沈華軍

（中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司凍結(jié)工程處，安徽淮北235044）

楊村礦主、風(fēng)井深厚沖積層凍結(jié)施工技術(shù)

沈華軍*

（中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司凍結(jié)工程處，安徽淮北235044）

楊村礦沖積層厚度達(dá)538m以上，其下部還有56.35～144.60m厚的紅層，地質(zhì)條件極為復(fù)雜。通過(guò)采用多排孔凍結(jié)方式，施工過(guò)程中采取一系列有效的控制手段，主、風(fēng)井均順利通過(guò)了深厚沖積層的施工，沒有出現(xiàn)凍結(jié)管斷裂及井壁質(zhì)量事故，積累了許多有價(jià)值的施工經(jīng)驗(yàn)。

楊村礦;深厚沖積層;凍結(jié);凍結(jié)管;井壁

1 工程概況

1.1 礦井概況

國(guó)投新集能源股份公司楊村礦位于安徽省淮南市鳳臺(tái)縣楊村鄉(xiāng)境內(nèi)，是淮南礦區(qū)新井建設(shè)中沖積層較厚且存在較厚紅層的大型礦井。礦井設(shè)計(jì)能力為5.0Mt/a，采用立井開拓，在工廣內(nèi)設(shè)計(jì)布置主、副、風(fēng)三個(gè)立井井筒，其井筒凈直徑分別為?7.5m、?7.5m、? 7.8m，沖積層深度分別為 538.25m、536.65m、538.90m，紅 層 深 度 分 別 為 608.10m、670.55m、656.80m，凍結(jié)深度分別為723m、725m、800m。主、風(fēng)井凍結(jié)設(shè)計(jì)及施工通過(guò)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的方式，科學(xué)設(shè)計(jì)，精心施工，嚴(yán)格管理，兩井安全、優(yōu)質(zhì)、高效地完成了凍結(jié)段的施工，創(chuàng)造了兩淮深厚沖積層凍結(jié)深度800m最新記錄[1]。

1.2 地質(zhì)概況

淮南礦區(qū)沖積層厚度大，鈣質(zhì)粘土層多且埋藏深，具有土層膨脹性大、凍土強(qiáng)度低、凍土蠕變大、凍土導(dǎo)熱性能差等特點(diǎn)，井筒掘砌施工時(shí)極易發(fā)生凍結(jié)管斷裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)壁垮塌造成淹井事故。楊村礦沖積層厚度達(dá)538m以上，在407～447m區(qū)域存在近40m厚的鈣質(zhì)粘土層，其含水率為26.56%～27.93%，-15℃凍土導(dǎo)熱系數(shù)為1.77～1.82 W/(m·k)，-15℃凍土強(qiáng)度為4.2～4.6MPa，土層膨脹率為3.92%～5.26%。沖積層下存在56.35～144.60m厚的紅層，其巖性接近松散層性質(zhì)，地質(zhì)情況極為復(fù)雜。

2 凍結(jié)方案設(shè)計(jì)

2.1 凍結(jié)壁設(shè)計(jì)

針對(duì)工程特點(diǎn)，在滿足井筒掘砌施工安全的前提下，采用解析計(jì)算與工程類比相結(jié)合的方式，合理確定凍結(jié)壁厚度。凍結(jié)孔采用外排+中排+內(nèi)排+防片孔的布孔方式，其中將中排孔作為主凍結(jié)孔，其深度為招標(biāo)文件要求的凍結(jié)深度；外排孔及內(nèi)排孔深度以穿過(guò)表土下的紅層為原則；防片孔深度以開挖不片幫的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)[3-8]。主、風(fēng)井凍結(jié)壁設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

2.2 凍結(jié)效果目標(biāo)設(shè)定

凍結(jié)的最終目的是為井筒掘砌施工服務(wù)，因此，凍結(jié)壁各項(xiàng)參數(shù)必須以井筒掘砌施工安全為目標(biāo)合理設(shè)計(jì)，各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求[9]，重點(diǎn)應(yīng)考慮以下因素：

