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摘要：煤礦立井井筒建設(shè)采用凍結(jié)鑿井施工法由來已久，由于凍結(jié)法鑿井適用范圍廣、安全系數(shù)高，尤其是沖積層埋深較大和含水地層更是優(yōu)選鑿井支護(hù)方法，在全國(guó)各地被廣泛采用。寧夏地區(qū)作為我國(guó)重要的儲(chǔ)煤重地，凍結(jié)鑿井法在紅一煤礦的運(yùn)用尚屬首例。凍結(jié)鑿井施工法在本工程的成功使用，將拓寬當(dāng)?shù)孛禾抠Y源開采的程度。通過分析3個(gè)井筒的凍結(jié)過程，總結(jié)凍結(jié)過程控制關(guān)鍵步驟，為后續(xù)開展施工的類似工程提供參考，為西北地區(qū)礦井建設(shè)探索一條新的途徑。

關(guān)鍵詞：煤礦井筒；凍結(jié)施工；質(zhì)量控制

0前言

凍結(jié)法于1883年由德國(guó)工程師波茨舒獲得專利，我國(guó)于1955年首次在開灤煤礦林西風(fēng)井中應(yīng)并獲得成功。早期的凍結(jié)技術(shù)應(yīng)用較為簡(jiǎn)單，表土層薄、地壓小，大部分井筒采用現(xiàn)澆砼單層井壁結(jié)構(gòu)。凍結(jié)法因其具有適應(yīng)性強(qiáng)（原則上凍結(jié)法可在各類土層中應(yīng)用，可與許多邊界條件及要求相適應(yīng)）；封水可靠（可實(shí)現(xiàn)人工干挖施工，有利于保證各類結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量）；利于環(huán)保（無異物進(jìn)入土壤，對(duì)周圍環(huán)境擾動(dòng)小）等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于礦井、市政、隧道等工程中。

1紅一煤礦工程地質(zhì)條件

紅一煤礦位于寧夏回族自治區(qū)東北部，銀川市興慶區(qū)境內(nèi)。井田西南距銀川市約30km，東距內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗約70km，南距臨河鎮(zhèn)約10km，隸屬于紅墩子礦區(qū)。礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)量2.4Mt/a，為滿足日后生產(chǎn)需要，紅一煤礦設(shè)計(jì)布置主副風(fēng)3個(gè)井筒，井筒凍結(jié)深度均為400m，沖積層主要分布第四系與古近系，以黏土粉質(zhì)黏土居多。西部地區(qū)凍結(jié)的主要對(duì)象賦存基巖承壓含水層，靜水位高，水壓大。較之東部地區(qū)，西部地區(qū)地質(zhì)條件之復(fù)雜，在世界上是罕見的。紅一煤礦3個(gè)井筒均采用凍結(jié)施工法掘砌，防止井筒掘砌過程中凍結(jié)壁破碎和井壁片幫是此次工程控制的重點(diǎn)。作為寧夏地區(qū)第一個(gè)采用凍結(jié)法施工，并取得成功的礦井。本文以紅一煤礦3個(gè)井筒復(fù)雜地質(zhì)條件下井筒的凍結(jié)過程為背景，通過分析建設(shè)過程中存在的關(guān)鍵技術(shù)難題，進(jìn)行滿足工程需要的技術(shù)研究工作，總結(jié)凍結(jié)施工過程控制關(guān)鍵步驟，從而有效確保該井筒安全、高效和快速地建成。同時(shí)對(duì)類似地質(zhì)條件下工程開展與施工提供有益參考。

2施工方案設(shè)計(jì)

