论文导读:：考虑到在不稳定表土层中施工井筒时,冻结法具有适应性强。预计设计井筒位置的冲积层厚度为214.1m。表1主井掘砌进度及井帮温度表。
论文关键词：冻结，井筒，掘砌
1工程概况
河南焦煤集团白云煤业有限公司新河煤矿位于焦作煤田东部，太行山南麓，行政隶属焦作市所辖的修武县。井田中心西距焦作12km，东南距修武县城3km，交通十分便利。矿井设计生产能力为60万t/a，服务年限为37.5a。采用立井开拓方式，工业广场内设计三个立井，分别为主井、副井和回风井。
根据m上石盒子组岩层（含风化带42.55m）、270.95m下石盒子组岩层、96.25m山西组岩新河矿井新主检孔柱状图和检查孔地质报告分析，井筒自上而下穿过215.1m冲积层、44.75层、35.8m太原组上部L8 ～L9 灰岩（L8 灰岩距二1煤层底板17.75m）。第三、四系冲积层：新主检孔揭露厚度为215.1m科技小论文，主要由灰黄色、灰色、浅灰色、棕红色粘土、钙质粘土、砂质粘土、粘土夹砾石、砾石层和中、细砂层组成。粘土内中往往含大量钙质结核，局部钙质粘土固结程度较高，呈强固结半成岩状态，亦有强固结的砂层出现（如孔深98.20m的一层中、细砂层）论文网。砾石成分多以石灰岩为主，局部为粘土或钙质固结，分选差。新主检孔粘土类厚度75.15m，占总厚度的81.43%；砂、砾石厚度39.95m，占总厚度的18.57%，砂、砾石多分布在孔深140m以下。根据矿井设计，主井在新主检孔的浅部，预计设计井筒位置的冲积层厚度为214.1m；副井在新主检孔的深部，井筒中心距新主检孔74m，预计设计井筒位置的冲积层厚度为218.1m；中央风井预计设计井筒位置的冲积层厚度为211.7m(暂定)。
2方案确定
冻结法井筒施工指的是在井筒开凿之前,用人工制冷的方法,将井筒周围含水松散不稳定的冲积层、基岩含水层进行地层冻结,形成封闭的符合工程安全要求的起到临时保护作用的冻结壁,然后在冻结壁的保护下进行井筒掘砌工作的一种方法。考虑到在不稳定表土层中施工井筒时,冻结法具有适应性强；支护结构灵活、易控制；隔水性好；对环境影响小等优点,冻结法在建井技术中已被广泛应用[1] [2] 。
结合新河矿井地层埋藏深度、单轴抗压强度、蠕变特性等特点，同时考虑确保井筒安全连续施工和上部快速施工，新河矿井主、副、风井井筒表土段及风化基岩采用冻结法施工[3] [4]。
经过反复方案对比优化，确定新河矿主、副、风井井筒冻结方案如下：主井：布置单圈冻结孔，采用差异冻结，差异深度234m。副井：采用主、辅冻结孔共同运转的综合冻结施工方案。主冻结孔采用差异冻结，深孔深度为292m科技小论文，浅孔深度为238m；辅助冻结孔深度为154m。风井：采用两圈冻结孔，梅花桩布置的冻结方案。差异冻结，差异深度232m。限于篇幅，只表主井的参数情况。
|
日期
|
测温深度
|
测温土层
|
东
|
南
|
西
|
北
|
平均
|
|
3月24日
|
31.4
|
粘土
|
1.4
|
0.8
|
1.8
|
0
|
1
|
|
3月30日
|
49.4
|
粘土
|
0.2
|
0.7
|
0.3
|
0
|
0.3
|
|
4月3日
|
63.8
|
砾石
|
-2.7
|
-3.1
|
-1.8
|
-2.8
|
-2.6
|
|
4月10日
|
89
|
粘土
|
-0.6
|
-1.5
|
-1
|
-2.5
|
-1.4
|
|
4月15日
|
114.2
|
粘土
|
-3
|
-2.3
|
-1.4
|
-1
|
-1.925
|
|
4月20日
|
139.4
|
粘土