（1）合理確定開挖時(shí)間：滿足水文孔全部冒水7d后，且井筒掘砌至相應(yīng)層位凍結(jié)壁應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）合理確定掘砌施工參數(shù)：掘砌施工速度、段高、空幫時(shí)間等必須滿足凍結(jié)壁安全，且滿足井筒連續(xù)施工條件。

（3）加強(qiáng)凍掘配合：對(duì)于深井凍結(jié)而言，300m以淺井幫溫度滿足井筒掘砌施工不片幫的前提下，可以采用大段高快速施工；300m以深井幫溫度必須達(dá)到規(guī)范要求，同時(shí)采用小段高，增加泡沫板厚度，提高井壁混凝土早期強(qiáng)度等辦法進(jìn)行掘砌施工，確保凍結(jié)壁安全及井壁質(zhì)量。

3 凍結(jié)施工控制

3.1 合理安排開凍順序

采取多排孔凍結(jié)時(shí)，每排孔的供冷系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的，在進(jìn)行凍結(jié)準(zhǔn)備工作時(shí)，應(yīng)考慮施工能力、施工空間及凍脹力釋放等的因素，合理安排各排孔的開凍順序。為使凍結(jié)壁快速交圈，中排孔最先開凍；為釋放凍結(jié)壁內(nèi)部?jī)雒?，依次運(yùn)行內(nèi)排孔及外排孔，外排孔的開凍時(shí)間以滿足井筒掘砌至300m以下相應(yīng)層位時(shí)凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)要求為原則。楊村主風(fēng)井開凍順序如表2所示。

表1 楊村礦主、風(fēng)井凍結(jié)壁設(shè)計(jì)參數(shù)表

表2 楊村礦主、風(fēng)井開凍順序表

3.2 合理進(jìn)行冷量分配

深井凍結(jié)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費(fèi)，又可能對(duì)井筒掘砌施工形成不利的施工環(huán)境。對(duì)于300m以上層位，所需凍結(jié)壁厚度較薄，只需考慮井筒掘砌施工時(shí)不片幫且有一定的井幫溫度即可；300m以下地層，既要考慮凍結(jié)壁厚度及平均溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，又要考慮井幫溫度達(dá)到-8℃以下及井幫變形控制在規(guī)范要求之內(nèi)[2]。故冷量根據(jù)以上要求按積極、強(qiáng)化、維護(hù)、消極4個(gè)凍結(jié)階段動(dòng)態(tài)進(jìn)行分配控制，其中積極凍結(jié)期為開凍至井筒具備開挖條件時(shí)期，強(qiáng)化凍結(jié)期為井筒開挖至通過(guò)控制層位時(shí)期，維護(hù)凍結(jié)期為通過(guò)控制層位后至凍結(jié)段掘砌施工完畢時(shí)期，消極凍結(jié)期為井筒套內(nèi)壁時(shí)期。楊村礦主、風(fēng)井冷量分配控制如表3所示。

表3 楊村礦主、風(fēng)井冷量分配控制表

3.3 合理調(diào)控制冷參數(shù)

不同凍結(jié)階段井筒需冷量及鹽水溫度是不相同的，可以通過(guò)調(diào)整制冷機(jī)組的數(shù)量及鹽水流量來(lái)進(jìn)實(shí)現(xiàn)。積極凍結(jié)期井筒上下凍結(jié)需求是均等的，冷凍站維持全部機(jī)組運(yùn)行及鹽水泵滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)以獲取最大的冷量供給，從而保證在最短時(shí)間內(nèi)凍結(jié)壁快速交圈。強(qiáng)化凍結(jié)期凍結(jié)需冷量不是主要問(wèn)題，為使凍土發(fā)展速度加快，降低凍結(jié)壁平均溫度及井幫溫度，需要極低的鹽水溫度，以保證井筒深部控制層位凍結(jié)壁的剛度滿足井筒施工安全，可以通過(guò)保持運(yùn)行機(jī)組數(shù)量不變同時(shí)減小鹽水流量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。維護(hù)凍結(jié)期及消極凍結(jié)期通過(guò)減少運(yùn)行機(jī)組數(shù)量及鹽水流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

