊煤礦西風(fēng)井井筒表土段施工，優(yōu)先采用了凍結(jié)方法施工，并在工程實(shí)踐中進(jìn)行了有益的嘗試，經(jīng)過一段時(shí)間的嘗試和技術(shù)的改進(jìn)之后，施工中存在的一些問題得到了妥善的解決，與此同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)了這種技術(shù)在實(shí)踐中的優(yōu)越性，這種技術(shù)應(yīng)用到了煤礦工程中后，施工的難度降低了，效果也提升了。同時(shí)也推動(dòng)了工程的高速、高質(zhì)量進(jìn)行。煤礦風(fēng)井井筒的凍結(jié)施工技術(shù)雖然已經(jīng)有了一定的發(fā)展，但是還存在著許多的不完善，這些不完善對(duì)于煤礦工程的順利進(jìn)行有一定程度的影響，影響了工程的質(zhì)量。為了使這些不完善在未來變得完善，必須不斷進(jìn)行實(shí)踐，對(duì)施工的技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的探討，通過創(chuàng)新手段對(duì)施工的過程進(jìn)行優(yōu)化，在實(shí)踐的過程中，我們會(huì)尋找都更多對(duì)施工有益的技術(shù)，以此來提高施工的質(zhì)量。本文就凍結(jié)工藝中的主要參數(shù)和應(yīng)該注意的一些問題，井筒凍結(jié)技術(shù)等相關(guān)問題，進(jìn)行分析，希望能為以后的工程建設(shè)，進(jìn)一步的應(yīng)用凍結(jié)施工提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞：井筒地質(zhì)；凍結(jié)設(shè)計(jì)；施工實(shí)踐

在煤礦工程項(xiàng)目建設(shè)過程中，立井施工通過含水地層是個(gè)較困難的事，尤其是對(duì)于厚度比較大的第四系表土層施工。隨著煤礦建井技術(shù)的進(jìn)一步研究，井筒施工深度在逐漸增加，井筒穿過特殊地層采用普通方法來完成的難度逐漸凸顯出來，施工中存在較大的不確定性。為了克服鑿井過程中地下水的影響和威脅，目前井筒表土段施工主要采用諸如凍結(jié)施工，帷幕注漿等特殊方法。根據(jù)近一二十年礦井施工的經(jīng)驗(yàn)，凍結(jié)法施工的成功案例在實(shí)際運(yùn)用中越來越多。采用凍結(jié)法有其較大的優(yōu)越性，是較為合理和成熟的方案。但在凍結(jié)施工技術(shù)自身不斷完善的過程中，由于工程銜接與配合問題的不同步等，施工中出現(xiàn)了很多問題，不但使得工期被延長(zhǎng)，工程的質(zhì)量也受到了影響。結(jié)合徐莊煤礦西風(fēng)井凍結(jié)工程的實(shí)踐，本文就凍結(jié)工藝中的主要參數(shù)和應(yīng)該注意的一些問題，井筒凍結(jié)技術(shù)等相關(guān)問題，進(jìn)行分析，談?wù)勛约旱捏w會(huì)，希望能為以后的工程建設(shè)，進(jìn)一步的應(yīng)用凍結(jié)施工提供一些借鑒。

1 井筒地質(zhì)、水文地質(zhì)概況

1.1 井筒地質(zhì)概況

徐莊礦西風(fēng)井地質(zhì)檢查孔揭露地層自上而下分別為第四系、上侏羅～下白堊統(tǒng)（J3+K1）、下石盒子組、山西組、太原組。

1.2 水文地質(zhì)概況

1.2.1第四系松散層

第四系巖性主要由粘土、砂質(zhì)粘土及不同粒級(jí)砂層組成。

1.2.2上侏羅～下白堊統(tǒng)礫巖含水層

巖性主要由紫紅色的砂質(zhì)泥巖、礫巖組成，其中礫巖為含水層。

1.2.3下石盒子組

巖性主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉、細(xì)、中、粗砂巖組成。本組含水層為底部的分界砂巖。

1.3 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

1）建議凍土開挖時(shí)凍結(jié)壁平均溫度不應(yīng)小于-10℃。

2）深部粘土的結(jié)冰溫度最低（-1.95℃），說明該深部地層比較難凍結(jié)，在實(shí)際凍結(jié)工程中必須嚴(yán)格控制凍結(jié)壁的溫度。

