鹰骏一矿井筒冻结法施工探讨

【摘 要】论文依据上海庙矿区鹰骏一矿极软弱且富含水岩层的特殊地质条件，通过比较国内的井筒施工方法选择推荐了冻结法，并探讨了井筒冻结法施工过程以及对关键环节的控制。

【关键词】井筒；冻结法；凿井

1.矿井概况

1.1矿井简介

鹰骏一矿属于内蒙古维华矿业有限主任公司所有，井田位于内蒙古鄂托克前旗上海庙矿区南部，设计生产能力6.0Mt/a。矿井开拓方式为立井开拓，工业场地内集中布置主立井、副立井和中央回风立井，井底车场标高为+600m。主立井井筒净直径6.5m，净断面33.2m2，井深739.65m；副立井井筒净直径10.0m，净断面78.5m2，井深776.15m；中央回风立井井筒净直径7.2m，净断面40.7m2，井深755.2m。

1.2矿井地质条件及分析

鹰骏一矿井田范围内地层属于软岩地层，重点层位为白垩系、侏罗系岩层段。软岩是指强度低、孔隙度大、胶结性差、受构造面切割及风化影响显著或大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱层。

井田内地层岩石天然状态下抗压强度较低，数值范围在0～11.0MPa之间，大部分为3.0～6.0MPa，其特点是：（1）岩性为砾岩，含砾粗砂岩，粗砂岩，泥岩等，该岩性抗压强度较低，属软弱岩层，下部（400m以下）岩石抗压强度30-60MPa，岩石较完整；（2）岩性均为泥质胶结，该岩性遇水、空气易出现崩解，砂化和泥化现象；（3）岩层含水丰富，属孔隙、裂隙承压含水层，没有明显的隔水层。

井田内粗砂岩、粉砂岩、中砂岩、细砂岩、泥岩的抗拉强度整体上逐渐减小，前四者抗拉强度都较为接近，泥岩的抗拉强度与其他四者相比较小，仅为0.84MPa。中砂岩、粗砂岩、粉砂质泥岩和泥岩的耐崩解性差，泥岩的膨胀率大；该区域地层岩石饱和强度极低。

在高地应力环境下，或在低岩石强度时，岩石所处的应力状态接近或者超过单轴强度，这时其性能会发生一系列变异性，开挖或者开采扰动后所显示的扰动效应丰富而复杂。

鹰骏一矿地层岩石物理力学特点：（1）岩石强度低；（2）岩石耐崩解性差，遇水强烈崩解；（3）砂岩表现出失水崩解性，表明矿物胶结性能差，未成岩。

2.井筒施工方法比较

我国立井井筒的几种施工方法主要有：帷幕法、沉井法、钻井法、注浆法和冻结法。帷幕法、沉井法施工限制条件较多且井筒成井后偏斜较大，目前已很少应用；钻井法虽可以在岩石硬度较小的白垩系地层施工，但与冲积层相比，其施工难度、费用、工期等都要大许多，特别是在高寒地区，钻井法施工难度会更大，因此，鄂尔多斯地区白垩系地层不适合采用钻井法施工。有可能应用于鄂尔多斯地区白垩系地层的特殊凿井法便是冻结法和注浆法。

注浆法主要适合对地层的裂隙、孔隙和空洞等进行充填封水，但裂隙、孔隙含水地层相比较而言，注浆法更适用于裂隙含水地层。鄂尔多斯地区白垩系地层岩石为泥质或砂泥质胶结、节理裂隙不发育、岩石含水主要为孔隙水，注浆封水效果很差；另外井筒在松软、破碎、强度低的围岩中施工时，井帮在自身重力等压力的作用下易发生坍塌，井筒掘砌施工存在一些不确定因素。多个矿区穿白垩系地层的立井井筒，采用注浆法对含水岩层进行工作面或地面注浆因效果不佳后都被迫改为冻结法施工。

本地区地层中新生界第四系、第三系地层普遍较浅，中生界以白垩系和侏罗系地层为主。此类地层有泥质胶结强度较低、遇水后强度急剧下降、暴露在空气中易风化、以孔隙水为主、注浆效果不明显等特点，因此，根据以上分析，本地区内采用冻结法凿井较为合理。

