斜井冻结工程技术和施工控制要点

孙同仁

（中煤陕西中安项目管理有限责任公司， 陕西 西安 710054）

0 引 言

斜井冻结虽然作为穿越井筒不良地质段的一种比较先进有效的施工技术方法，但在煤矿斜井施工中尚未得到普遍应用。其原因主要是斜井冻结与立井冻结技术相比还未趋于成熟，斜井冻结壁的设计无规范可依，现行的规范只针对立井冻结凿井实施；斜井冻结造孔和冻结工程量巨大，斜井冻结占地面积大、施工技术复杂、冻结费用高昂等，斜井冻结成功案例还不多。

李家坝煤矿三条斜井井筒工程均采用冻结法施工，成功地实现了冻结工程的目标，保证了斜井工程的安全质量和工期要求。笔者就李家坝煤矿斜井冻结工程技术和施工控制要点进行简要介绍，为同类工程项目提供一些相关经验供参考和借鉴。

1 斜井冻结工程概述

李家坝煤矿位于宁夏回族自治区银川市东南约 120 km处。矿井设计规模为 0.9 Mt/a；矿井采用斜井开拓方式，布置主、副、风三条斜井穿越第四系表土层、古近系地层和侏罗系延安组地层等。主斜井斜长 1 462 m，倾角 20°；副斜井斜长 1 462 m，倾角 20°；回风斜井斜长 1 345 m，倾角 24°。

李家坝煤矿三条斜井井筒穿过古近系地层中部(90 m～143 m 之间)有厚度 36 m 的巨厚含水砂层，在井筒掘进过程中极易出现冒顶、涌水、涌砂等严重事故，其施工难度和安全风险巨大。经专家多次论证，李家坝煤矿确定三条斜井井筒穿越古近系中部厚砂层段，均采用冻结法施工。李家坝煤矿斜井冻结工程的设计和施工由天地科技股份有限公司承担，斜井井筒支护设计由中国煤炭科工集团武汉设计院设计，斜井井筒掘砌施工由中煤第 71 工程处承担。

主斜井冻结段从井筒斜长 266.48 m 开始到斜长 429.68 m结束，冻结段斜长 163.2 m；副斜井冻结段从井筒斜长 261.1 m开始到斜长 428.3 m 结束，冻结段斜长 167.2 m；风井冻结段从井筒斜长 215.9 m 开始到斜长 368.6 m 结束，冻结段斜长152.7 m；三条斜井冻结段斜长共计 483.7 m。

2 斜井冻结技术要点

(1)采用地面垂直孔冻结方案，钻孔分区并由浅入深顺序施工。

(2)采用局部冻结方式：①斜井顶板冻结壁厚度以上设计为非冻结段，斜井井筒范围内为冻结段；②非冻结段和井筒开挖断面内中间 1 排孔(风井和副井)或 2 排(主井)采用双管内充填聚氨酯隔热层保温；③采用异径同心冻结管；④中间1 排或 2 排采用同心细径冻结管。

(3)采用分段打钻、分段冻结的工艺，力图造孔、冻结和掘砌的连续施工。将各斜井分成 4 个区段，每个区段长度的划分，考虑到冻结的保温效果以及保证井筒掘砌之间的安全顺利衔接，距离井口近的Ⅰ区段先冻结，距离井口较远的Ⅳ区段最后冻结。分期冻结的时间间隔根据井筒掘进速度和每个区段需要的积极冻结时间确定，理想的情况是井筒掘进到各区段时，该区段的积极冻结时间刚好达到设计要求。

(4)分段冻结壁设计为封闭体冻结帷幕，分段冻结端头冻结管在开挖范围采取正常冻结。

(5)在各井筒冻结段的两端增加一个冻结孔，采用正常冻结以加强端头冻结壁的强度。

(6)各冻结孔设计的盐水流量，积极冻结期为 6 m3/h ～8 m3/h，维护冻结期为 4 m3/h～6 m3/h。每段的前期掘进根据实测的井帮温度、收敛位移分析冻结壁发展情况及掘砌施工速度，适时调整开机台数和盐水流量，为冻结段井筒掘进提供安全、良好的施工环境。