3）在沒有外部水源補(bǔ)給的條件下，凍土的凍脹率在0.82%～0.93%之間，凍脹力在0.78～1.10MPa之間，屬于弱凍脹土，但在凍結(jié)鑿井過程中，仍要注意凍土的凍脹特性及其對(duì)凍結(jié)管的影響，以及對(duì)井壁的作用。

4）在實(shí)際工程中要盡量縮短凍結(jié)壁的暴露時(shí)間，控制凍結(jié)壁的總變形量，保證凍結(jié)壁的安全，防止凍結(jié)管斷裂。

2 井筒凍結(jié)施工方案

2.1 凍結(jié)深度的確定

結(jié)合西風(fēng)井礫巖含水層深度，為了確保掘砌安全，井筒凍結(jié)深度400m，同時(shí)為了區(qū)別凍土含水層和巖層裂隙水在凍結(jié)過程中，對(duì)冷媒吸收特性的不同，控制凍結(jié)能量分布均衡，凍結(jié)施工方法采用差異凍結(jié)法，其中凍結(jié)深度短管長(zhǎng)220m，長(zhǎng)管400m。

2.2 凍結(jié)方案

2.2.1主凍結(jié)孔

主凍結(jié)孔深度400m/220m。差異凍結(jié)方式，短腿穿過弱風(fēng)化帶，其作用是加強(qiáng)沖積層、風(fēng)化基巖凍結(jié)壁的強(qiáng)度和厚度，基巖中達(dá)到封止水目的。

2.2.2輔助凍結(jié)孔

輔助凍結(jié)孔深度185m，為加強(qiáng)凍結(jié)孔。凍結(jié)深度穿過表土段進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化帶，其作用是確保沖積層凍結(jié)壁厚度與強(qiáng)度，提高凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。同時(shí)實(shí)現(xiàn)井筒提早開挖，防止井筒掘進(jìn)時(shí)片幫。

2.3 凍結(jié)壁設(shè)計(jì)基本參數(shù)

1）積極凍結(jié)期鹽水溫度：-28～-30℃；

2）第四系控制地層凍結(jié)壁平均溫度：-10℃；

3）砂性土層的凍土計(jì)算強(qiáng)度：5.0Mpa；

4）第四系控制地層地壓：

根據(jù)井檢孔資料，選擇沖積層底部砂性土層作為控制層位。即垂深179.65m的中砂層作為控制層，計(jì)算地壓為2.335Mpa；

2.4 凍結(jié)壁厚度計(jì)算

采用多姆克公式計(jì)算砂性土控制層位的凍結(jié)壁厚度：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，確定凍結(jié)壁厚度：E=2.8m。

2.5 安全掘進(jìn)段高校核

以井筒最下部垂深162.65m粘土層作為控制層位，按維亞洛夫——扎列茨基的有限長(zhǎng)塑性厚壁筒公式計(jì)算凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。

根據(jù)凍結(jié)壁形成分析，該工程工作面凍結(jié)狀態(tài)系數(shù)取1.516。

經(jīng)計(jì)算，粘性土層外壁掘砌段高為2.52m，因此段高控制在2.5m之內(nèi)，井筒施工是安全的。

2.6 凍結(jié)孔布置設(shè)計(jì)

2.6.1凍結(jié)孔布置原則

各控制層位凍結(jié)壁厚度均滿足設(shè)計(jì)要求。各控制層位凍結(jié)壁平均溫度均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.6.2主凍結(jié)孔布孔設(shè)計(jì)

鉆孔布置設(shè)計(jì)充分考慮控制地層所需凍結(jié)壁厚度、外側(cè)凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r、鉆孔徑向偏值以及凍結(jié)井筒基巖段安全放炮距離等因素。

綜上相關(guān)因素，主凍結(jié)孔布孔圈徑確定為φ11.8m，凍結(jié)孔數(shù)量N=30個(gè)，實(shí)際開孔間距1.236m。

2.6.3輔助凍結(jié)孔布孔設(shè)計(jì)

根據(jù)凍土發(fā)展速度并結(jié)合井筒具備開挖條件的凍結(jié)時(shí)間，輔助凍結(jié)孔布置圈至掘砌荒徑宜控制在1.0m左右。

基于此，輔助凍結(jié)孔布置圈徑確定φ9.6m，凍結(jié)孔數(shù)量N=12個(gè)；實(shí)際開孔間距2.513m。

3 徐莊煤礦西風(fēng)井井筒凍結(jié)法應(yīng)用分析

3.1 冷卻水水源井的位置

根據(jù)建井規(guī)范要求，凍結(jié)施工期間，特別是積極凍結(jié)期間，必須確保冷卻循環(huán)水的供給。因此，要求施工場(chǎng)地內(nèi)必須將水源井的位置進(jìn)行合理布置，這一點(diǎn)在整個(gè)的井筒凍結(jié)施工中起著很重要的作用。如果選擇的位置不夠恰當(dāng)，會(huì)直接影響整體的凍結(jié)效果。