由于凍結(jié)施工作為井筒掘砌施工的措施工程，施工方案設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮好與掘砌施工的搭接配合。（1）為保證凍結(jié)壁具備足夠厚度、強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了三圈凍結(jié)孔布置方式：①主凍結(jié)孔作為凍結(jié)壁形成主要的輸送冷量通道，孔間距要合規(guī)合理，設(shè)計(jì)應(yīng)力求既滿足凍結(jié)交圈時(shí)間要求，又要節(jié)約材料便于施工；②輔助凍結(jié)孔在輔助主凍結(jié)孔形成凍結(jié)壁的同時(shí)，又肩負(fù)凍結(jié)冷量向井筒中心擴(kuò)散的調(diào)節(jié)作用；③防片幫孔起到掘砌過程中控制掘砌荒徑偏幫的作用。（2）三圈凍結(jié)孔的布置方式在該工程取得了顯著效果：①凍結(jié)壁交圈時(shí)間段，水文孔冒水早。實(shí)現(xiàn)了早日開始井筒掘砌，為縮短建井工期奠定了基礎(chǔ)。通過該工程得出在西北地區(qū)實(shí)現(xiàn)地層凍結(jié)早日實(shí)現(xiàn)凍結(jié)壁交圈的主凍結(jié)孔孔間距為1.2~1.4m。②防片幫孔在井筒掘砌過程中也達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，主凍結(jié)孔距掘進(jìn)荒徑距離遠(yuǎn)，開挖較早，施工工序磨合度不高，空幫時(shí)間長(zhǎng)，荒徑受外部環(huán)境影響大，在沖積層含水少易風(fēng)化的情況下，很大程度上避免了荒徑片幫，既減少了材料的損耗，又提高了掘砌速度。③輔助凍結(jié)孔的設(shè)置起到了承上啟下的作用，它向外與主凍結(jié)孔向內(nèi)擴(kuò)散的冷量接應(yīng)，向內(nèi)補(bǔ)給防片幫孔，實(shí)現(xiàn)了冷量的疊加效應(yīng)，加速了凍結(jié)壁的形成，保證了凍結(jié)壁強(qiáng)度。

3施工過程管理

（1）凍結(jié)造孔階段，凍結(jié)孔偏斜控制：沖積層和基巖風(fēng)化帶、基巖中的主凍結(jié)孔偏斜率分別控制在2.0‰以內(nèi)和3.5‰以內(nèi)。同時(shí)結(jié)合靶域控制保證終孔最大孔間距滿足設(shè)計(jì)要求。凍結(jié)造孔孔間距的有效控制對(duì)凍結(jié)交圈時(shí)間預(yù)測(cè)和后期凍結(jié)壁強(qiáng)度計(jì)算，有著至關(guān)重要的作用。（2）積極凍結(jié)期，凍結(jié)站供冷量必須充足，一般凍結(jié)站裝機(jī)制冷量是凍結(jié)需冷量的3倍以上，這樣既能夠滿足凍結(jié)壁早日交圈凍結(jié)量的需求，又便于凍結(jié)站設(shè)備維護(hù)管理。為實(shí)現(xiàn)早日交圈上水凍結(jié)單位采用低溫大流量的送冷方式，使冷媒盡快達(dá)到-30℃以下，凍結(jié)器單孔流量保持12m3/h運(yùn)行。（3）維護(hù)凍結(jié)期，凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)要求后根據(jù)井筒掘砌速度，凍結(jié)過程由積極凍結(jié)期轉(zhuǎn)入維護(hù)凍結(jié)期，凍結(jié)單位及時(shí)調(diào)控凍結(jié)器運(yùn)行狀態(tài)，以便于控制凍土擴(kuò)入荒徑。過多既浪費(fèi)了冷量，消耗了能源，又造成掘砌單位施工困難，最終導(dǎo)致工期延長(zhǎng)，成本增加。

4結(jié)語(yǔ)

紅一煤礦主副風(fēng)井井筒凍結(jié)按照既定設(shè)計(jì)方案執(zhí)行，通過效果檢驗(yàn)是成功的，凍結(jié)交圈時(shí)間符合預(yù)期，凍結(jié)段施工期間井筒掘砌未發(fā)生透水事故，實(shí)現(xiàn)了掘砌過程干作業(yè)，為井筒表土掘砌提供了安全保障，凍土擴(kuò)展的合理控制保證了掘砌速度，為整個(gè)礦井建設(shè)節(jié)點(diǎn)工期完成提供了保證。寧夏回族自治區(qū)是我國(guó)西北地區(qū)儲(chǔ)煤大省，煤炭資源豐富，開發(fā)利用率有很大的提高空間。紅一煤礦井筒掘砌采用凍結(jié)的成功，為后續(xù)礦井建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，拓寬了復(fù)雜地層井筒建設(shè)的范圍，是一次成功的嘗試。

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作者:李瑞 單位:寧夏能源鋁業(yè)