井筒冻结施工质量控制分析

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摘要：煤矿立井井筒建设采用冻结凿井施工法由来已久，由于冻结法凿井适用范围广、安全系数高，尤其是冲积层埋深较大和含水地层更是优选凿井支护方法，在全国各地被广泛采用。宁夏地区作为我国重要的储煤重地，冻结凿井法在红一煤矿的运用尚属首例。冻结凿井施工法在本工程的成功使用，将拓宽当地煤炭资源开采的程度。通过分析3个井筒的冻结过程，总结冻结过程控制关键步骤，为后续开展施工的类似工程提供参考，为西北地区矿井建设探索一条新的途径。

关键词：煤矿井筒；冻结施工；质量控制

0前言

冻结法于1883年由德国工程师波茨舒获得专利，我国于1955年首次在开滦煤矿林西风井中应并获得成功。早期的冻结技术应用较为简单，表土层薄、地压小，大部分井筒采用现浇砼单层井壁结构。冻结法因其具有适应性强（原则上冻结法可在各类土层中应用，可与许多边界条件及要求相适应）；封水可靠（可实现人工干挖施工，有利于保证各类结构的施工质量）；利于环保（无异物进入土壤，对周围环境扰动小）等优点而被广泛应用于矿井、市政、隧道等工程中。

1红一煤矿工程地质条件

红一煤矿位于宁夏回族自治区东北部，银川市兴庆区境内。井田西南距银川市约30km，东距内蒙古自治区鄂托克前旗约70km，南距临河镇约10km，隶属于红墩子矿区。矿井设计产量2.4Mt/a，为满足日后生产需要，红一煤矿设计布置主副风3个井筒，井筒冻结深度均为400m，冲积层主要分布第四系与古近系，以黏土粉质黏土居多。西部地区冻结的主要对象赋存基岩承压含水层，静水位高，水压大。较之东部地区，西部地区地质条件之复杂，在世界上是罕见的。红一煤矿3个井筒均采用冻结施工法掘砌，防止井筒掘砌过程中冻结壁破碎和井壁片帮是此次工程控制的重点。作为宁夏地区第一个采用冻结法施工，并取得成功的矿井。本文以红一煤矿3个井筒复杂地质条件下井筒的冻结过程为背景，通过分析建设过程中存在的关键技术难题，进行满足工程需要的技术研究工作，总结冻结施工过程控制关键步骤，从而有效确保该井筒安全、高效和快速地建成。同时对类似地质条件下工程开展与施工提供有益参考。

2施工方案设计

由于冻结施工作为井筒掘砌施工的措施工程，施工方案设计时就必须考虑好与掘砌施工的搭接配合。（1）为保证冻结壁具备足够厚度、强度，设计了三圈冻结孔布置方式：①主冻结孔作为冻结壁形成主要的输送冷量通道，孔间距要合规合理，设计应力求既满足冻结交圈时间要求，又要节约材料便于施工；②辅助冻结孔在辅助主冻结孔形成冻结壁的同时，又肩负冻结冷量向井筒中心扩散的调节作用；③防片帮孔起到掘砌过程中控制掘砌荒径偏帮的作用。（2）三圈冻结孔的布置方式在该工程取得了显著效果：①冻结壁交圈时间段，水文孔冒水早。实现了早日开始井筒掘砌，为缩短建井工期奠定了基础。通过该工程得出在西北地区实现地层冻结早日实现冻结壁交圈的主冻结孔孔间距为1.2~1.4m。②防片帮孔在井筒掘砌过程中也达到了设计目的，主冻结孔距掘进荒径距离远，开挖较早，施工工序磨合度不高，空帮时间长，荒径受外部环境影响大，在冲积层含水少易风化的情况下，很大程度上避免了荒径片帮，既减少了材料的损耗，又提高了掘砌速度。③辅助冻结孔的设置起到了承上启下的作用，它向外与主冻结孔向内扩散的冷量接应，向内补给防片帮孔，实现了冷量的叠加效应，加速了冻结壁的形成，保证了冻结壁强度。

3施工过程管理

（1）冻结造孔阶段，冻结孔偏斜控制：冲积层和基岩风化带、基岩中的主冻结孔偏斜率分别控制在2.0‰以内和3.5‰以内。同时结合靶域控制保证终孔最大孔间距满足设计要求。冻结造孔孔间距的有效控制对冻结交圈时间预测和后期冻结壁强度计算，有着至关重要的作用。（2）积极冻结期，冻结站供冷量必须充足，一般冻结站装机制冷量是冻结需冷量的3倍以上，这样既能够满足冻结壁早日交圈冻结量的需求，又便于冻结站设备维护管理。为实现早日交圈上水冻结单位采用低温大流量的送冷方式，使冷媒尽快达到-30℃以下，冻结器单孔流量保持12m3/h运行。（3）维护冻结期，冻结壁达到设计要求后根据井筒掘砌速度，冻结过程由积极冻结期转入维护冻结期，冻结单位及时调控冻结器运行状态，以便于控制冻土扩入荒径。过多既浪费了冷量，消耗了能源，又造成掘砌单位施工困难，最终导致工期延长，成本增加。

4结语

红一煤矿主副风井井筒冻结按照既定设计方案执行，通过效果检验是成功的，冻结交圈时间符合预期，冻结段施工期间井筒掘砌未发生透水事故，实现了掘砌过程干作业，为井筒表土掘砌提供了安全保障，冻土扩展的合理控制保证了掘砌速度，为整个矿井建设节点工期完成提供了保证。宁夏回族自治区是我国西北地区储煤大省，煤炭资源丰富，开发利用率有很大的提高空间。红一煤矿井筒掘砌采用冻结的成功，为后续矿井建设提供了宝贵的经验数据，拓宽了复杂地层井筒建设的范围，是一次成功的尝试。

参考文献：

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作者:李瑞 单位:宁夏能源铝业