红墩子矿区深厚冲积层冻结法施工实践

陈凤海，张步俊，张 林

（中煤第五建设有限公司 第三工程处，江苏 徐州221140）

1 工程概况

红墩子矿区红四煤矿位于宁夏回族自治区东部，隶属银川市兴庆区管辖。矿井设计生产能力2.4Mt／a，采用立井开拓方式，工业场地内布置主、副、风井三个井筒。其中风井井筒净直径6.0m，井筒设计深度963m，表土深度470.3m，冻结深度642m，最大井壁厚度1.8m，最大开挖荒径9.3m。0～542m段为双层井壁结构，542～624m段为单层井壁结构。

2 井筒地质与水文地质

风井井筒新生界（包括第四系和古近系）松散层厚度470.3m，风化带厚度30.0m。新生界以洪冲积的砂土、亚砂土、亚粘土为主，其中古近系底部半胶结砂岩砾岩，泥质钙质半胶结，分选差，砾径3～5cm，最大15cm，磨圆度差。古近系及基岩风化带孔隙裂隙含水层富水性较强，具有承压性。古近系地层冻土单轴抗压强度小，冻结温度低，具有蠕变特征。特别是古近系底界粉质粘土，在－15℃时冻土单轴瞬时抗压强度仅为4.42MPa，冻结温度－2.4℃。

3 冻结施工设计

设计采用外圈、中圈、内圈3圈冻结孔布置方式，内圈冻结孔分为2圈，差异冻结，采用“梅花状”布置。特别需要说明的，冻结设计主要设计参数是业主提供的，其主要参数见表1。

表1 冻结设计技术参数

序号 项目 单位 风 井24 测 孔 数 个 1／2／1／1 25 温 深 度 m 211／630／474／400 26 孔 规 格 mm Φ89×4 27 水 孔 数 个 1／1 28 文 深 度 m 397／470 29 孔 规 格 mm Φ140×6 30 钻孔工程量 m 54512 31 冷冻站装机标准制冷量 万kal／h 2500 32 造孔施工 d 152 33 开机至试挖 d 75 0～200m／1.475m（至内圈孔）34 冻结孔至荒径之距 m200～370m／2.250m（至中圈孔）370～480m／1.800m（至中圈孔）

4 冻结工程运行

4.1 冻结造孔

井盘布置5台TSJ－2000E型钻机同时施工，2010年5月15日开钻，2010年9月6日造孔结束，历时115天，较设计工期提前37天，实际造孔效率为2844m／台·月。

4.2 制冷温度与冻结孔运行方式调控

2010年9月20日开机试运转，同时对中内圈冻结孔进行供冷，9月23日中内圈盐水回路温度降至0℃以下；9月28日冻结站开始对外圈冻结孔进行供冷，10月2日外圈盐水回路温度降至0℃以下。此时风井井筒全面开始冻结，中内圈及外圈盐水去路温度分别于2010年11月5日、11月21日达到设计温度－32℃以下。

2010年12月10日，井筒外壁掘砌施工至垂深55.5 m、井帮温度－3.2～1.7℃时，关闭内圈冻结孔浅孔停止盐水循环，此时冻结82天。

2011年02月19日，井筒外壁掘砌施工至垂深361.5 m、井帮温度－5.8～－7.8℃时，关闭内圈冻结孔深孔停止盐水循环，此时冻结153天。

2011年4月17日，井筒外壁掘砌施工至垂深459m、井帮温度－6.7～－10.3℃时，关闭外圈冻结孔停止盐水循环，此时冻结209天。

2010年11月22日～12月16日，外圈盐水去路温度－32.2～－32.7℃、温差2.5～4.7℃，中内圈盐水去路温度－32.9～－34.6℃，温差1.9～2.6℃。

2010年12月17日～2011年4月17日，外圈盐水去路温度－33.0～－35.1℃、温差1.0～3.8℃，中内圈盐水去路温度－33.0～－35.5℃、温差1.0～2.3℃。

2011年4月18日～8月11日，中内圈盐水去路温度－24.4～－29.1℃、温差0.5～2.0℃

2011年8月12日停止对风井井筒供冷，实际冻结总工期327天。

5 井筒掘砌施工

2010年11月20日，风井井筒开始试挖锁口，于2010年12月6日正式开挖。2011年5月28日井筒掘砌至垂深－542m（该位置为双层井壁壁座底界），此时井筒停止掘砌施工开始套内壁，2011年7月8日套内壁施工完毕。而后井筒进行下部单层井壁掘砌施工，2011年8月12日井筒掘砌至－624m，此时冻结段掘砌过程已全部完成。

6 冻结施工监测

6.1 水文孔水位变化

1＃水文孔（孔深397m）于2010年11月13日冒水（冻结54天），2＃水文孔（孔深470m）于2010年11月5日冒水（冻结46天）。至此，风井井筒－470m以上地层冻结壁已全部形成。冻结交圈时间较设计提前14天。1＃水文孔水位变化见表2、图1，2＃水文孔水位变化见表3、图2。

表2 1＃水文孔水位变化一览 单位／m

图1 1＃水文孔水位变化曲线

图2 2＃水文孔水位变化曲线

表3 2＃水文孔水位变化一览 单位／m

6.2 冻结壁形成情况检测

井帮温度检测工作是冻结工程信息化施工中不可缺少的一项内容，是检验冻结壁发展变化规律的重要手段。实时检测，而后再进行冻结壁温度场校核分析，及时掌握冻结壁发展状况，为井筒安全顺利连续施工提供可靠保障。井筒掘砌期间，井帮温度及冻土扩展速度实测数据见表4。

表4 井帮温度及冻土扩展速度实测数据一览

7 经验与体会

1）造孔施工过程管控是确保钻孔施工质量、施工进度的关键。红四风井造孔台月效率如此之高，主要在于施工现场强化科学施工管理。施工过程中，视井筒地层实际岩性，合理调配不同性能的化学泥浆，保护好孔壁；同时正确选择钻具组合，做到高钻压、低转速、少刻取；并采取防斜、测斜及纠斜相结合手段。上述措施有利于确保造孔质量，提高造孔速度，缩短造孔工期。

2）通过施工过程控制，红四风井造孔质量达到优良等级，冻结效果明显提高，1＃水文孔、2＃水文孔冻结交圈冒水时间分别比设计提前14天、22天。实践证明，造孔施工质量好坏直接影响井筒冻结壁形成交圈。

3）根据井帮温度检测结果，基本掌握了红墩子矿区新生界松散层（包括第四系和古近系）冻土发展速度和冻结壁发展变化规律，特别是垂深95～260m段冲积层冻土发展速度仅为10～14mm／d，新生界底界铝质粘土冻土发展速度仅为14mm／d左右。从实际揭露的岩性来看，主要原因是含水率低，导热系数小。上述相关数据，为今后该区域类似地层井筒冻结方案设计以及内圈冻结孔布置圈径、开孔间距、冻结深度的确定，具有一定的参考价值。

4）合理调控制冷盐水温度、盐水流量以及冻结孔运行方式，是确保地层冻结壁厚度、强度的冻结施工关键技术，是保证井筒安全连续掘砌施工之前提。

〔1〕王敏建，崔建井.立井筒表土冻结段施工工法探讨 〔J〕.煤炭技术，2005，01.

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