人工冻结法施工技术在我国矿井建设中的应用及分析
2016-05-30杨福见
杨福见
摘 要：冻结法施工技术出现于19世纪的英国，最开始它应用于地下建筑工程用来加固土壤。而冻结法在1882年应用于德国阿尔巴里德煤矿井筒建设。截止20世纪初期在矿山领域人工冻结法已被成功应用60余次。本文主要介绍了人工冻结法施工技术在国内外的施工现状分析，并结合新汶龙固煤矿副立井冻结法施工过程，对人工冻结法加以详细分析。
关键词：煤矿井筒；人工冻结法；应用分析
中图分类号：TD164 文献标识码：A
冻结法施工技术在国内外被广泛应用于地下工程建设，尤其是煤矿井筒建设矿。
冻结法在煤矿上的主要是应用于松软岩层井筒施工，它利用人工制冷技术，把蕴含在松散岩层中的水冻结，进而冻结松散岩层，增加松散岩层的稳定性和强度，以便在形成的冻结壁的保护作用下对松散岩层进行施工作业的一种特殊地下工程施工技术。
1 冻结法施工技术应用现状
1.1 在国外应用现状
国外采用冻结法施工技术应用于煤矿井筒开挖时间比较早，早在1882年该技术就应用到德国阿尔巴里德煤矿井筒建设，并取得圆满成功。
其中德国、英国、波兰、加拿大、比利时及前苏联等国家应用该技术较多，井筒冻结深度最深可达900米，冻结井筒穿过的冲积层厚度最大接近600米。
比如，1978年前苏联雅可夫列夫铁矿二号罐笼井，井筒冻结深度达620米，穿过的冲积层厚度达571.2米。
1974年德国维尔德煤矿风井冻结深度582米，穿过冲积层厚度567米。
波兰的鲁布林煤矿一号井，冻结深度达到725米，冲积层厚度为162米。
但近几十年来，由于国外能源结构的调整，人工冻结施工技术进展缓慢，下表（表1）为国外部分冻结法施工矿井矿井工程：
1.2 国内应用现状
我国于1955年，初次再用人工冻结法施工技术开凿开软林西煤矿的风井井筒，井筒直径达5米，冻结深度105米。
此后人工冻结法在矿井井筒施工中被广泛使用，逐渐东北、华北、华东、中南等地区，其中中国煤炭特殊凿井公司在郭屯煤矿井筒建设过程中采用了人工冻结技术，冻结深度和穿过冲积层厚度分别达702米和587米。
这项工程的完成标志着我国人工冻结法开凿井筒已经达到国际先进水平，特别是近几十年来，随着我国经济、社会发现的需要，人工冻结法凿井技术发展快速，赶上甚至超过其他国家，而且在原有的基础上施工设备和技术得到了很大的改进，理论基础也得到进一步的完善。
据不完全统计，我国在近几十年来，已有多达500个煤矿采用该项技术开凿井筒。下表（表2）为我国近年来冻结法开凿的煤矿井筒：
2 冻结法在煤矿井筒开凿应用实例
1）工程概况。新巨龙煤矿副立井表土层厚567.7米，自下而上揭露第四系、上第三系、二叠系上下石盒子组、山西组、石炭系太原组等底层。其中第四系地层厚度160.7米，上第三系地层厚度407米，二叠系上石盒子组地层厚107.4米。
2）冷冻方案选择。新巨龙煤矿副井井型（直径达7米）表土层厚（厚度达567.7米），且井筒贯通地层具有：深部粘土层含水少，粘土层自由膨胀率高、冻胀量、冻胀力大，具有较强的蠕变性等特点。根据井筒冻结工程施工特点及前人的成功经验，最终采用双全圈孔+辅助冻结方案。
3）施工过程。a.冻结管下方措施。考虑到煤矿表土层厚，粘土层存在孔径收缩等问题，采取以下措施：<1>冻结管在地面预先焊接；<2>改造钻井机机架，使钻机高度大于24米；<3>冻结管随下注水；<4>在保证施工质量的前提下加快焊接速度；<5>組织专业人员对钻孔进行复核、检验。b.钻孔和下管。施工过程中严格按照设计要求和规程规定作业，成孔质量高，复核实验也全部合格。c.冻结运转及井筒开挖。防冻结管断裂措施：<1>加强有效监测，确保掘进到冻结壁内；<2>加强实验研究，采用小段掘进，减少井帮暴露时间；<3>加强冻结壁、井帮的位移监测；<4>减少冻结管温度应力。d.井筒冻结情况。新巨龙煤矿冻结站运转、井筒开挖后，整个盐水系统运行稳定，即继续积极冻结期。表土层掘进期间，冻结壁强度、厚度及井帮温度均达到设计要求。在整个冻结岩土层期间井筒中心冻结扎实，保证了施工的安全。
3结语
本文简要的叙述了冻结法施工在国内外的施工现状，并借助新汶龙固煤矿应用实例对冻结法进行了具体的分析。冻结法不仅能应用于煤矿井筒开拓，随着我国地下工程的发展它应经广泛的应用于各种地下工程，并取得了良好的技术、经济效益。
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