楊村礦主、風(fēng)井以確保安全施工為前提，努力為井筒掘砌施工創(chuàng)造有利條件。在井筒開挖后至掘砌至300m以前，通過(guò)合理減少運(yùn)行機(jī)組數(shù)量控制鹽水溫度在-30℃～-32℃范圍內(nèi)運(yùn)行；300m以下至進(jìn)入控制層位407m之前，采用降低鹽水溫度至-34℃來(lái)提高凍結(jié)壁整體剛度及井幫穩(wěn)定性能，確?？刂茖游皇┕ぐ踩?07～447m控制層位施工時(shí)，提前關(guān)閉內(nèi)排孔，內(nèi)排凍結(jié)管溫度回升其抗變形能力增強(qiáng)，從而減小斷管發(fā)生；控制層位通過(guò)后維持凍結(jié)壁正常需冷量運(yùn)行，直至凍結(jié)段井筒掘砌施工結(jié)束。

4 凍結(jié)信息化預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)

凍結(jié)法施工是一項(xiàng)地下隱秘性很強(qiáng)的工程，凍結(jié)壁的實(shí)際狀態(tài)是無(wú)法用工具進(jìn)行直接測(cè)量出來(lái)的，因此，開展信息化施工十分必要，只有將凍結(jié)制冷的各項(xiàng)參數(shù)及井筒施工的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)分析，才能全面掌握凍結(jié)壁的實(shí)際發(fā)展情況。楊村礦主、風(fēng)井圍繞凍結(jié)壁溫度場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r開展了一系列的信息化監(jiān)測(cè)，獲得了鉆孔偏斜、測(cè)溫孔溫度、井幫溫度、井幫位移、凍脹力及井壁受力等數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)資料分析凍結(jié)壁的安全性能，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo)。

4.1 測(cè)溫孔溫度的檢測(cè)

為了解凍結(jié)壁溫度場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r，在凍結(jié)壁外側(cè)、內(nèi)側(cè)及中間位置布置一定數(shù)量的測(cè)溫孔，通過(guò)測(cè)溫孔數(shù)據(jù)變化規(guī)律，分析凍結(jié)壁交圈時(shí)間、凍結(jié)壁厚度及平均溫度、井幫溫度、凍土發(fā)展速度等。楊村礦主、風(fēng)井分別設(shè)計(jì)了C1～C6共6個(gè)測(cè)溫孔，其中主井C4（619m）、C6（420m）布置在外排孔外側(cè)，C5（210m）布置在防片孔內(nèi)側(cè)，C1（723m）、C2（723m）分別布置在中排孔的內(nèi)、外側(cè)，C3（619m）布置在內(nèi)排孔的內(nèi)側(cè)；風(fēng)井C1（800m）、C2（800m）分別布置在中排孔的內(nèi)、外側(cè)，C3（667m）布置在外排孔的外側(cè)，C4（667m）布置在內(nèi)排孔的內(nèi)側(cè)，C5（210m）布置在防片幫孔的內(nèi)側(cè)，C6（420m）布置在內(nèi)排孔的內(nèi)側(cè)。采用一線總線制計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)溫儀采用CW-500型儀器，傳感器采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃。楊村礦主、風(fēng)井各測(cè)溫孔溫度變化規(guī)律如表4所示。

表4 楊村礦主、風(fēng)井各測(cè)溫孔溫度變化規(guī)律表

4.2 凍結(jié)壁溫度場(chǎng)分析

通過(guò)上述資料分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，采用人工計(jì)算及ANSYS大型有限元軟件計(jì)算分析，得出楊村礦主、風(fēng)井凍結(jié)壁實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，具體見表5。

表5 楊村礦主、風(fēng)井凍結(jié)壁實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r表

4.3 凍結(jié)壁變形及凍脹力檢測(cè)

