对大南湖十号煤矿主斜井冻结施工技术的探讨

马跃峰

中煤第五建设有限公司第三工程处 江苏 徐州 221140

正文：

1 概况

大南湖十号煤矿主斜井井筒位于新疆维吾尔自治区哈密市东南约70km处，设计主斜井井筒净宽5.2m，净高4.1m，倾角14°。冻结段井壁采用双层井壁，外层厚度80mm，内层厚度720mm；底部为反底拱，反底拱开挖深度1.5m。井筒穿越地层由新到老分别为第四系（Q4）、新近系上新统葡萄沟组(N2p)部分地层。其中，第四系及新近系地层采用冻结法施工，冻结段井壁斜长为203m，垂深范围为68.662～117.772m。

2 工程与水文地质条件

2.1 工程地质

地层由新到老分别为第四系（Q4）、新近系上新统葡萄沟组(N2p)，自上而下穿见地层如下：

(1)第四系松散层（Q）主要为砂质黏土、砾石、中细砂及砂砾石层。与下伏地层不整合接触。钻孔控制地层厚度4.90～11.84m，平均8.33m。

(2)新近系上新统葡萄沟组(N2p)岩性主要为浅红色、绿灰色泥岩、粉砂岩、粗砂岩。多为泥质、粉砂状、粗粒砂状结构，砂岩成分由长石、少量石英及岩屑组成，泥质胶结，胶结程度差，易风化，遇水易膨胀、崩解，多呈柱状、碎块状，松软。与下伏地层不整合接触。钻孔控制地层厚度130.79～233.60m，平均197.83m。

2.2 水文地质

井筒设计掘进层段穿见的含水层自上而下分为三个含水层组，即第四系透水不含水层；新近系上新统葡萄沟组含水层；侏罗系中统西山窑组含水层。现将其水文地质条件分述如下：

2.2.1 第四系透水不含水层

由粗、中、细、粉砂及粉土组成。含砾径为0.2～7cm的砾石，次圆状砾石不一，松散，无胶结。该层处于地表，即使有微量的降水入渗，也形不成饱和的包气带，而耗于其后的强烈蒸发。这些堆积物虽透水性较好，但不具储水条件，为透水不含水层。

2.2.2 新近系上新统葡萄沟组含水层

岩性主要为泥岩、粉砂岩、粗～中粒砂岩、细粒砂岩。泥岩为泥质结构，平坦断口，易风化，遇水易膨胀、崩解，松软。砂岩分别为粗、细、粉砂状结构，成分由长石、少量石英及岩屑组成，泥质胶结，分选差，次棱角～次园状。呈柱状、短柱状、碎块状，较坚硬。揭露该层埋深范围10.40～243.78m，厚度233.38m。简易水文观测未发现有明显消耗。本次井检孔抽水试验结果：单位涌水量0.004082L/s.m，渗透系数0.002341m/d，水位标高689.15m，属于承压裂隙富水性弱含水层。

3 冻结设计

3.1 冻结设计方案

冻结段井壁斜长为203m，垂深范围为68.662～117.772m。冻结起始点倾斜长度确定为253.999m，冻结起始点水平长度确定为246.454m。斜井井筒冻结方案选择及要点如下：

①采用地面打直孔方案，钻孔深度由浅入深。②采用异径冻结方式，斜井顶板冻结壁厚度以上为小管径冻结管（即φ108×5mm无缝钢管），顶板冻结壁厚度及以下采用φ159×5mm的无缝钢管作为冻结管，可节省冻结制冷量。③主斜井冻结斜长203m，水平长度196.97m，均分为5段，每段116个冻结孔。④采用分段打钻、分段冻结工艺，确保造孔、冻结、掘砌连续施工。④为了报道冻结壁交圈情况，每段均设置2个水文孔。水文孔深度、花管位置垂深范围64.5～109m。⑤为了准确提供冻结施工经验数据，掌握第一手原始冻结资料，各段均布设4个测温孔，各段测温孔深度均相同，每段测温孔深度分别为Ⅰ段 70.5m，Ⅱ段80.3m，Ⅲ段90.1m，Ⅳ段99.9m，Ⅴ段109.7m。⑥冻结孔沿井筒开挖方向布置5排，按设计的排距进行布置冻结孔。⑦为了确保每段掘砌施工安全，每段终端孔作为封头孔。⑧各冻结孔盐水流量：积极冻结期10m3/h，维护冻结期6m3/h，并根据井筒冻结发展状况和掘砌施工速度，适时调整开机台数和盐水流量，以及冻结孔运行数量。在冻结壁保证掘砌安全的条件下，为井筒施工创造良好环境。

3.2 主要设计参数

（1）井筒净宽度5.2m，井壁厚度0.8 m，井筒掘进宽度7.0m，井筒净高度4.1 m，反底拱深度1.2m，井筒掘进高度6.4m；（2）冻结孔深度68.662～117.772 m；（3）冻结壁厚度：顶板6m、两帮3m、底板5.5m；（4）冻结壁平均温度顶、底板-12℃，两帮-8℃。（5）冻结孔最大孔间距：外排2.1m，中排2.9m；（6）冻结孔工程量50150.97m，观测孔工程量2685m，钻孔总工程量52835.97m；（7）积极冻结期盐水温度-26～-28℃；（8）维持冻结期盐水温度-20～-22℃；(9冻结站最大需冷量303.65万kcal/h，装机标准制冷量865万kcal/h