(7)为了预测冻土发展情况以判断冻结壁厚度和平均温度，在每个冻结分段端头的第 3、第 4 冻结孔界面位置及中间 1 排孔的界面位置，设计 3 个测温孔。

(8)冻结段井壁设计采用 36U 型棚(150 mm)网喷混凝土+双层钢筋混凝土(550 mm)反底拱支护；C40 混凝土抗渗等级P6。

3 斜井冻结施工控制要点

3.1 冻结造孔

(1)根据施工基准点，依据冻结施工图布置冻结孔，按冻结孔设计方位要求固定钻机。钻机安装应平稳，在钻孔时不发生位移。

(2)开孔孔位偏差不应大于 20 mm，成孔靶域半径不大于0.5 m，井帮外侧孔向井帮内的偏斜不大于 0.2 m。

(3)在每个钻孔施工前，必须实测孔口的标高；而后与井口标高进行校核计算，调整非冻结段，最终确定钻孔深度。

(4)在钻进过程中，每个孔均要对钻孔的深度和偏斜进行监测。钻孔深度根据钻具长度进行计算；钻孔采用 JDT—6 型陀螺测斜仪进行测斜，配合螺杆钻具进行定向纠偏。定向过程中每 8 m 及时测斜，掌握好偏距和方位角；冻结孔偏斜率不大于 2‰。

3.2 冻结管的保温和下放

(1)冻结管及其接箍、底锥和焊条的品种及规格材质应符合冻结设计要求。冻结管选用φ108×5 mm 和φ127×5 mm 无缝钢管；外管箍采用φ121×6 mm 和φ140×6 mm 无缝钢管焊接连接；供液管为φ75×6 mm 增强塑料管。供液管材应符合低温使用要求。

(2)冻结管处于顶板冻结壁上部非冻结区部分采用 30 mm聚氨酯进行保温处理。保温处理首先要丈量冻结管长度并预留好接头长度(每根保温管上部预留 300 mm)并同时做好记录，然后对冻结管表面进行除锈处理；最后对冻结管外套高密度聚乙烯管并加注聚氨酯，以实现冻结管的保温。

(3)冻结管下入孔内前要先配管。配管长度应符合规范和设计要求，并且控制好保温层深度，逐根丈量、编号和配组，做好原始记录。

(4)当下管过程受阻时，先用人力扭转加压缓冲下管，若无效果，则改用钻机滑车加压。严禁加压过猛或高速向下猛冲，以避免损坏管箍和焊缝。

(5)下放冻结管后，用测斜仪进行测斜，然后复测冻结孔的深度。

(6)冻结管长度和偏斜合格后进行打压试漏。冻结孔试漏压力控制在 2 MPa～2.3 MPa 之间，稳定 30 min 压力无变化者为试压合格。

(7)冻结孔完成和下放管完毕，需进行验收。其验收内容包括严密性、垂直度和孔间距、深度和管内有无充填物等。

①严密性：所有冻结孔按规范要求进行动压试验，以检查与原试压有无出入或有无被临孔打穿、渗漏的现象，并做好验收记录。

②垂直度和孔间距：根据成孔测斜资料，检查开孔间距和终孔间距是否达到设计要求。

③检查冻结孔钻进下管记录，或进行现场实测抽查。冻结管下放深度不小于设计深度、不超过设计深度 0.5 m 为合格；检查管内有无铁锈、泥浆和砂子等沉淀物。

(8)每段钻孔施工结束，经验收冻结管试压、偏斜及孔深全部符合设计要求后，进行冻结器的安装。冻结器安装首先在地面丈量塑料管长度，连接前段配重器和羊角管；然后再进行冻结管内的安装。

3.3 冻结站设备的安装

(1)站内设备主要包括冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷凝器、蒸发器等。站外设立专用厢式变压器，按照设备使用说明书和相关安装规范要求进行设备安装。