井筒掘砌施工至深部粘土控制層位時(shí)，對(duì)井幫位移、底鼓量及井壁與凍結(jié)壁之間的凍脹力進(jìn)行了檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)確定井筒施工參數(shù)，為井筒安全施工提供了技術(shù)保障。主井在353.7m及406.7m兩個(gè)層位監(jiān)測(cè)外壁荷載（凍脹力），監(jiān)測(cè)時(shí)間分別為91d和29d，其最大數(shù)值分別為3.2MPa、4.4MPa，平均值分別為1.9MPa、2.3MPa。檢測(cè)數(shù)據(jù)具體見表6。

表6 楊村礦主、風(fēng)井井幫位移、底鼓量檢測(cè)表

5 加強(qiáng)凍結(jié)與掘砌的配合

5.1 控制凍結(jié)溫度

凍結(jié)施工中，凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)壁平均溫度、井幫溫度是影響掘砌施工的關(guān)鍵因素，凍結(jié)單位應(yīng)根據(jù)施工速度、土層性質(zhì)、凍土發(fā)展速度，適時(shí)調(diào)整鹽水溫度及鹽水流量。楊村礦主、風(fēng)井在300m以上鹽水溫度維持在-30℃～-32℃范圍內(nèi)，井幫溫度控制在4℃～-6℃范圍內(nèi)，凍結(jié)壁厚度及溫度均超過(guò)設(shè)計(jì)要求；300m以下進(jìn)行了強(qiáng)化凍結(jié)，鹽水溫度降低至-34℃，井幫溫度降低至-8℃以下，由于407～447m粘土層凍土發(fā)展速度極其緩慢，要求掘砌施工單位提前降低掘砌速度，為凍結(jié)贏得更多的時(shí)間，從而確保了施工安全[10]。

5.2 調(diào)整掘砌參數(shù)

根據(jù)地層特點(diǎn)，結(jié)合凍結(jié)實(shí)際狀況，掘砌、凍結(jié)、監(jiān)理、業(yè)主等單位建立聯(lián)合攻關(guān)小組，通過(guò)對(duì)井幫溫度及位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，合理確定掘砌段高、空幫時(shí)間、掘進(jìn)方法、深厚粘土層相關(guān)措施等，施工過(guò)程中主、風(fēng)井沒有出現(xiàn)一根凍結(jié)管斷裂，井壁質(zhì)量良好，安全順利通過(guò)了凍結(jié)段施工。具體施工效果見表7。

表7 楊村礦主、風(fēng)井掘砌施工效果表

主井表土段外壁掘砌平均速度為60.4m/月，基巖段外壁掘砌平均速度為49.1m/月，套壁速度為221m/月，凍結(jié)段井筒綜合成井速度為42.45m/月。

風(fēng)井表土段外壁掘砌平均速度為56.6m/月，基巖段外壁掘砌平均速度為46.5m/月，套壁速度為255m/月，凍結(jié)段井筒綜合成井速度為40.9m/月。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）楊村礦深厚沖積層采用外排+中排+內(nèi)排+防片孔的凍結(jié)方案是成功的，該方案既保證了淺部井筒開挖不片幫，又保證了深部?jī)鼋Y(jié)壁各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，施工過(guò)程中沒有出現(xiàn)凍結(jié)管斷裂及井壁質(zhì)量事故，保證了井筒施工安全。

（2）深厚沖積層采用多排孔凍結(jié)時(shí)，應(yīng)考慮各排孔的開凍順序，應(yīng)根據(jù)不同凍結(jié)階段及井筒掘砌深度合理分配冷量，應(yīng)根據(jù)不同的土性及不同深度合理確定鹽水溫度，應(yīng)合理確定井幫溫度為掘砌施工創(chuàng)造條件。

（3）深部粘土層掘砌施工時(shí)，應(yīng)縮小掘砌段高，減小空幫時(shí)間，提高混凝土早期強(qiáng)度，延長(zhǎng)外層井壁砼澆筑結(jié)束后至井幫開幫之間的時(shí)間，以確保凍結(jié)壁變形及井壁混凝土質(zhì)量在可控范圍之內(nèi)。

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TD265

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1004-5716(2015)10-0109-06

2014-11-02

沈華軍（1974-），男（漢族），江西湖口人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事煤礦凍結(jié)法設(shè)計(jì)及施工管理工作。