為了使地下水保持正常的流通，避免人為造成地下水流通加大，影響凍結(jié)壁交圈，最好在凍結(jié)井筒以及其降水漏斗影響的范圍以外或者是地下水的上游布置水源井。根據(jù)規(guī)范要求宜將水源井布置在距離凍結(jié)井筒位置保持在300米以上。

為了保證礦井的最佳使用狀態(tài)，最好是對(duì)礦井及其周圍的其他水源都進(jìn)行調(diào)查，然后將可能對(duì)礦井有影響的水源登記下來，以便及時(shí)對(duì)水位的變化和凍結(jié)井筒水文孔水位的變化進(jìn)行檢測(cè)。如果檢測(cè)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)水位的變化確實(shí)與周圍的水源有關(guān)，就要找清楚兩者之間的聯(lián)系，以免進(jìn)一步影響井筒凍結(jié)的交圈。

3.2 協(xié)調(diào)凍結(jié)制冷與掘砌工程的工期

一般情況下，進(jìn)行凍結(jié)制冷的單位在安排施工時(shí)，會(huì)考慮到自己本身的施工組織設(shè)計(jì)和建設(shè)單位要求達(dá)到的工期，對(duì)于掘砌單位對(duì)于施工的準(zhǔn)備會(huì)不會(huì)與自己這邊脫節(jié)，凍結(jié)制冷單位是不會(huì)考慮的。

很多情況下，井筒凍結(jié)的那一方已經(jīng)準(zhǔn)備好施工的所有條件了，但是掘砌施工的施工方還在準(zhǔn)備中，這樣很容易造成凍土入荒過大，不利于掘砌施工的順利進(jìn)行，還會(huì)造成不必要的工期延長(zhǎng)，使成本增加，對(duì)兩邊來說，都會(huì)造成一定的損失，使之陷入相互索賠的矛盾中。為了盡可能避免這種尷尬狀況的出現(xiàn)，在進(jìn)行建筑招標(biāo)時(shí)，就要首先對(duì)兩者的施工進(jìn)度進(jìn)行規(guī)定，如果因?yàn)樽陨淼脑蛟斐闪穗p方的損失，對(duì)對(duì)方工期延長(zhǎng)要做出相應(yīng)的賠償，賠償多少也要在招標(biāo)時(shí)說清楚，明確雙方的責(zé)任。

但是如果掘砌單位確實(shí)遇到了一些麻煩需要延長(zhǎng)工期，此時(shí)凍結(jié)單位如果根據(jù)實(shí)際情況考慮后決定同樣延遲開機(jī)，開機(jī)后根據(jù)發(fā)展的情況做出及時(shí)的調(diào)整，保證雙方的協(xié)調(diào)，那么凍結(jié)施工方可以不用承擔(dān)責(zé)任。

徐莊煤礦西風(fēng)井由中煤五建公司總包，中煤五建公司第二、第三工程處承擔(dān)凍結(jié)和井筒掘砌施工。兩家施工單位的協(xié)調(diào)比較容易，由此看來，實(shí)行工程總承包方式在工程施工過程的協(xié)調(diào)控制方面，有較為有利的條件。

3.3 選擇合理的開挖時(shí)間

在以前，要想確定凍結(jié)井具體的開挖時(shí)間，根據(jù)水位有規(guī)律上升溢出孔口，只要確定凍結(jié)壁已經(jīng)交圈了，那就可以開挖了。但是如果開挖的時(shí)間過早了，井壁荒徑處的凍土強(qiáng)度不足以抵抗土層側(cè)壓力，井筒開挖后往往會(huì)導(dǎo)致片幫的發(fā)生。在交圈后，最好是不要立即進(jìn)行正式施工，要求進(jìn)行試開挖，同時(shí)段高要求進(jìn)行控制，井壁凍土如果發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度不足，要求及時(shí)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)處理。否則會(huì)因?yàn)槠瑤偷拇嬖?，?duì)施工的安全和工程的質(zhì)量造成威脅。