冻结法施工原理：就是在松散的含水地层或破碎的含水岩层中，在地下工程建设之前，用人工制冷的方法，将地下工程周围的含水岩层、土层冻结成封闭的冻结壁，用以抵抗地压，隔绝冻结壁内、外地下水的联系，然后在冻结壁的保护下进行地下工程建设的施工方法。

3.井筒冻结法施工

根据详尽准确的地质资料和井筒设计参数等资料，编制出有针对性、准确合理的井筒冻结方案是整个冻结工程的核心步骤，冻结方案的编制要针对鹰骏一矿特有的地质条件制定冻结方案，同时要充分考虑到在施工中可能存在或出现的突况，并制定相应的措施，确保矿井凿井工程的顺利施工。

3.1井筒冻结方案

针对鹰骏一矿地质条件特点，不能简单用基岩冻结的理念施工，软岩冻结不仅是封堵水，同时还要综合考虑冻结壁的厚度和强度，以确保掘砌安全。

井筒冻结方案主要包括：（1）确定冻结深度；（2）确定冻结壁厚度；（3）确定冻结布孔圈径、孔数、规格、深度（4）确定水文观测孔、测温孔等内容。

3.1.1确定冻结深度

综合井筒穿过的表土层、风化带、基岩赋存深度、岩性考虑，鹰骏一矿井筒应采用全井深冻结，且应深入井筒全井深15m以上。

3.1.2确定冻结壁厚度

（1）计算原则：冻结壁属于弹性――粘滞体。在外荷载作用下呈现弹性区和塑性区，并产生塑型变形，在计算时要把冻结管布置于冻结壁弹性变形区内。以防止冻结管和冻结壁出现破坏，因此冻结壁厚度既要满足强度条件，又要满足变形条件的要求。

（2）冻结壁厚度计算。随着陕西、内蒙、宁夏、甘肃、新疆等地区的矿井开发采用冻结法特殊凿井，我国的岩石冻结得到了快速的发展。以施工经验为代表的理论得到了快速的应用和发展，但是理论界仍然没有一个成熟的计算依据，以此只能采用表土层的理论计算公式。这样计算的结果偏向于保守。鄂尔多斯地区的白垩系地层遇水后极易崩解，崩解后近似于土层，因此本井筒选取白垩系最下部的层位作为冻结的薄弱环节加以控制。把白垩系地层作为控制层在岩石冻结设计和施工中均取得了安全可靠的效果。冻结壁厚度按照强度极限状态采用维亚诺夫有限长厚壁圆筒公式进行设计。

根据选取的终孔间距、盐水温度、初选的冻结壁厚度以及预计井帮温度，计算冻结壁平均温度；根据初算的冻结壁平均温度，选取抗压强度，再次计算冻结壁厚度；若计算厚度与初选厚度不符，则重复上述两步，重新计算冻结壁厚度，如此运算数遍，至冻结壁厚度和平均温度相适应；如果最后求得的冻结壁厚度太厚或太薄，需对相关系数进行校正，重新计算冻结壁厚度；确定安全掘进段高；深厚冲积层多排孔冻结，对于冻结壁厚度计算，应类比相类似井筒进行相关参数选取。

（3）冻结壁平均温度计算。冻结壁平均温度是确定冻土强度和冻结壁强度、稳定性的基本参数。它主要取决于冻结壁厚度、冻结盐水温度、冻结孔间距、井帮温度以及冻结孔布置方式等因素，要精确计算是相当困难的。从工程实际出发，一般取最大地压水平或冻结设计控制层位的冻结孔最大间距处的主、界面平均温度的平均值作为冻结壁设计计算的依据。

冻土的发展速度确定后，可以确定冻结孔的布置方式。在考虑了冻土的发展速度和冻结壁的设计厚度、强度以及施工时的安全放炮距离等因素，主圈孔采取单圈插花齐腿布置方式，插花间距1.51～1.53m，距荒径距离大于2.4m。

