雅店煤矿副井冻结工程施工技术

中图分类号：U445.55+5

1、工程概况

雅店煤矿位于陕西省咸阳市彬县北极镇内，隶属于彬县煤炭有限公司，为新建矿井，由于井筒涌水量较大采用普通法施工无法通过，特采用特殊法冻结施工。雅店煤矿副井井筒设计直径8.5m，最大开挖荒径11m，井筒深度469.7m，冻结深度为394.5米。

该井筒自上而下依次穿过第四系全新统冲积层（Q4），白垩系下统华池组（k1h）、洛河组（K1l）、宜君组（K1y）。第四系全新统冲积层厚度为9米，上部以薄层亚粘土、亚砂土为主，下部为含水的砂及砂卵砾石层。白垩系下统厚度为399.5米，主要是以洛河组（303米）为主，上部主要由紫红色、浅紫红色中粒砂岩组成，具斜层理，下部主要由紫红色细粒砂岩组成，中夹数层薄层砾岩，岩性主要以中粒砂岩、细砂岩和粗砂岩为主。

根据对钻探取心资料的综合分析井筒地质情况有以下几个特点。

1、第四系全新统冲洪积层岩类，散体结构，上部为薄层再生黄土，下部为砂砾石层，属不稳定地层。白垩系下统均是软弱岩石，具有典型的西部软岩特性，属于弱稳定岩层，力学强度低，稳定性差，对冻结孔施工和井筒开凿会产生不利影响。

2、由于雅店煤矿地处河谷冲击层，水位较高，在造孔期间就出现冻结孔涌水现象，对地沟槽的施工和积极期间冻结产生较大的不利因素，这是本工程的一个重点和难点。

3、井筒涌水量以白垩系下统洛河组砂岩含水层地下水充水为主，松散层与基岩风化层含水层、白垩系下统华池组及侏罗系以下含水层地下水充水为辅，最大涌水量为394.59m3/h，涌水量较大对冻结产生不利影响。

2冻结方案设计

2.1 设计思路和原则

（1）针对工程特点和难点，结合该地区冻结井筒施工经验和教训，设计出技术可靠、经济合理、可操作性强的冻结方案。

（2） 确保本工程冻结壁满足招标文件质量要求、工期要求和煤矿井巷工程优良质量标准。

（3）严格遵守施工技术规范、规程、验收标准等的规定，确保工程质量和工期。

（4）坚持文明施工、科学施工和标准化施工的原则。

2.2 冻结壁厚度计算

冻结壁厚度和冻结壁强度的大小，直接影响井筒掘砌施工安全。

冻结壁厚度E按有限长粘塑性强度条件公式计算，即

按维亚洛夫――扎列茨基公式（有限长极限强度理论公式）计算冻结壁厚度。

地压P根据岩体质量系数评价确定取P=5.846Mpa

掘砌段高h=3.6m进行冻结壁厚度的计算。

冻结控制层位为细粒砂岩，取其最小值4.95Mpa，则-8℃时其抗压强度为4.95×1.6=7.92MPa。安全系数取1.4，7.92÷1.4=5.66 MPa

固约系数取ξ=0.2。

经计算：E副=3.58m

根据计算结果，综合考虑井筒开挖荒径的大小，开挖前冻结时间要求及开挖速度要求，并结合我公司近年来同类工程的施工经验，确定冻结壁厚度：控制层 E =3.8m

2.3 冻结方式选择

根据冻结壁设计的原则，结合冻结壁厚度、掘进荒径的变化及掘进速度要求，结合我单位在该地区多年来井筒冻结施工经验，综合确定冻结孔布置圈直径、开孔间距、冻结深度及冻结方式，以满足冻结壁厚度及平均温度的要求。副井冻结孔设计采用单排孔全深冻结方式。

