杨村矿主、风井深厚冲积层冻结施工技术

2015-12-17沈华军

西部探矿工程 2015年10期

关键词：杨村矿主冷量

沈华军

（中煤矿山建设集团有限责任公司冻结工程处，安徽淮北235044）

杨村矿主、风井深厚冲积层冻结施工技术

沈华军*

（中煤矿山建设集团有限责任公司冻结工程处，安徽淮北235044）

杨村矿冲积层厚度达538m以上，其下部还有56.35～144.60m厚的红层，地质条件极为复杂。通过采用多排孔冻结方式，施工过程中采取一系列有效的控制手段，主、风井均顺利通过了深厚冲积层的施工，没有出现冻结管断裂及井壁质量事故，积累了许多有价值的施工经验。

杨村矿;深厚冲积层;冻结;冻结管;井壁

1 工程概况

1.1 矿井概况

国投新集能源股份公司杨村矿位于安徽省淮南市凤台县杨村乡境内，是淮南矿区新井建设中冲积层较厚且存在较厚红层的大型矿井。矿井设计能力为5.0Mt/a，采用立井开拓，在工广内设计布置主、副、风三个立井井筒，其井筒净直径分别为Ø7.5m、Ø7.5m、Ø 7.8m，冲积层深度分别为 538.25m、536.65m、538.90m，红层深度分别为 608.10m、670.55m、656.80m，冻结深度分别为723m、725m、800m。主、风井冻结设计及施工通过产学研相结合的方式，科学设计，精心施工，严格管理，两井安全、优质、高效地完成了冻结段的施工，创造了两淮深厚冲积层冻结深度800m最新记录[1]。

1.2 地质概况

淮南矿区冲积层厚度大，钙质粘土层多且埋藏深，具有土层膨胀性大、冻土强度低、冻土蠕变大、冻土导热性能差等特点，井筒掘砌施工时极易发生冻结管断裂，严重时会出现冻结壁垮塌造成淹井事故。杨村矿冲积层厚度达538m以上，在407～447m区域存在近40m厚的钙质粘土层，其含水率为26.56%～27.93%，-15℃冻土导热系数为1.77～1.82 W/(m·k)，-15℃冻土强度为4.2～4.6MPa，土层膨胀率为3.92%～5.26%。冲积层下存在56.35～144.60m厚的红层，其岩性接近松散层性质，地质情况极为复杂。

2 冻结方案设计

2.1 冻结壁设计

针对工程特点，在满足井筒掘砌施工安全的前提下，采用解析计算与工程类比相结合的方式，合理确定冻结壁厚度。冻结孔采用外排+中排+内排+防片孔的布孔方式，其中将中排孔作为主冻结孔，其深度为招标文件要求的冻结深度；外排孔及内排孔深度以穿过表土下的红层为原则；防片孔深度以开挖不片帮的原则进行设计[3-8]。主、风井冻结壁设计参数见表1。

2.2 冻结效果目标设定

冻结的最终目的是为井筒掘砌施工服务，因此，冻结壁各项参数必须以井筒掘砌施工安全为目标合理设计，各项指标应达到标准规范要求[9]，重点应考虑以下因素：

（1）合理确定开挖时间：满足水文孔全部冒水7d后，且井筒掘砌至相应层位冻结壁应达到设计要求。

（2）合理确定掘砌施工参数：掘砌施工速度、段高、空帮时间等必须满足冻结壁安全，且满足井筒连续施工条件。

（3）加强冻掘配合：对于深井冻结而言，300m以浅井帮温度满足井筒掘砌施工不片帮的前提下，可以采用大段高快速施工；300m以深井帮温度必须达到规范要求，同时采用小段高，增加泡沫板厚度，提高井壁混凝土早期强度等办法进行掘砌施工，确保冻结壁安全及井壁质量。

3 冻结施工控制

3.1 合理安排开冻顺序

采取多排孔冻结时，每排孔的供冷系统是相对独立的，在进行冻结准备工作时，应考虑施工能力、施工空间及冻胀力释放等的因素，合理安排各排孔的开冻顺序。为使冻结壁快速交圈，中排孔最先开冻；为释放冻结壁内部冻胀，依次运行内排孔及外排孔，外排孔的开冻时间以满足井筒掘砌至300m以下相应层位时冻结壁达到设计要求为原则。杨村主风井开冻顺序如表2所示。

表1 杨村矿主、风井冻结壁设计参数表

表2 杨村矿主、风井开冻顺序表

3.2 合理进行冷量分配

深井冻结所需冷量非常大，如果不合理分配冷量，既可能造成冷量的大量浪费，又可能对井筒掘砌施工形成不利的施工环境。对于300m以上层位，所需冻结壁厚度较薄，只需考虑井筒掘砌施工时不片帮且有一定的井帮温度即可；300m以下地层，既要考虑冻结壁厚度及平均温度达到设计要求，又要考虑井帮温度达到-8℃以下及井帮变形控制在规范要求之内[2]。故冷量根据以上要求按积极、强化、维护、消极4个冻结阶段动态进行分配控制，其中积极冻结期为开冻至井筒具备开挖条件时期，强化冻结期为井筒开挖至通过控制层位时期，维护冻结期为通过控制层位后至冻结段掘砌施工完毕时期，消极冻结期为井筒套内壁时期。杨村矿主、风井冷量分配控制如表3所示。