针对白垩系地层冻土发展速度小以及遇水崩解后强度低等特征，增加一圈辅助孔以加强冻结壁的厚度设置。

总结邻近矿井冻结施工经验，上海庙矿区内应采用主孔加辅助孔方式满足冻结壁厚度及强度要求，同时最内侧增设防片孔，防止提前开挖时冻土未扩入井帮。主冻结孔采用差异冻结，减少基岩造孔量和冷量损耗。

3.1.4冻结观测孔

水文孔―报导最深部含水层及主要含水层，不得占提升位置，不得偏入井帮。

测温孔―布置在冲积层终孔（成孔）间距较大的冻结孔界面上，单圈、双圈、三圈孔冻结时每井测温孔数量不应少于3个、4个、5个。

3.2冻结孔施工要求

在钻孔施工中要穿过不同地层，由于地层薄厚及地层结合面岩石强度不同，钻头掘进时受力不均等因素易造成钻头偏斜，影响钻孔整体垂直度，其严重后果就是冻结钻孔互相穿孔，冻结管无法安装，影响冻结壁的形成。所以冻结孔的偏斜精度要求一般要求小于孔间距，否则临近两冻结孔存在穿孔可能。

（1）钻孔施工严禁清水钻进，必须采用大比重优质化学泥浆护壁，以防止砂岩溶解塌孔、避免多含水层之间串水而扰动原始地层和减少缩径量，从而有利于提高钻进速度和钻孔质量（垂直度）。

（2）钻孔时，用大钻头开孔，上部下套管固孔，防止塌孔及上部碎石脱落引起卡钻等事故，为下部钻孔施工提供便利条件，以便提高钻孔质量和缩短钻孔工期。

（3）在冻结孔施工中，煤层顶、底板20m范围内严格控制冻结孔的内偏，适当外偏，以进一步确保冻结圈外冻土的延伸发展，保证顺利过煤层。

3.3冻结控制

先进信息采集系统的应用和测量人员的跟踪监视，为冻结过程分析提供了准确的数据，对冻结壁发展进行积极预判，并提前采取措施，保证了冻结的处于受控状态。

冻结壁交圈时间的判断。受地下水及冻结孔成孔质量的影响，冻结壁交圈时间的判断一直以来都是冻结法施工的重要问题之一。冻结交圈时间交圈判断不准确，易发生交圈不完全、局部有开天窗现象，造成现涌、突水事故；或者交圈冻结时间过长，出现冻结壁发展过厚，将井筒内的围岩冻实，造成开挖难度加大，影响施工掘进速度。

由于冻结孔深入地下，地面技术人员无法直观的观察或观测到地下冻结壁的发展情况，而数字化检测技术的应用为冻结施工提供的可靠地技术依据。通过观察孔内的热电偶测点收集不同层位的围岩温度，通过数值模拟方法，反映孔冻结温度场分布规律和冻结壁的发展速度和范围，为井筒开挖提供最准确的时间点，避免了开天窗或冻实。信息化检测技术为工程管理安上了透视眼。同时可以实时监控冻结站各大系统的正常运转，达到无人看管。

低温环境下井壁高强、高性能混凝土的质量保证。针对冻结井筒内、外壁的特殊养护环境和施工条件，要求外层井壁混凝土应具有早强、高强、防冻性能以防止因早期强度偏低而遭受破坏；要求内层井壁应具有高耐久性、抗裂和防水性，以防止冻结壁解冻后出现井壁较大漏水。同时由于内、外壁均属于大体积混凝土施工，要求混凝土水化热低，以防止井壁出现温度裂缝等。

目前井壁设计厚度多超过0.6m，浇筑段高一般大于3m，属于大体积混凝土，低温环境下施工大体积混凝土井壁，易使井壁产生伸缩裂纹，井壁支护强度难以达到设计值，有必要研究特殊的防裂、抗冻高强混凝土及各种保护措施。因此，对于深冻结井外壁混凝土配合比，必须要掺加矿物掺合料、减小水泥用量，采用高性能混凝土，降低混凝土水化热，防止井壁出现温度裂缝。 [科]