井筒冻结法在大贾庄铁矿井建中的应用

荣 辉 黄海鹏

(河北钢铁集团矿山设计有限公司，河北 唐山 063700)

0 引言

大贾庄铁矿主井井口标高+20.5 m，井底标高-662 m，井筒净直径6.0 m，第四系表土层134.2 m，134.2～139.5 m为全风化混合花岗岩，139.5～164.6 m为强风化混合花岗岩(局部夹石英伟晶岩脉)，164.6～174.4 m为中风化混合花岗岩，以上3层风化岩构成基岩风化裂隙含水层(段)，铁质钙质充填，属弱富水性含水层(段)。矿区开采时，第四系砂、卵砾石孔隙水为矿区主要充水因素，基岩风化裂隙及构造裂隙水次之。矿井上部隔水层岩性主要为粉土、粉质粘土及淤泥质粘土，但该层厚度分布不稳定，部分地段因缺失而形成天窗。根据地质勘察和钻孔报告，矿区水文地质条件复杂，第四系含水大，井筒掘进时将受到涌水的严重影响。为避免井筒在掘进中出现大量涌水而造成不必要的损失，在井筒掘进前对第四系和强风化带段井筒采取冻结法施工的方式。

1 设计思路

在大型矿山基建过程中，井筒开掘之前，大都采用第四系冷冻施工技术。该方法不仅能够在保证掘井期间突发涌水情况的出现，也在很大程度上保证施工安全及工程质量，是目前矿井施工较为成熟的一种技术，在我国矿山采用较为普遍。

大贾庄铁矿主井为双箕斗提升，设计净直径6.0 m，第四系多为砂砾及风化层，深度不大，鉴于该井地质条件复杂，涌水较大，故设计在井筒掘砌前采用第四系冷冻施工，以满足掘井安全与质量。井筒掘井为4.0 m模板短掘短砌，待壁座完成后进行壁间壁后注浆，即可对解冻后的第四系涌水进行有效阻隔。该方法施工工期短、效果好，完全能够满足工程要求。

2 冻结参数的确定

2.1 冷冻盐水及控制层温度确定

在井筒冷冻施工过程中，冷冻孔数量、间距、孔深、盐水温度等都对冷冻效果有着很大的影响，对该工艺各项参数的选取必须要充分考虑工程与地质情况，在设计规范及施工经验的基础上充分计算论证。

主井井筒设一个冻结站，选用2台250S-39型水泵作为盐水泵，功率P=75 kW，一台工作，一台备用。冻结站安装3组螺杆制冷压缩机组进行双级压缩制冷，冻结盐水温度T=-28℃～-30℃(积极冻结期)。

根据矿区含水层的富水性、含水介质的结构特征以及地下水的赋存、运移条件，矿区地下水划分为第四系松散岩类孔隙含水层(组)和基岩裂隙含水层(带)。矿区第四系砂砾与风化层的存在，使得矿井上部与基岩段上部均存在着不同程度的水利联系。根据矿井地质构造及赋水情况，确定控制层深度为139.1 m，冻土平均温度：-8℃。

2.2 冻结壁厚度确定

采用第四系冻结的井筒，冻结壁厚度选取的大小不仅关系到将来掘井期间是否过冻至掘进荒径内或不能形成冻结胶圈，所以，冻结壁的厚度选择至关重要。根据经验，一般按多姆克公式计算井筒冻结壁厚度：

(1)

式中：R—井筒掘进荒半径，4.275 m；P—控制层地压，1.81 MPa；[σ]—冻土长时强度，4.4 MPa；E—冻结壁厚度，m。

(2)

2.3 冻结深度确定

根据竖井工程钻孔柱状图及矿井水文地质情况，并根据相关规范要求对冻结孔深度在弱风化风下部适当超深，最终确定大贾庄铁矿主井井筒冻结深度为277 m。

3 冻结孔布置

3.1 冻结孔布置圈径计算

分别按钻孔允许偏斜率和基岩段采用钻爆法施工两种方式计算冻结孔圈径直径，为保证施工安全及工程质量，二者之中取大值。

1)按钻孔允许偏斜率：

D主井=D1+1.1E+2θH=11.8 m

(3)

2)按基岩段采用钻爆法施工：

(4)

