矿山井筒冻结施工工艺与技术措施探讨

摘要：结合矿区井筒的地质特征与水文地质情况，介绍了井筒冻结法施工的特点, 针对施工中遇到的一些如外层井壁局部压坏、透水及涌砂、偏孔等典型问题进行了科学分析, 并提出了相关应对措施, 为类似地层冻结法施工提供了参考。

关键词: 冻结施工原理；施工难题；措施与对策

中图分类号: TD262 文献标识码: A 文章编号:

1 地质特征与水文地质情况

1.1 地质特征

某矿区其地层分布主要为第四系、第三系地层, 第四系厚度为145～185m, 地层主要组成为砾砂、粗粒砂、中砂及细砂岩, 其中包括一些间断的亚粘土和粘土层；第三系地层广泛分布于该煤田区域，厚度为5～115m , 主要组成为泥岩、含泥砂岩和砂砾岩, 其中泥岩居多, 约占37%～86.1%。

1.2 水文地质情况

该矿区第四系、第三系含水层多。分上部、中部及下部含水层, 上部含水层是矿井的主要含水层, 厚度30～60m,由细、中、粗砂组成,含水性、透水性好, 涌水量为11.48L/sm,渗透系数26.65m/d,为承压水, 水位标高64.2m；中部含水层厚度约65～75m 涌水量为4.39L/sm , 渗透系数12.97m/d,为承压水, 水位标高为64.16m；下部含水层透水性较差, 厚度约5m , 涌水量约为0.6L/sm , 渗透系数1.87m/d , 为承压水,水位标高64.72m。

2 冻结法加固地层的原理及特点

冻结法是利用人工制冷的方法，将低温冷媒送入地层，把要开挖体周围的地层冻结成封闭的、连续的冻土墙，以抵抗土压力，并隔绝地下水与开完体之间的联系，然后在封闭的、连续的冻土墙的保护下，进行开挖并做永久支护的一种特殊加固施工方法。进入地层内的冷媒通过进、回管路与地面的热交换站相连，热交换站将冷量送入地层，将地层中的热量带出地层。由此使冻结管周围地层又近向远不断降温，逐渐使地层中的水变成冰，把原来松散或有空隙的地层通过冰胶结在一起，形成不透水的冻土柱。若干个这样的冻土管排列起来，通过管内的冷媒不断循环，冻结管周围的土层就都会变成冻土柱。随着冻土柱的不断扩大，相邻的冻土柱就会相连，彼此通过冰紧密结合在一起，形成密封连续墙。

其特点如下：

密封性好――有自由水就能冻结成冻土，形成冻土墙壁，一阻断地下水的侵入，从而形成较好的施工环境。

强度高――冻土的强度一般可达2～10MPa，其大小一般与土质、容重、含水率、含盐量及温度等因素相关，但均大于融土强度，从而起到结构支撑墙的作用。

适应性强――不仅适用于井建工程，对于多种地下工程，尤其是含水量大，地层软弱的地下工程都可采用。

复原性好――施工结束后，土层易回复原貌，对土层的结构破坏程度小。

绕障性好――可绕过障碍进行冻结加固及施工。

无污染――用电能换取冷能，不污染大气及环境，基本无有害物质排放，对地下水无污染。

3 冻结施工中所遇的问题与技术措施

3.1 外层井壁局部压坏

该矿区风井冻结在71d 内完成, 之后进行井筒开挖。掘至200～210m水平及216水平时, 井壁分别出现压裂现象。为防止外井壁继续变形, 于是引入了井圈加固技术措施, 由单层钢筋改为双层钢筋加固, 同时, 提高混凝土强度指标, 保证了安全施工。

3.2 冻结壁交圈延时

该矿区主、 副、风井冻结共用一个水源井, 距副井1068m ,主、副井广场内设有若干水井, 提供冻结施工用水。冻结开始后,主井、风井未受到水源井抽水影响, 而在相同条件下副井冻结壁则未能在设计时间内完成交圈。经实地考察与研究分析, 不交圈的原因是受水源井抽水的影响所至。于是随后停止使用原水源, 而采用其他途径供水, 尽管交圈时间延长了，但保障了施工质量。