表3 杨村矿主、风井冷量分配控制表

3.3 合理调控制冷参数

不同冻结阶段井筒需冷量及盐水温度是不相同的，可以通过调整制冷机组的数量及盐水流量来进实现。积极冻结期井筒上下冻结需求是均等的，冷冻站维持全部机组运行及盐水泵满负荷运转状态以获取最大的冷量供给，从而保证在最短时间内冻结壁快速交圈。强化冻结期冻结需冷量不是主要问题，为使冻土发展速度加快，降低冻结壁平均温度及井帮温度，需要极低的盐水温度，以保证井筒深部控制层位冻结壁的刚度满足井筒施工安全，可以通过保持运行机组数量不变同时减小盐水流量的方式来实现。维护冻结期及消极冻结期通过减少运行机组数量及盐水流量来实现。

杨村矿主、风井以确保安全施工为前提，努力为井筒掘砌施工创造有利条件。在井筒开挖后至掘砌至300m以前，通过合理减少运行机组数量控制盐水温度在-30℃～-32℃范围内运行；300m以下至进入控制层位407m之前，采用降低盐水温度至-34℃来提高冻结壁整体刚度及井帮稳定性能，确保控制层位施工安全；407～447m控制层位施工时，提前关闭内排孔，内排冻结管温度回升其抗变形能力增强，从而减小断管发生；控制层位通过后维持冻结壁正常需冷量运行，直至冻结段井筒掘砌施工结束。

4 冻结信息化预测、预报

冻结法施工是一项地下隐秘性很强的工程，冻结壁的实际状态是无法用工具进行直接测量出来的，因此，开展信息化施工十分必要，只有将冻结制冷的各项参数及井筒施工的各项参数进行检测分析，才能全面掌握冻结壁的实际发展情况。杨村矿主、风井围绕冻结壁温度场发展状况开展了一系列的信息化监测，获得了钻孔偏斜、测温孔温度、井帮温度、井帮位移、冻胀力及井壁受力等数据，通过这些数据资料分析冻结壁的安全性能，为现场施工提供指导。

4.1 测温孔温度的检测

为了解冻结壁温度场发展状况，在冻结壁外侧、内侧及中间位置布置一定数量的测温孔，通过测温孔数据变化规律，分析冻结壁交圈时间、冻结壁厚度及平均温度、井帮温度、冻土发展速度等。杨村矿主、风井分别设计了C1～C6共6个测温孔，其中主井C4（619m）、C6（420m）布置在外排孔外侧，C5（210m）布置在防片孔内侧，C1（723m）、C2（723m）分别布置在中排孔的内、外侧，C3（619m）布置在内排孔的内侧；风井C1（800m）、C2（800m）分别布置在中排孔的内、外侧，C3（667m）布置在外排孔的外侧，C4（667m）布置在内排孔的内侧，C5（210m）布置在防片帮孔的内侧，C6（420m）布置在内排孔的内侧。采用一线总线制计算机自动监测系统，测温仪采用CW-500型仪器，传感器采用DS18B20数字温度传感器，测温分辨率可达0.0625℃。杨村矿主、风井各测温孔温度变化规律如表4所示。

表4 杨村矿主、风井各测温孔温度变化规律表

4.2 冻结壁温度场分析

通过上述资料分析，结合现场实测资料，采用人工计算及ANSYS大型有限元软件计算分析，得出杨村矿主、风井冻结壁实际发展状况，具体见表5。

表5 杨村矿主、风井冻结壁实际发展状况表

4.3 冻结壁变形及冻胀力检测

井筒掘砌施工至深部粘土控制层位时，对井帮位移、底鼓量及井壁与冻结壁之间的冻胀力进行了检测，通过检测数据确定井筒施工参数，为井筒安全施工提供了技术保障。主井在353.7m及406.7m两个层位监测外壁荷载（冻胀力），监测时间分别为91d和29d，其最大数值分别为3.2MPa、4.4MPa，平均值分别为1.9MPa、2.3MPa。检测数据具体见表6。

表6 杨村矿主、风井井帮位移、底鼓量检测表

5 加强冻结与掘砌的配合

5.1 控制冻结温度

冻结施工中，冻结壁厚度、冻结壁平均温度、井帮温度是影响掘砌施工的关键因素，冻结单位应根据施工速度、土层性质、冻土发展速度，适时调整盐水温度及盐水流量。杨村矿主、风井在300m以上盐水温度维持在-30℃～-32℃范围内，井帮温度控制在4℃～-6℃范围内，冻结壁厚度及温度均超过设计要求；300m以下进行了强化冻结，盐水温度降低至-34℃，井帮温度降低至-8℃以下，由于407～447m粘土层冻土发展速度极其缓慢，要求掘砌施工单位提前降低掘砌速度，为冻结赢得更多的时间，从而确保了施工安全[10]。

5.2 调整掘砌参数

根据地层特点，结合冻结实际状况，掘砌、冻结、监理、业主等单位建立联合攻关小组，通过对井帮温度及位移进行监测，合理确定掘砌段高、空帮时间、掘进方法、深厚粘土层相关措施等，施工过程中主、风井没有出现一根冻结管断裂，井壁质量良好，安全顺利通过了冻结段施工。具体施工效果见表7。