2.4冻结制冷系统设备选型

井筒冻结需冷量计算

Q =πdnHq （Kcal/h）

式中 d―冻结管直径（m）；n―冻结管数目（个）；H―冻结深度（m）

q―冻结管吸热效率（Kcal/m2・h），本设计取300 Kcal/m2・h

经计算得：冻结需冷量为Q副=208.1×104Kcal/h

按1台双级撬块螺杆制冷压缩机组 LG25L20SY组成的一体压缩工况制冷量为55×104 Kcal/h计算，并保证冻结站具有足够的制冷量和一定的富余系数，选用6台双级撬块螺杆制冷压缩机组工况制冷量为330×104 Kcal/h，完全可满足井筒冻结施工需要。

3 冻结工程施工

3.1 施工简况

2013年1月1日，开始冻结孔施工，3月17日结束，历时76d。在冻结孔施工的同时，进行冻结站设备安装。4月5日，冻结站开机运转。5月27日，120m层位水文孔冒水；5月28日，100m 层位水文孔冒水，标志着冻结壁已交圈。6月1日，井筒具备试挖条件，开始试挖。试挖前冻结了55d，与计划工期一致。

3.2 冻结站安装和运转

（1）按《煤矿井巷工程施工规范》（GB50511―2010）要求及有关标准安装冻结站。冻结设备安装完毕，进行系统打压试漏及抽真空密封性能试验；试验合格后，方可充氨运转。

（2）开机运转后，要对制冷系统、盐水系统、清水系统的各种技术参数进行监测，确保制冷效率。要根据运行中吸、排气压差的变化，不断调整，使设备内、外温差接近，避免出现等容压缩或等容压缩膨胀，从而使机器的耗功最小，运转最经济。要科学选择开机配比，合理调节相关参数。

（3）在冻结前期，多开机组，加大装机制冷量及盐水流量，以达到水文孔提前冒水，井筒提前开挖的目的。井筒开挖后，为实现冲积层段上部少挖或不挖冻土，加快掘进速度，采取控制盐水温度（不超过一30℃）和盐水流量的措施，以控制冻土向内发展速度。掘进至53～150m后，强化冻结，使盐水温度降到一33℃以下，降低冻结壁平均温度，提高冻结壁强度，确保施工安全。

4 施工注意事项

（1）为保证冻结壁厚度、均匀性及稳定性，必须将冻结孔径向偏斜值和冻结孔最大间距严格控制在设计允许范围内。

（2）为防止冻结管断裂，并考虑放炮对冻结管的影响，必须严格控制冻结管焊接质量。内衬管要打坡口，分层焊接成型。

（3）冻结站装机容量要在满足最大需冷量的前提下，留有一定的富余系数，以确保冻结工程施工安全。

（4）井筒掘砌段高和井帮暴露时间应按设计和相关规范要求，结合监测结果，及时加以调整，以确保冻结壁变形量处在控制范围之内。

（5）井筒水文标高高于井筒出现自然涌水现象，为保证冻结壁顺利交圈需要采取加大冻结强度的措施。

（6）井筒地下水流速较大，在掘进穿过洛河组时要提前采取加强冻结的方式，掘进过程中时刻关注井帮温度，以保证洛河组的掘进。

5 结 语

彬长矿区地质条件的一个主要特点，是典型的西部软岩地层，属于弱稳定地层，易发生冻结管断裂，自然水位高，容易出现造孔过程中就发生自然涌水现象，在地沟槽施工和前期积极期冻结期间都要采取专项措施对待。雅店煤矿副井冻结工程，由于设计合理，施工技术措施得当，未发生冻结管断裂等事故；且水文孔提前冒水，井简提前开挖，掘砌速度快，实现了安全快速施工，缩短了工期，降低了施工成本，为立井冻结法施工提供了经验。

参考文献

[1] 吴康宁.周油坊铁矿1#措施井快速冻结施工分析与研究[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2010，30（2）：13-16.

[2]崔云龙主编. 简明建井工程手册[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

[3] 吴康宁.钱营孜煤矿西风井冻结施工技术[J].建井技术，2012，33（5）：7-9，6.

[4] MT/1124-2011，煤矿冻结法开凿立井工程技术规范[S].