|
-0.9
|
-2.7
|
-1.7
|
-1.5
|
-1.7
|
|
5月1日
|
168.2
|
砾石
|
-7.1
|
-7.3
|
-7.1
|
-8.3
|
-7.45
|
|
5月10日
|
186.2
|
砂质粘土
|
-6.5
|
-7.1
|
-7
|
-6.6
|
-6.8
|
|
5月14日
|
197
|
砂质粘土
|
-7.3
|
-7.4
|
-7
|
-6.9
|
-7.15
|
|
5月22日
|
211.4
|
砂质粘土
|
-12.6
|
-12.2
|
-10.6
|
-11.4
|
-11.7
|
|
5月27日
|
218.6
|
中砂岩
|
-7.3
|
-9.5
|
-8.1
|
-10.8
|
-8.925
|
|
5月29日
|
225.8
|
中砂岩
|
-13.5
|
-14
|
-14.5
|
-15.6
|
-14.4
|
|
5月30日
|
229.4
|
砂质泥岩
|
-15
|
-15.2
|
-15.8
|
-16.5
|
-15.625
|
|
5月31日
|
233
|
泥岩
|
-16
|
-14.5
|
-15.4
|
-16
|
-15.475
|
|
6月1日
|
336.6
|
泥岩
|
-15.7
|
-15.4
|
-14.8
|
-15.2
|
-15.275
|
表1主井掘砌进度及井帮温度表
图1 井帮温度与掘进深度的关系
图2井帮温度与时间的关系
3井筒掘砌快带施工
3.1施工方案
主、副、风井井筒冻结表土段及冻结基岩段井壁均为双层钢筋砼结构。为加快工程施工速度，保证工程质量，冻结段外壁均采用短段掘砌施工方案，整体金属下行刃脚模板砌壁，掘砌有效段高均为2.5～3.6m；冻结段内壁均采用金属装配式模板自下而上一次套内壁施工。
主井采用人工配合中心回转抓岩机挖土，副井采用挖机与中心回转配合挖土，风井采用人工配合挖掘机或中心回转抓岩机挖掘，外壁支护采用整体金属下行钢模板（段高2.5/3.6m）论文网。
3.2 冻结段掘进
表土段均采用全断面一次掘进，主、风井在工作面采用风镐挖土，副井实现挖掘机与中心回转抓岩机配套作业。冻结基岩段均采用钻爆法掘进，主、风井采用SJZ5.5型（副井采用FJD-6A型）伞钻配YGZ-70型凿岩机凿岩，爆破材料均采用T220防冻水胶炸药，毫秒延期导爆管雷管。根据表土段实际揭露的砾石层采用钻爆法快速施工。
表2井筒主要施工机械化配备表
|
序号
|
设备名称
|
型 号 规 格
|
单位
|
数量
|
备 注
|
|
1
|
提
升
|
井 架
|
Ⅳ
|
座
|
1
|
非标
|
|
绞 车
|
2JK-3.5/20
|
台
|
1
|
800KW
|
|
吊 桶
|
3/2.7m3
|
个
|
2/2
|
|
|
吊 桶
|
DX-2/1.6
|
个
|
2/2
|
其中一个备用
|
|
2
|
稳 车
|
JZ2-10/600
|
台
|
12
|
吊盘4台、模板3台、抓岩机、稳绳、安全梯、动力电缆、放炮电缆各1台
|
|
3
|
伞 钻
|
SJZ5.5配YGZ-70型
|
部
|
1
|
|
|
4
|
抓岩机
|
HZ-4型
|
台
|
1
|
|
|
5
|
装载机
|
ZL-50
|
台
|
2
|
三井共用
|
|
6
|
汽 车
|
10T
|
辆
|
2
|
自卸式
|
|
7
|
离心式风机
|
4-58-11NO.11.25D
|
台
|
1
|
55～75 kw
|
|
8
|
卧 泵
|
DC50-80/7
|
台
|
2
|
