含水软岩马头门穿越冻结壁技术要点研究

李俊鸿 李 林 季兰明

(1.鄂尔多斯市昊华红庆梁矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 014316；2.天地科技股份有限公司建井研究院，北京 100013； 3.杭锦旗西部能源开发有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 014316)

含水软岩马头门穿越冻结壁技术要点研究

李俊鸿1李 林2季兰明3

(1.鄂尔多斯市昊华红庆梁矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 014316；
2.天地科技股份有限公司建井研究院，北京 100013； 3.杭锦旗西部能源开发有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 014316)

以红庆梁马头门穿越冻结壁施工为例，介绍了掘进过程中防止破坏冻结管需采取的措施，对冻结管内盐水的安全泄出及排放措施、冻结管的截断、加固、封堵等技术进行了详细阐述，以达到良好的施工效果。

冻结管，掘进，含水软岩，措施

1 概述

马头门是立井与平巷连接的竖井底部的支护建筑，古代矿井中多采用4根竖立着的圆木或方木用榫卯法穿越两副平放的方形框架而构成的立方形框架建筑。现代矿井马头门多采用砌块砌筑或采用钢筋混凝土浇筑。西部井筒穿越地层多为软弱岩石，表土覆盖层较薄。岩石遇水后强度下降较大，甚至完全丧失强度。对于西部井筒穿越含水软弱地层，当前采用的主要方法为人工冻结法。人工冻结法是采用人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水冻结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按照设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土压力，隔绝地下水，并在冻土墙的保护下，进行地下工程施工的一种岩土特殊施工方法，常用于竖井工程。当前矿山井筒建设中采用的人工冻结法主要选取氨为制冷剂、氯化钙溶液为冷媒剂，实现井筒所在位置岩土体的人工冻结。而红庆梁煤矿风井马头门底板标高970.45 m。位于冻结段内。因而需要解决马头门穿越冻结壁的施工工艺问题。特别是红庆梁矿马头门所处地层为灰绿色粉砂岩，遇水后强度丧失。如何在保证马头门围岩稳定和快速安全施工的前提下，顺利完成冻结管截断、盐水排放及马头门掘砌是红庆梁矿风井马头门施工能否安全快速的关键。依多年周边相近地层类似工程施工经验综合分析，认为红庆梁马头门穿越冻结壁施工工艺主要应包括以下几部分内容：1)掘进过程中防止破坏冻结管措施；2)冻结管内盐水的安全泄出及排放措施；3)冻结管截断；4)冻结管加固；5)截断冻结管与围岩间空隙的有效封堵[1-10]。

2 技术要点分析

2.1 掘进过程中防止破坏冻结管措施

马头门掘进如采用机械进行掘进，因机械掘进头硬度大，无法及时将前端岩层阻力情况传递给操作人员，容易在掘进过程中对冻结管造成破坏，致使冻结管内盐水泄漏至掘进面。井底围岩浸水，造成三方面的不利影响：1)大量盐水渗入冻结壁岩体，使岩体温度快速回升，冻结壁局部快速解冻，引发淹井事故；2)大量盐水渗入冻结壁岩体，因工作面处软岩遇水后强度完全丧失，形成泥浆，造成工作面泥泞，影响施工进度和设备安全；3)冻结管内低温盐水温度为-25 ℃～-30 ℃，泄漏会造成作业人员冻伤，直接接触皮肤可造成严重冻害，威胁人员安全。

为避免出现上述情况，马头门掘进至冻结管布置圈径所在位置前3 m时，应停止采用机械掘进，改用人工风镐掘进。掘进过程中发现风镐阻力或触感异常时，应减缓掘进速度，直至将马头门施工范围内冻结管完全揭露出来后，再恢复正常掘进速度。

2.2 冻结管内盐水的安全泄出及排放措施

冻结管内盐水比重大，温度低，液柱高，压强大等不利因素造成冻结管内盐水的安全泄出存在一定危险性。经分析比较，拟定冻结管内采用压气排水的方法与下部割孔卸压相结合，解决了底部盐水无法排出的问题，另一方面通过该方案将上部液柱排出后，有效缩短了液柱高度，减小了底部冻结器割管时管内液柱压力，同时缩短了排水时间。经施工验证，采用的施工方案安全省时，仅用时3 h就完成了冻结管的割孔排水工作，且盐水集排措施合理，未造成工作面岩体浸水软化。为马头门安全快速穿越冻结壁创造了有利条件。

2.3 冻结管截断

马头门穿越冻结壁处揭露的冻结管在完成管内盐水的卸压排放后，在冻结管周围拱顶围岩上安设三根锚杆，并成三角形布设。将由φ18钢筋加工成的圆环双面满焊于每根锚杆端部，并在圆环上挂设5 t倒链，倒链另一端与准备截断的冻结管可靠拉结。以便对冻结管进行临时固定，防止截断冻结管时，冻结管因突然丧失底部支撑而下滑，对施工构成不安全因素。每根冻结管必须先采用倒链进行可靠拉结后，方可进行截断。揭露冻结管上部截断时必须搭设临时作业平台，不得站在装载机铲斗内进行割管作业。冻结管截断处应保证割口平直，底端割口应低于设计底板标高5 cm以内，并采用厚度不小于5 mm的钢板满焊封闭。顶部割口应采用同样标准焊接封堵。图1为截断冻结管底部割口。