3.4 段高的選擇

在選擇凍結(jié)井的段高時(shí)，會(huì)受到井筒所處的巖性、掘進(jìn)速度等多方面的影響。根據(jù)公式計(jì)算，并結(jié)合工程施工質(zhì)量安全要求，施工現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)組織的合理性，混凝土井壁在凍土環(huán)境狀態(tài)下強(qiáng)度增長(zhǎng)特點(diǎn)等綜合控制目標(biāo)要求。井筒凍結(jié)初期段高控制在1-2米比較合適。正常凍結(jié)期，凍土層不應(yīng)該超過4米。基巖段根據(jù)圍巖性質(zhì)及完整情況通常要求段高。盡量適應(yīng)模板，特別是整體大模板的要求。通常，國(guó)內(nèi)比較與競(jìng)爭(zhēng)力的施工單位，主要是采用整體金屬大模板作業(yè)方式。對(duì)提升安全，成套設(shè)備選型，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都比較合適。

3.5 套壁施工模板的選擇

整體滑升模板模式最早開始使用是在70年代，但是在當(dāng)時(shí)，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)條件的限制，對(duì)千斤頂是進(jìn)行單雙對(duì)稱布置的，這就使得在使用的過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)滑膜盤扭轉(zhuǎn)、滑升速度不一致導(dǎo)致的傾斜的現(xiàn)象等，但是在后來不斷的摸索中，改進(jìn)、發(fā)展、完善了一些新的技術(shù)，滑膜套壁就是很好的應(yīng)用。但是使用這種方法時(shí)，為了保證井壁的質(zhì)量，必須對(duì)滑升的速度進(jìn)行控制，最好是每一個(gè)小時(shí)只能滑升一次，每次滑升的高度都保持在330毫米之內(nèi)，這樣一來，混凝土的質(zhì)量就可以得到有效的保證。

由于滑升模板加工制作成本較高，操作技術(shù)比較復(fù)雜，設(shè)備維護(hù)管理受井筒狹小空間的限制，有些施工單位不太愿意使用。根據(jù)各地施工經(jīng)驗(yàn)的不同，目前井筒套內(nèi)壁多采用小模板翻模，進(jìn)行套壁作業(yè)。該方法操作簡(jiǎn)單，質(zhì)量也容易控制，井筒混凝土拆模時(shí)強(qiáng)度易于保證。對(duì)澆筑后的井壁質(zhì)量能夠及時(shí)養(yǎng)護(hù)和檢查。使用多套小模板通常為12套金屬小模板。通過依次翻模循環(huán)操作的施工方案完成井壁混凝土澆筑，該法使用也比較普遍。

3.6 厚黏土施工

在施工的過程中，為了確保掘砌施工能夠順利的通過又深又厚的粘土層，常常會(huì)加強(qiáng)井筒單位對(duì)于凍結(jié)運(yùn)行系統(tǒng)的管理，防止意外事故的發(fā)生。除此之外，鹽水的溫度和流量也會(huì)對(duì)工程造成影響，所以也必須進(jìn)行嚴(yán)格的控制。如果需要穿過過于深厚的膨脹粘土層時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)凍土入荒、工作面底鼓進(jìn)測(cè)量等工作。從徐莊煤礦西風(fēng)井凍土段凍土的物理力學(xué)特征看，其膨脹力不大。通過合理組織施工作業(yè)，控制掘砌段高，縮短凍土暴露時(shí)間，減少凍土變形。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求外側(cè)讓壓構(gòu)造施工，確保規(guī)定的混凝土強(qiáng)度，嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量控制，那么就能夠正常通過厚度較大的具有一定膨脹性的黏土層，確保井壁質(zhì)量安全。

4 結(jié)語

實(shí)踐是獲得發(fā)展的唯一道路，沒有實(shí)踐就不會(huì)有更進(jìn)一步的發(fā)展，所以凍結(jié)技術(shù)要想有發(fā)展，就必須不斷深入實(shí)踐。徐莊煤礦西風(fēng)井井筒施工，豐富了凍結(jié)法施工施工的內(nèi)容，拓寬了凍結(jié)法施工的領(lǐng)域，取得了一定的成效。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱邦永，盛小飛，褚衍坡.神華集團(tuán)塔然高勒煤礦風(fēng)井普通法轉(zhuǎn)基巖凍結(jié)法鑿井施工實(shí)踐[J]科技信息，2010.

[2] 吳康寧，宋亞楠.恒源煤礦改建工程井筒凍結(jié)壁設(shè)計(jì)創(chuàng)新及施工實(shí)踐[J].西部探礦工程，2016.