上述两种计算方法结果比较，主井冻结孔布置圈直径取12.7 m。

3.2 冻结孔数的确定

为进一步加快冷冻胶圈时间，保证冷冻效果，井筒冻结孔一般采用单圈布置。根据冻结圈径及孔间距，确定冻结孔数为：

N主井=π·D主井/L主井=32个

(5)

式中：L—主井冻结孔开孔间距1.247 m。注：符合《煤矿冻结法开凿立井工程暂行技术规范》第5.6.2条：冻结孔开孔间距，当冻结深度小于300 m时，采用1.00～1.30 m。

3.3 冻结孔布置参数见下表

表1 冻结孔布置参数表

4 冻结孔施工设计

4.1 冻结孔偏斜率控制

严格控制冻结孔偏斜率在设计要求范围之内，确保冻结壁的均匀及稳定性是冻结施工最为重要的一项内容。由于本工程地质条件复杂、钻孔质量要求高，钻孔的深度，则要根据每个孔钻具的长度来计算其深度。冻结孔偏斜检测主要由指导钻进时偏斜监测(不提钻测斜)和成孔偏斜检测。指导钻进偏斜监测，采用JDT-5A型陀螺仪测斜，每30 m测斜一次；成孔偏斜每孔必测，上下复测，对于偏斜及孔间距超过规定者应纠偏。冷冻孔在正常钻进时需根据岩性特点及具体施工情况及时调整钻压、钻速、泵量和泥浆配比等参数。表土段钻孔偏斜率≤2.2钻；基岩段钻孔偏斜率≤3.2段。

4.2 冻结孔终孔间距控制

控制冻结孔内偏值在设计范围内，保证冻结壁有效厚度及井帮温度达到设计值也是冷冻胶圈的关键。所以，冷冻孔施工过程中，必须做好冻结孔终孔间距控制。

开孔前，要对钻机认真找正，使转盘中心、钻孔中心和钻塔提升中心重合，钻机底盘和基础间隙要垫实，确保开孔垂直度；开孔误差不得超过±10 mm。按冻结孔偏斜率的要求，严格控制钻孔偏斜值、方向、径向内偏值等，超过规定则纠偏处理，确保钻孔质量。每30 m布置1个测点，根据具体情况测点可调整，表土与岩石交界面另布置1个测点。钻孔纠偏时，采用5LZ146×7.0螺杆动力钻具配套泥浆泵、陀螺定向仪、长短扶正器、斜向仪微机进行纠偏，最大程度的保证终孔间距满足规范及施工要求。设计表土段最大孔间距：L≤1.86 m；基岩段终孔最大间距：L0≤3.02 m。

4.3 冻结管、供液管的选型

冻结管选用Φ120 mm低碳钢无缝钢管，并用内管箍焊接连接。

供液管选用Φ90 mm液管选用钢管聚乙稀塑料软管。

5 水文孔、测温孔布置设计

5.1 水文孔布置

根据水文地质资料，暂定一个水文孔，孔深H=100 m，以报导第四系冲积层中85.4～98.2 m中粗砂冻结壁交圈情况。水文管采用Φ108 mm粗砂冻结壁交圈低碳钢无缝管，外管箍对焊连接。水文孔花管部位的上、下端，可捆绑一定厚度和高度的海带层，用以封堵承压水。

5.2 温度观测孔布置

主井设计2个测温孔，以观测不同方位，不同土层及冻结壁薄弱部位的温度。测温孔H=277 m。测温孔管选用Φ108 mm的无缝钢管，外管箍对焊连接。

6 具体施工

通过对以上冻结参数的确定，本次冻结孔共施工32个，孔深277 m/个；水文孔1个，孔深100 m；测温孔2个，孔深277 m/个。主井钻孔共计35，累计工程量：9 518 m。通过对以上冻结参数及钻孔成孔质量、进度进行严格控制，各项指标均达到了规范要求，满足了工期要求，实施效果良好，在后期井筒第四系的掘砌过程中，涌水量为4.2 m3/h，达到了预期效果。

7 结语

大贾庄铁矿主井掘砌工程经过冻结施工，使得井筒在第四系和风化段掘进期间没有发生较大涌水，提高了施工的速度，保证了工程的质量与安全。该项目成功实施后，在类似井筒进行了推广实施，效果显著。