(2)在盐水泵、冷冻机、冷凝器等运转设备就位前，将预留孔内清除干净；就位找平后，用混凝土进行二次浇灌。

(3)运转设备就位后用垫铁找平，保证电机和机轴的同心度。

(4)冷凝器安装应保证垂直，不准偏斜和扭转，操作检修平台要牢固可靠。

(5)螺杆机组的固定采用预埋件。预埋时必须按照设计图纸施工要求进行。

(6)冷冻机组的蒸发器及低温管路的保温用软质泡沫塑料；盐水箱、盐水干管用 100 mm 厚的聚苯乙烯泡沫板保温。

(7)温度计、压力表和流量计的安装，要按有关规范规定进行。

(8)在清水池中融化氯化钙，然后泵入盐水箱中，并开盐水泵不断循环，直至盐水浓度达到设计要求。溶解氯化钙时要除去杂质。

(9)机组充氨和冷冻机加油应按照设备使用说明书的要求进行。首先进行制冷系统的检漏和冲洗；在确保系统无渗漏后，再充氨加油。

3.4 管路系统的安装和试漏

(1)管路系统包括氨循环系统、盐水循环系统和冷却水 3个管路系统的安装。氨循环系统安装完毕，应进行压气试漏和真空试漏，并进行保温处理；盐水系统管路安装后，需进行水压试漏和保温处理。

(2)管道组成件及管道支撑件、管道加工件、坡口加工及组对、管道安装的检验数量和标准，应符合相关规范规定。

(3)安装前应对使用的管材进行除锈和清除杂质；管路在应力集中部位应安装软接头。

(4)管材和弯头应按设计图在地面进行试装配并丈量具体长度；试装配合格后进行管路的正式吊装。

(5)盐水和冷却水管路用法兰连接并用管架架设。盐水管路要避免浸水和高低起伏；回路盐水干管的高处和集配液管端部要设放空阀。

(6)盐水管路经试漏和清洗后用泡沫塑料保温。保温层厚度为 100 mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。

(7)氨系统管路压气的试漏试验压力。低压系统应达到1.2 MPa，中压系统达到 1.4 MPa，高压系统应达到 1.8 MPa。初始 6 h 允许压力下降 0.03 MP、以后 18 h 压力不变为合格。

(8)氨系统管路的真空试漏。在压气试漏之后，进一步检查系统在真空条件下的密封性及排除系统中残存的气体和水分，为系统充氨准备条件。系统内真空度为 0.097 MPa～0.101 MPa 水银柱、24 h 后压力在 0.090 MPa～0.093 MPa 水银柱范围内为合格。

(9)管道的水压试漏。试验压力不得小于工作压力的 1.5倍且持续 10 min 不降压、不渗漏。试验前，注液体时应排尽空气；液压试验应缓慢升压，待达到试验压力后，稳压10 min；再将试验压力降至设计压力，停压 30 min。以压力不降、无渗漏为合格。

(10)管道在压力试验合格后，应进行吹扫清洗工作。

(11)管道试压完毕后，应涂两层醇酸防锈漆进行防腐处理。

3.5 管路低温系统的保温施工

(1)管道的保温施工应在管道涂漆合格后进行；施工前，管道外表面应保持清洁干燥。

(2)管道的保温施工材料应有制造厂的质量证明书或分析检验报告；种类、规格及性能应符合设计文件的规定。

(3)需要蒸汽吹扫的管道宜在吹扫后进行保温施工。

(4)氨制冷系统低温设备及管路的绝热层选用聚氨脂橡塑保温材料，拼缝宽度小于 2 mm；其盐水箱四周及顶板均选用厚 50 mm 的聚苯乙烯泡沫塑料板，底部用木锯沫充填。

(5)氨管路、盐水干管及配液管用厚 50 mm 的泡沫塑料管材，内外裹两层塑料薄膜。

(6)低温阀门等不能用泡沫塑料制品绝热的部分，采用优质棉絮加塑料薄膜。

(7)敷设异径管的绝热层时，应将保温层加工成扇形块。

3.6 冻结制冷

(1)冻结系统安装完毕和各系统打压试漏合格后，进行设备调试和试运转。在设备调试和试运转完成且冻结系统运转正常后，进入积极冻结；要求 15 d 内盐水温度降至－20℃ 以下，开挖前盐水温度降至－28℃ 以下。

(2)根据测温孔温度对冻结壁发展情况进行预测，并实测冻结壁温度和厚度达到预计要求后，可进行试挖。如试挖证明冻结壁厚度已达设计要求，方可进行正式开挖。

(3)监测控制进气压力和排气压力、冷却水温度、冷冻机的电流、盐水泵的电流等，综合各参数进行分析，确保制冷系统运转正常；冻结站运转参数每 2 h 记录 1 次。

(4)在进、出盐水干管上安装温度计，监测去、回路盐水温度，并根据设计要求调整制冷量；去、回路盐水温度每 2 h记录 1 次。

(5)在进、出盐水干管上安装压力表，在每个冻结管口安装盐水流量测量回路；试运转时和开挖前，检测各个冻结器的盐水流量，并且通过盐水泵吸水口上和冻结器羊角上的控制阀门对盐水流量进行调整。