其中一台备用
|
|
9
|
搅拌机
|
JS1000
|
台
|
1
|
|
|
10
|
砼配料机
|
PLD1600
|
套
|
1
|
|
|
11
|
吊 盘
|
Φ3.8m
|
副
|
1
|
三层吊盘（层间距4.0/4.5m）
|
|
12
|
压风机
|
5L-40/8、4L-20/8
|
台
|
6+2
|
三井共用
|
|
13
|
外壁模板
|
Φ4.8m(整体金属钢模板)
|
套
|
1
|
段高为2.5/3.6m
|
|
套壁模板
|
Φ4.0m(金属装配式模板）
|
套
|
12
|
高度为1.2m
|
|
14
|
基岩段模板
|
Φ4.0m(整体金属钢模板)
|
套
|
1
|
段高为2.5/3.6m
|
3.3 施工装备
表3新河矿主、风井井筒冻结主要技术参数表
|
序号
|
参数名称
|
单 位
|
主 井
|
风 井
|
|
1
|
井筒净直径
|
m
|
φ4.0
|
φ4.5
|
|
2
|
井壁最大厚度
|
m
|
0.75
|
0.75
|
|
3
|
井筒最大荒径
|
m
|
φ5.6
|
φ6.1
|
|
4
|
冲积层厚度
|
m
|
214.1
|
211.7
|
|
5
|
最低盐水温度
|
℃
|
-28
|
-28
|
|
6
|
冻结壁平均温度
|
℃
|
-8.0
|
-8.0
|
|
7
|
冻结深度
|
m
|
292
|
288
|
|
8
|
需要冻结壁厚度
|
m
|
2.54
|
2.7
|
|
9
|
冻
结
孔
|
布置直径
|
m
|
φ9.1
|
φ10.3/φ9.3
|
|
10
|
冻结深度
|
m
|
292/234
|
288/232
|
|
11
|
孔 数
|
个
|
11/10
|
12/12
|
|
12
|
开孔间距
|
m
|
1.361
|
2.697/2.435
|
|
13
|
冻结管规格(200m以上/200m以下)
|
mm
|
φ159×5/φ159×6
|
|
14
|
测
温
孔
|
孔 数
|
个
|
1/1/1
|
1/1/1
|
|
15
|
深 度
|
m
|
64/215/287
|
61/214/288
|
|
16
|
规 格
|
mm
|
φ108×5
|
φ108×5
|
|
17
|
水
文
孔
|
孔 数
|
个
|
1/1
|
1/1
|
|
18
|
深 度
|
m
|
43/184
|
40/182
|
|
19
|
规 格
|
mm
|
φ108×5
|
φ108×5
|
|
20
|
钻孔工程量
|
m
|
6345
|
7025
|
|
21
|
冻结需冷量
|
万kcal/h
|
69.35
|
77.49
|
|
22
|
冻结站需冷量
|
万kcal/h
|
79.75
|
89.11
|
表4 新河矿副井井筒冻结主要技术参数表
|
序号
|
参 数 名 称
|
单 位
|
副 井
|
|
1
|
井筒净直径
|
m
|
φ6.0
|
|
2
|
井壁最大厚度
|
m
|
0.9
|
|
3
|
井筒最大荒径
|
m
|
φ7.9
|
|
4
|
冲积层厚度
|
m
|
218.1
|
|
5
|
最低盐水温度
|
℃
|
-28
|
|
6
|
冻结壁平均温度
|
℃
|
-8.5
|
|
7
|
冻结深度
|
m
|
292
|
|
8
|
需要冻结壁厚度
|
m
|
3.57
|
|
9
|
主
冻
结
孔
|
布置直径
|
m
|
φ12.5
|
|
10
|
冻结深度
|
m
|
292/238
|
|
11
|