3.3 透水及涌砂

该矿区风井施工由第四系进入第三系泥岩层时,发现泥岩段膨胀比较明显。为缓解冻结壁对混凝土井壁的压力, 在井壁竖筋上每隔0.8 m绑扎18# 槽钢作井圈, 并在冻结壁上均匀布置若干间距为2.37m的竖向应力释放槽, 缩小段高至1.5m。当井筒掘至205m水平时, 出现环向裂隙；在206～208m水平, 发现竖向裂隙；217m水平出现工作面底鼓，冒盐水现象, 经查为3号、10号冻结管断管所致，随后井筒突然透水涌砂, 井筒被淹，井底涌砂高达43.3m,涌砂量1253m3。井筒出水涌砂的主要原因是，冻结管断裂位置处于第三系和第四系地层交界面, 因地层冻胀力不同而产生了剪切力，偏斜度较大也是造成冻结管断裂的原因之一；冻结管断裂后虽未造成透水, 但因下渗化冻、孔间距加大、冻结壁薄弱，最终导致井筒出水涌砂。采取的技术措施为，实施注水填砂施工工艺，即在距3号管孔内侧1.2m的测温管内下套管, 外侧1.4m处测温管内下套管强化冻结，10号管采取同样的措施。之后井筒排水出砂后恢复了施工。

3.4 超前强化冻结

该矿区主井筒冻结50d后较浅的水文孔出现冒水现象, 水位上升10.5m,比提供的水位分别高出1.44m和0.875m , 盐水温差不大, 当时认为冻结壁已交圈"井筒提前21d进行挖掘, 掘至27.7m时, 井筒内水量大于冻胀水量, 冻结壁未交圈。随后又进行了24 d的冻结施工，经再次试挖,发现水文孔仍然溢水, 冻结段仍有进水,随后再次向井内灌水继续冻结。原因分析及措施：经分析认为, 影响冻结的原因是试挖过早, 含水层水位变化较大。采取的措施是，强化冻结,降低盐水温度，加大冻结孔盐水流量，向深水文孔注浆, 以防含水上下流动及裂隙水通过水文孔冒水, 促进冻结壁尽快交圈。

3.5纠斜、偏孔钻进施工

随着钻探工程施工领域不断拓宽，许多工程对钻孔轨迹要求越来越高。主井掘至150.5m水平时，涌水严重，经JDT-5A型陀螺测斜仪检查，孔偏斜率为1.5％，有“穿孔”的可能，为了保证工程质量，必须纠偏。技术措施：采用直径φ159ｍｍ 钻铤６根，在游动滑车不晃动的情况下尽量开高挡即４挡，提高孔内钻具的同心度。在进尺的情况下压力应尽量小，如压力小进尺缓慢时可适当加压。压力控制在40～80kＮ，原则是“轻压吊打”。每次残尺打完后要进行２～３次的快速划眼。其理由是，由于井斜后钻具在自然情况下，钻头和钻具总是靠在井斜反方向的井壁上，这样钻头在快速划眼中，可将井壁多余部分划掉，扩大井径，形成一个和上部垂直的轴线，有利于钻孔的垂直。处理完成后，经陀螺测斜仪检查，钻孔偏斜达到了允许范围。

3.6 混凝土水化热控制

该矿区主井掘至201.5m水平, 准备继续掘进壁座以下井筒冻结段时, 发现壁座段井壁多处涌水。经研究分析发现有以下几个原因: 一是壁座位置处在基岩风化裂隙含水带, 裂隙发育程度不尽相同, 当呈放射状时直接与混凝土壁座接触；二是连续浇注混凝土时,水化热大量增加, 融化裂隙中的冰体,化透冻结壁, 井外水通过裂隙进入井筒；三是冻结孔偏斜,孔间距加大,冻结壁厚度不均, 薄弱环节处先受到破坏。采取的治水措施是，灌水平衡井内外水位，采取冰盖冻结法施工。

4 体会与建议

（1）第四系地层砂类地层多, 结构松散, 含水丰富, 水位压头不一致, 在设置水文孔时, 各部含水层应分设水文孔；第三系地层冻结设计, 宜采用双圈孔或单圈孔插花布置。

（2）合理确定开挖时间, 创造最佳凿井条件, 避免开挖过程中引起片帮或冻结管断裂。采用短段掘砌施工法, 控制井帮位移, 第三系泥岩层施工段高应控制在2.0～2.4m。

（3）保证冻结孔质量是加快冻结壁形成和防止冻结管断裂的关键, 为冻结施工和井筒掘砌打好稳固的基础。

（4）在井壁砌筑时, 使用高强度混凝土, 降低水化热, 合理配置外加剂, 确保井壁初凝时间和持久强度, 同时减小对冻结壁的化冻影响。

作者简介：

石磊（1985―），男，助理工程师。2007年毕业于淮北师范大学电子信息科学与技术专业，现中煤第三建设集团有限责任公司钻井工程处从事工程项目管理工作。