煤矿副井千米深井冻结技术的实践

马宏伟

（晋能控股煤业公司挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西 怀仁 038300）

1 工程概况

甘肃核桃峪煤矿矿区面积191.30 km2，煤炭储量2 116.09 Mt，设计生产能力8.0 Mt/a。井田的开拓方式主斜井—副（风）立井综合开拓方式，副立井井口位于303钻孔南部葛家村附近，副立井井口标高为+1 195 m，井筒净直径为Φ9.0 m，设计井深1 005 m。由于设计前期井筒的地质资料不准确，该井筒最初设计采用普通法进行凿井。但在井筒施工进行至白垩系洛河组砂岩后，由于工作面出水太大无法施工，采取工作面注浆的方法施工了近一年时间，平均月进尺小于5 m，严重影响工程进度与质量。针对这一情况，经专家会论证将施工方法由普通法改为冻结法。但由于井筒穿过地层没有规范所描述的稳定隔水层，原定冻结深度超过井筒底部的煤层，后为防止将地层中的水导入煤层，将冻结深度确定在煤层顶板。在施工第一个冻结孔时进行取芯确认煤层顶板深度，最终确定冻结深度为950 m。

2 副井冻结法施工面临的难点分析

1）井筒需冻结深度过大。

2）井筒上部472 m已经由普通法施工完成，其井壁是按普通法施工设计的。在冻结施工时如何对以普通法施工完成的井壁进行保护是工程的一大难点。

3）由于井筒工作面与所冻结的含水层相通，施工中无法设置水文孔，给冻结壁交圈判断带来很大困难。

4）冻结地层主要为砂岩与砾岩，占总层位的84.45%，不利于钻孔偏斜的控制，对成孔质量期有很大影响。

5）白垩系洛河组含水层厚度大（403.02 m），没有隔水层不能分层、分段交圈提前开挖。针对以上工程特点与难点，采取三大（大圈径、大管径、大开孔间距）（终孔间距）结合千米深井冻结测温技术与实时、异地监测的控制冻结技术进行施工。

3 冻结技术施工方案

3.1 冻结钻孔技术施工

在该煤矿副井冻结钻孔施工中采用6台TSJ—2000型钻机进行冻结孔施工。冲积层采用三牙轮钻头或三翼刮刀钻头钻进，钻头直径Φ215 mm。基岩采用牙轮钻头钻进，钻头直径Φ215 mm。钻具配置为：Φ89 mm钻杆+Φ168 mm钻铤（不少于3根）+钻头。冻结孔孔位根据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。孔位偏差不大于20 mm、不向井心方向偏斜。

设计钻孔偏斜指标：井筒冻结孔偏斜率不大于2.5‰。400 m以上按偏斜率不大于2.5‰控制，400 m以下按靶域1.6 m控制，856 m以上终孔间距最大不大于35 m，856~955 m最大孔间距不大于5.0 m。其中温控孔偏斜率不大于2.5‰、内偏要求小于0.3 m。

冻结孔钻进深度和冻结管下放深度：冻结孔钻进深度应该考虑泥浆沉淀影响，要求冻结管能下到设计深度。冻结管下放深度不小于设计深度，不超过设计深度0.5 m。冻结管采用差异方式布置浅孔856 m，共22个。温控管为127 mm×6 mm的优质20号低碳钢无缝钢管，其余冻结管采用168 mm×6 mm（500 m以上）、168 mm×7 mm（500 m以下）的优质20号低碳钢无缝钢管。供液管为75 mm×6 mm增强塑料管，回液管为130 mm×8 m增强塑料管，供、回液管材应符合低温使用要求。冻结管耐压：冻结管耐压不小于6.5 MPa。实际施工时采用JDT-5型陀螺测斜仪测斜、螺杆纠偏。

钻机台效达到1 800 m/月。钻孔完成后实测最大孔间距35 m，满足设计要求。在副井冻结工程的设计及实施过程中，成功解决了冻结造孔速度缓慢的问题，革新了钻进工艺。

3.2 冻结技术参数

设计冻结圈径19.4 m，冻结孔共布置44个，冻结孔单号深955 m，双号深856 m。

温控孔布置圈径13.4 m；温控孔布置20个，温控孔开孔间距2.096 m。

3.3 井壁保护措施

根据冻结站盐水去回路温度以及井筒的测温孔数据，初步判定冻结壁在正常条件下应该已经交圈。但由于井筒上部已经开挖，工作面与所冻结的含水层连通，没有水文孔来判定冻结壁的交圈情况。为此，只能将整个井筒看成一个大水文孔，加强井筒水位观测，判断井筒水位变化是否符合冻胀水产生的规律，在确认冻结壁交圈的前提下，采用向井内灌水的方法，最终确定冻结壁的强度满足凿井施工要求后，可以同意开挖。

副井井筒排水、试挖需在内外壁之间采用两层厚度为l mm的聚乙烯塑料薄板。塑料薄板极好地达到了内外壁之间的隔离缓冲效果。井壁保护措施：

1）采用大圈径（如果不考虑井壁保护，冻结孔圈直径会缩小3 m左右）单排孔布置冻结孔形式，延长冻结锋面到达井筒荒径的时间，冻结孔布置系数达到传统布置系数（冻结孔到井筒荒径的距离与井筒荒半径之比）的两倍。同时，大圈径冻结管布置为冻结基岩的钻爆施工提供了安全保证，有利于井筒的快速掘进。

2）采用低散热同轴供、回液管冻结器：控制井筒上部冻结孔的散热量，保护上部井筒用普通法施工井壁不受冻结施工的影响，确保它的安全。

3）双供液方式温控孔运转：温控孔是控制冻结锋面发展的重要手段。根据计算在井筒周围适当地方布置一圈温控孔。温控孔采用两种供热水方式进行控制：在冷凝器中冷却水够用的情况下，仅用冷却水进行温控孔循环；在冷凝器中冷却水不够用的情况下采用锅炉加热补充热源。

3.4 工期保证措施

1）采用大管径冻结管（Φ168 mm），加大散热面积实现快速冻结，满足井筒尽快开挖的要求。

2）增加大单孔盐水流量，这样可缩短开挖前的冻结时间。

3）采用分段式控制冻结孔间距技术，在确保了冻结壁快速交圈的同时，还减少了总造孔工程量。

4）采用千米深井分段式靶域外偏控制冻结孔成孔技术进行钻孔偏斜控制，保证冻结壁的按时交圈与安全性。

4 结论

甘肃核桃峪煤矿副井冻结工程采用的控制冻结技术，在保证冻结壁承载能力与实现千米深井冻结凿井快速掘进的同时保护了井筒已成井壁未受冻结施工的影响，做到了安全、可靠、快速掘进，值得我们山西同朔地区煤矿在向纵深发展中借鉴应用。整个副井冻结工程打钻用时358 d，积极冻结120 d，维护冻结296 d（其中井筒掘进162 d，壁座施工及套内壁134 d）。冻结施工结束后，副井井筒总成井涌水量小于4 m3/h，井壁质量优良。在千米深井施工中，没有出现断管、片帮等事故，确保了煤矿副井矿井建设的安全，实现了快速、优质施工，获得了显著的经济与社会效益，为我国事故井筒二次冻结施工及深大井筒冻结施工提供了成功的技术经验，对我国向地球深部进军起到了积极的推动作用。