4 冻结施工检测

4.1 测温孔温度检测

测温孔共设计20个，每段4个，冻结期间温度变化均正常，反映了冻结壁的正常形成。

4.2 水文孔温度检测

水文孔设计10个，每段2个， 10个水文孔只有2个正常冒水，其余8个孔均未冒水，主要原因为冻结孔间距小，水文孔位于6个左右的冻结孔包围中，冻胀水结冰未冒出管口。

4.3 盐水流量检测与盐水泵运行

2012年11月29日～2013年3月12日，开泵2台，单孔流量6.4～7.3m3/h；2013年3月13日～2013年5月2日，开泵3台，单孔盐水流量6.0m3/h；2013年5月3日至2013年10月4日开泵4台，盐水流量5.4～6.0m3/h。

盐水流量未达到积极期10m3/h，维护期8m3/h。原因为单孔运行方式，没有采取串联运行方式。

4.4 井帮温度检测

井筒开挖后井帮温度检测情况见下表4.1。

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前28m因为冻结时间短，开挖过早导致井帮温度较高，根据实际施工过程分析，采用综掘机掘进方式，两帮井帮温度控制在-10℃，井中温度控制在-8℃，能够保障井筒安全掘砌。

5 冻结运行状况与冻结段掘砌情况

5.1 冻结制冷运行状况

2012年11月29日开机冻结运转，前期投入2台高压冷冻机降温，12月1日冷冻站运转改双级运行，开机1组， 2012年12月23日开机2组，2月23日开机3组，开泵3台，3月21日开机4组，开泵3台，4月17日开机5组，开泵3台。6月28开机4组，7月13日开机3组， 7月21日，冷冻站开机2组，8月1日冷冻站开机调整为1组，一直到10月5日停机，共冻结时间310天。

盐水温度降温曲线如下图：

5.1 盐水温度降温曲线

5.2 冻结段掘砌情况

主斜井冻结段于2013年1月4日试挖，采用炮掘施工，4月19日后改为综掘机。2013年10月6日还剩余400-395m段（即5m）二次支护未完成，冷冻站于2013年10月5日停机。主斜井冻结段各部位矿建掘砌工序时间见表5.1：

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综上，矿建冻结段施工没有达到正规循环要求，从施工到支护，最大时间差达到80天，掘进方式先采取放炮+挖机，施工速度1m/天，后改为综掘机掘进，最快速度达2.5m/天，但因设备保养能力差，期间综掘机损坏3次，每次维修达10天以上，累计影响达30天以上，大大影响施工速度。冻结段施工工序最长时间为139天，基本工序完成时间100天，最后一部位工序完成时间59天还余5m未支护完成。

5.3 冻结段井筒掘砌工序完成时间

表5.2 主斜井各段冻结孔投入及空底、空帮时间

综上：

1）空底时间最长时间为109天，最小时间为23天，平均空底时间为55天。

2）空帮时间最长时间为139天，最小时间为35天，平均空帮时间为80天内。

6 结论

1）矿井地质水文资料的准确性验证：主斜井水文资料根据实际施工反映基本准确，但地质资料有偏差，冻结段终点岩性为砂岩，与设计的泥岩有偏差。建议在长距离斜井冻结，在施工冻结孔时应该重新在起始点和终点进行取芯工作，以验证冻结设计的可靠性。

2）斜井冻结水文孔的设计：目前多数斜井冻结工程未设水位观测孔，对斜井冻结效果的分析缺乏有力依据。主斜井水文孔仅成功冒水2个，8个冻胀水结冰未成功冒水。建议合理设置水文观测孔，以反映冻结交圈的情况。

3）斜井分段封头孔设计：所谓斜井分段设计就是分段加上封头孔，以确保本段内的掘砌安全，从施工看，封头孔设置过多实际起到的效果并不明显，成本反而增加，建议以后设计只在冻结起、始点设计封头孔。

4）斜井冻结壁交圈：通过施工情况分析，正常情况下两帮交圈在29～31天，顶底交圈在33～36天。

5）盐水温度控制：斜井冻结的深度小于200m，且冻结地层都以第四系、第三系浅部地层为主，积极期盐水温度控制在-26℃～-28℃，维护期在-20℃～-22℃，即可满足施工要求。

6）盐水流量控制：本工程施工情况分析，单孔盐水流量积极期8m3/h，维护期5m3/h ，能够满足安全施工的要求。

7）冻结孔的运行方式：针对斜井冻结深度较浅的特点，建议冻结孔的运行方式设计为串联运行方式，可节约运行成本。

8）冻结孔分段投入：斜井冻结冻结孔分段投入的时间应该根据矿建施工的速度、施工方案考虑。放炮施工，控制冻结段在80m，每10天投入10m，综掘机施工，控制冻结段在120m，每10天投入15m左右。

9）边排孔的停止冻结：边排孔的冻结能够维持两侧冻结壁，也能够缓解顶、底冻结壁的解冻，所以何时停止两帮边排孔冻结至关重要，原则是铺底二次支护结束后便停止两帮边排孔的冻结，本工程中最短时间为90天，最长时间为188天，建议边排孔在二次支护结束后再维持15天左右的冻结效果，来缓解冻结壁的解冻为好。

10）空帮、空顶时间控制：建议在斜井冻结施工中，应按照正规循环施工，建议空底时间不超过50天，空帮时间不超过60天。

11）井筒开挖时间确定：斜井井筒冻结段开挖天数宜冻结50天后，井帮温度降至-5℃后。

12）冻结段交界点出水处理：本井筒上部254m采用普通法施工，且上部地层含水，估算出水量达到50m3/h。建议施工前必须采取有效封止水措施，可以采取注浆法或施工排水水仓，但水仓应该设在非冻结段内施工。

13）井帮温度的控制：对于长距离斜井冻结，井帮温度建议控制在-8℃以下。