(6)根据去、回路盐水温差和盐水总流量估算冻结站的总制冷量。如制冷量小于设计值或理论计算值，应查找原因并且调整冷冻机运转参数或增加冷冻机开机台数。

(7)在冻结器头部安装测温点，监测各冻结器回路盐水温度是否一致(1 次/h)。如发现个别冻结器回路盐水温度明显偏高，应查明原因并及时采取措施进行处理。

(8)测温孔内按 10 m 左右间隔布置温度测点，温度监测系统采用深井温度实时监测仪器。开冻前检测原始地温分布，开冻后每 2 h 记录 1 次温度监测结果。

(9)在斜井开挖期间，对每个新段长都必须进行井帮温度的测量。井帮温度用点温计测量，井帮位移用收敛计测量；井帮温度测点不少于 4 个，井帮位移测点不少于 2 个，测点沿圆周均匀布置。

(10)掘进期间视冻结壁的井帮温度、收敛位移、掘进与支护速度控制盐水温度。正常掘砌下盐水温度维持在－25℃～－28℃。

(11)待第Ⅳ段内层冻结井壁砌筑、井壁强度满足安全要求时，即可停止冻结。停止冻结后，为了防止冻结管导水，需拔出冻结管并用 1∶1 水泥浆充填钻孔。

(12)冻结站运转时，应重点监控因氨泄露引起的中毒、火灾和爆炸等安全防范工作，并监督确保冻结的连续供电，避免冻结体解冻造成井筒开挖过程涌水(溃砂)问题的发生。

3.7 冻结和掘砌配合

(1)在冻结段掘砌中，冻结施工单位必须做好同掘砌施工单位的密切配合工作，合理控制制冷量分配，适时改变循环方法，做到冻土发展速度与井筒掘砌速度相适应。确保冻结体下部不发生解冻(冻结管割断)造成井筒开挖过程涌水(溃砂)；尽可能创造“淌芯”挖掘条件，加快掘砌速度。

(2)掘进至距第Ⅰ冻结段顶板 3 m 时，掘砌单位应停止工作面的掘进，对迎头采用喷浆封闭，并安排专人对工作面的情况进行检查观测，做好同冻结单位等的配合工作。

(3)在掘进过程中，要对开挖范围内的冻结管进行割除。在割除前，冻结单位应排空管内盐水并拔出供液管；掘砌单位在得到冻结单位的专人确认后，方可进行割管工作。在割管的同时，冻结单位应做好掘进前方的下一列冻结管的停冻、排空和拔管等工作。

(4)掘进单位在掘砌中进行割除冻结管或打漏冻结管时，应及时通知冻结单位人员到场并做好冻结管的封堵工作。

(5)掘进单位应为冻结单位检测人员的下井提供方便条件，保证正常检测，及时了解冻结发展情况，为调整冻结参数提供实测数据。

(6)掘进时严禁超挖井帮，防止打漏靠近井帮外的冻结管。

(7)掘砌施工严格按掘砌施工组织设计和作业规程要求等进行。空帮时间不能超过 24 h，做好 3 个距离点控制：每掘进 0.9 m(1.5 架棚)，及时进行架棚和挂网喷浆封闭，并且进行一次支护；每掘进 3 m (5 架棚)的距离，开挖反底拱和架设反底梁；一次支护距离迎头不超过 25 m，进行永久支护。

(8)掘砌过程中对偏斜进入井帮的冻结孔，在确保冻结壁安全的情况下，可以考虑割除；但应征得业主、监理和冻结单位的同意后方可实施。

4 结 语

李家坝煤矿主、副、风三条斜井穿越古近系砂层段均采用中深部冻结法施工。斜井的最大冻结深度为 162 m，其冻结钻孔总长度为 156 600 m，有效冻结总长度为 20 740 m。斜井冻结工程的工程量大、施工技术难度很高。该斜井冻结工程从 2012 年 3 月开始分步实施，到 2014 年 1 月全部结束，斜井冻结效果达到设计目标要求，三条斜井井筒施工均安全顺利地穿越了巨厚含水砂层段，确保了李家坝煤矿斜井工程的安全质量和工期要求。