2.4 冻结管加固

对顶部加固，采用边长400 mm×400 mm×10 mm的钢板，中心割φ140 mm的孔，将钢板套于地沟槽内截断冻结管上部，钢板上表面距冻结管上口距离不小于20 mm，将钢板与冻结管单面满焊。每侧采用2根φ20@80钢筋将各孔钢板连接为整体，钢筋与钢板进行搭焊，图2，图3分别为焊接的剖面图和平面图。

对底部加固，首先需对割除的冻结管管头用闷板进行封堵，需满焊三道，以保证冻结管内充填时不渗漏。在割除的冻结管两侧采用2根锚杆进行加固，用一块500 mm×500 mm×10 mm的钢板套在冻结管上，并进行满焊，将锚杆固定在钢板上。在冻结管管头部位采用一块300 mm×300 mm钢板拖在底部，用4根φ22钢筋与500 mm×500 mm钢板相连，连接处需对钢筋打坡并满焊。如果冻结管底部布设压力盒，可将300 mm×300 mm钢板置于压力盒底部，见图4，图5。

由于侧墙处冻结管未进行割除，为防止因环形空间导水造成冻结管位移，需对未割除冻结管进行加固处理。在马头门侧墙与拱交接的肩部及侧墙中下部位置，每处施工两根锚杆，并采用管卡卡在冻结管上，将管卡用螺栓压紧，然后将管卡满焊在冻结管上，然后将管卡与锚杆采用φ22的钢筋焊接加固，见图6，图7。

2.5 截断冻结管与围岩间空隙的有效封堵

对于截断冻结管与围岩间空隙的封堵措施，当前有效地封堵措施是在马头门钢筋混凝土结构浇筑完成，产生强度后进行壁后注浆充填。所以当施工完成后，可采用临时措施先行封堵。待混凝土结构浇筑时预埋注浆管至截断冻结管底部。在后续的马头门顶板注浆中，应针对该部位进行专门注浆，且应采用在整个施工期间分次注浆。注浆采用少量、多次的原则。保证封水效果。

3 结语

西部竖井建设遇到地下水富存较丰富的地层需穿越时主要采用冻结法。由于软岩地层遇水后强度下降明显，故近年来设计的矿井马头门多穿越冻结壁。而穿越冻结壁技术仍欠完善，对整个工序的技术要点缺乏分析和总结。文章通过对红庆梁煤矿施工过程进行总结，从掘进过程中防止破坏冻结管措施、冻结管内盐水的安全泄出及排放措施、冻结管截断及加固、截断冻结管与围岩间空隙的有效封堵几方面对该工序的技术要点进行了分析总结，为今后相似工程施工提供可靠参考。

[1] 陈 强.西部地区全深冻结井筒马头门破坏机理及修复加固设计研究[D].淮南：安徽理工大学，2013.

[2] 吴龙山.井筒马头门处冻结管周围环形空间处理方法研究[J].山东煤炭科技，2012(4)：43-46.

[3] 潘贵峰.冻结孔安全穿过马头门或硐室施工工艺研究[J].硅谷，2014，40(12)：14-16.

[4] 蔡 堃.冻结井筒马头门施工技术[J].河南科技，2014(9)：8-11.

[5] 代婧瑜，李 林.冻结造孔施工技术要点[J].山西建筑，2014，40(8)：22-24.

[6] 佟 强，杨广详，孙德林，等.冻结立井壁后出水分析及处理[J].建井技术，2014(10)：3-5.

[7] 刘阳军，程志彬，张步俊，等.新庄煤矿副井大流速含水岩层冻结及已建成井壁保护技术[J].建井技术，2014(10)：15-17.

[8] 沈华军.立井冲积层含水层下伏煤层冻结施工技术[J].建井技术，2014(12)：26-28.

[9] 高岗荣.伊犁1号井砾石层冻结窗口注浆处理[J].建井技术，2014(12)：17-19.

[10] 翟所国，张学如.高压力大流速富水软岩地层冻结技术[J].建井技术，2014(12)：32-34.

Research of technical points on the cross of horsehead and freezing wall in water-bearing soft rock

Li Junhong1Li Lin2Ji Lanming3

(1.OrdosHaohuaHongqingliangMiningIndustryCo.,Ltd,Ordos014316,China; 2.InstituteofMineConstructionTiandiScienceandTechnologyCo.,Ltd,Beijing100013,China; 3.HangjinBannerWesternEnergyDevelopmentCo.,Ltd,Ordos014316,China)

Taking the construction of Hongqingliang horse-head gate through the freezing walls as the example, the paper introduces the measures to prevent the freezing pipe from be damaged in the jacking process, and illustrates some techniques, including the safe emission and discharge of salty water in freezing pipes, disconnection of the freezing pipes, the consolidation, and the plugging, so as to achieve the expected construction effect.

freezing pipe, jacking, water containing soft rock, measure

2015-08-23

李俊鸿(1970- )，男，高级工程师； 李 林(1987- )，男，工程师; 季兰明(1989- )，男

1009-6825(2015)31-0096-02

TD350

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