孔 数
|
个
|
15/14
|
|
12
|
开孔间距
|
m
|
1.354
|
|
13
|
冻结管规格(200m以上/200m以下)
|
mm
|
φ159×5/φ159×6
|
|
14
|
辅
助
冻
结
孔
|
布置直径
|
m
|
φ9.8
|
|
15
|
冻结深度
|
m
|
154
|
|
16
|
孔 数
|
个
|
8
|
|
17
|
开孔间距
|
m
|
3.848
|
|
18
|
冻结管规格
|
mm
|
φ127×6
|
|
19
|
测
温
孔
|
孔 数
|
个
|
1/1/1
|
|
20
|
深 度
|
m
|
67/218/290
|
|
21
|
规 格
|
mm
|
φ108×5
|
|
22
|
水
文
孔
|
孔 数
|
个
|
1/1
|
|
23
|
深 度
|
m
|
46/188
|
|
24
|
规 格
|
mm
|
φ108×5
|
|
25
|
钻孔工程量
|
m
|
9753
|
|
26
|
冻结需冷量
|
万kcal/h
|
108.56
|
|
27
|
冻结站需冷量
|
万kcal/h
|
124.83
|
注：冻结深度以井检孔孔口绝对标高+85.42m为±0m起计算
3.4井筒施工
主井井筒3月10日开始试挖；3月10日～5月24日，冻结表土段外壁施工215m，垂深215m；5月25日～6月17日，冻结基岩段外壁(含壁座)掘砌施工69m科技小论文，垂深284m；6月18日～7月9日，冻结段内壁(含壁座)套砌施工281.0m，垂深284m；累计冻结段掘砌122天：
副井井筒3月22日开始试挖；3月22日～6月4日，冻结表土段外壁施工215.2m，垂深215.8m；6月5日～6月28日，冻结基岩段外壁(含壁座)掘砌施工67.7m，垂深283.5m；
6月29日～7月18日，冻结段内壁(含壁座)套砌施工280.0m，垂深283.5m；累计冻结段掘砌122天：
风井井筒3月12日开始试挖；3月12日～5月27日，冻结表土段外壁施工200.8m，垂深201.8m；5月28日～6月20日，冻结基岩段外壁(含壁座)掘砌施工77.6m，垂深279.4m；
6月21日～7月11日，冻结段内壁(含壁座)套砌施工268.4m，垂深279.4m；，累计冻结段掘砌122天。
冻结段外壁施工，采用专业工种“滚班制”作业，即两掘一砌，循环成井3.6m科技小论文，期间项目部出台了“双十分制”班组考核管理制度，从安全、质量、速度、文明施工等方面进行量化考核，定班、定量分解任务，同时每班再进行定岗、定人、定位分工，通过明确分工和奖罚制度，充分调动整个施工队伍的积极性，实现精心组织、快速施工。
4 小结
（1）合理选择结方案、精心选用制冷设备，根据不同施工阶段合理调整盐水流量，控制盐水温度，提高深厚粘土层冻结壁强度。
（2）采用信息化管理为井筒冻结及掘肆施工提供科学的决策依据。
（3）选用合理的掘砌方案，提高砾石层等特殊地层的施工速度是实现井筒快速施工的核心。
参考文献：
[1]任启利;王显理;董金水;冻结法在东平铁矿主副竖井掘砌施工中的研究与应用中国科学院上海冶金研究所；材料物理与化学(专业)博士论文，2000
[2]陆卫国，林稚华，广州地铁建设中冻结法的应用分析[J]。西部探矿工程。2004，6，总第92期：108—109
[3]陈瑞杰，陈国栋等，人工地层冻结应用研究进展和展望[J]，岩土工程学报。2000，22（1）：40-44
[4]薛利兵，黄兴根，城煤矿冻结法凿井的井壁冻胀力的工程实测[J]，煤炭科学技术。2010（9）
|
