城郊矿主井井筒冻结法凿井施工

2005/10/12 15:39:19

　　摘　要　城郊矿井是永夏矿区开发建设的第3对大型矿井，主井采用冻结法施工。简述了该矿主井井筒的工程概况、地质及水文地质情况、冻结方案和井筒施工情况，重点介绍了深厚膨胀粘土层中的施工方法、技术措施以及基岩风化带、冻结基岩段施工方法，最后谈了施工体会。
　　关键词　冻结法　深厚膨胀粘土层　冻结基岩

1　工程概况
　　城郊矿井是永夏矿区开发建设的第3对大型矿井，设计生产能力2.4Mt/a，主井采用冻结法施工。井筒设计净径为φ5m，井深539.6m，其中冻结深度为393m(第三、四系冲积层厚293.2m，基岩风化带42.82m，冻结基岩56.98m)，冻结段以下为146.6m。冻结段井深5～346m为双层钢筋混凝土复合井壁，外壁厚650mm，内壁厚700mm，混凝土强度等级C30～C50；冻结基岩段井深346～393m为素混凝土井壁，壁厚350mm，C30混凝土；基岩段井深393～539.6m亦为素混凝土井壁，壁厚350mm，C30混凝土。在井深47.8～297.1m段分别铺设25～75mm厚的聚苯乙烯泡沫板隔温缓冲层。

2　地质及水文地质情况
　　城郊矿主井自上而下所穿过的地层为：第三、四系冲积层，厚293.2m；上石盒子组下段，厚76.4m；下石盒子组，厚85.37m；二叠系下统山西组地层。第三、四系冲积层中，粘土层共19层，总厚度120.37m，单层最大厚度22.4m，占冲积层总厚的41.05%；砂质粘土17层，总厚度为57.16m，单层最大厚度11.68m，占冲积层总厚的19.50%；粉砂层共16层，总厚度34.02m，单层最大厚度5.05m，占冲积层总厚的11.60%；细砂层12层，总厚度为60.37m，单层最大厚度17.06m，占冲积层总厚的20.60%；中砂、粗砂分别为3层和1层，总厚度分别为19.16和1.1m，单层最大厚度分别为10.72和1.1m。
　　井筒自上而下有6个含水层组：第三、四系孔隙水含水层组，井深0～293.2m；基岩风化带裂隙承压含水层组，井深293.2～336.02m，涌水量为110m³/h；K₅砂岩裂隙承压含水层组，井深355.1～370.2m，涌水量为400m³/h；三₄煤顶砂岩含水层组，井深379.8～382.9m，涌水量为70m³/h；三₄煤底砂岩含水层组，井深408.2～414.7m，涌水量为15m³/h；三₁煤顶砂岩含水层组，井深437.2～442.76m，涌水量为150m³/h。

3　冻结方案
　　根据井筒所穿地层的地质及水文地质情况，经过方案对比，决定采用长短腿差异冻结方案，长、短腿深度分别为393和335m，防片帮孔深度为220m。
　　通过多种公式计算，确定冻结壁厚度为5.43m(以深厚粘土层为计算层)，安全段高取2.3m。设计冻结孔36个，圈径φ14.4m；防片帮孔11个，圈径φ9.5m。

4　冻结段井筒施工
4.1　掘筑施工及机械化配套方案
　　外壁采用短段掘筑混合作业方式。冲击层使用多台风镐人工破土，人工装岩；基岩风化带及冻结基岩段采用控制光面爆破，抓岩机装岩。
　　凿井井架选用MZJ-Ⅳ_c型，基础至翻矸平台高度为10.5m。汽车排矸。采用两套单钩提升，主提升机为2JK-3.5/11.5型，副提升机为JK-2.5/11.5型，均配备ZD-2型吊桶提升。QD-6型抓岩机装岩。外壁采用段高3.1m单缝液压伸缩金属刃角模板筑壁，1.6m³底卸式吊桶下送混凝土；内壁采用1.4m高液压自动调平滑模筑壁。基岩段施工时布置2台80DGL-67×9型吊泵排水。
4.2　井筒施工方法
　　(1)冻结试挖。1997-08-28开机冻结到冻结孔交圈开始试挖，历时56d。10月23日～11月19日为试挖期，采用小绞车、0.7m³小吊桶提升，1.7～2.1m段高绳捆模板短段掘筑22.6m。试挖表明，上段含水层的冻结壁已交圈，且冻结壁厚度和强度符合设计要求。
　　(2)正式挖掘。1997-12-08正式挖掘，采取短段掘筑混合作业，到1998-02-28，完成掘筑外壁成井215.4m。其中，1998年1月完成41个循环，最快循环12h，最慢循环24h，取得了外壁月成井123.8m的好成绩；3月1日～4月11日，在井深238m位置，因为冻结时间(185d)与冻结设计时间(271d)相差86d，冻结壁温度、强度不足，被迫停工冻结42d。
　　(3)深厚膨胀粘土层施工方法及措施。深冻结井施工，最关键的技术难题是深厚膨胀粘土层施工。根据地质柱状，井深251.51m以下分别是厚7.72m粘土层和厚7.73m砂质粘土层，再向下为厚27.84m铝质膨胀粘土层。1998-04-19施工进入厚7.72m粘土层1m左右，实测井帮温度为0～-1.5℃，与设计井帮温度-5～-6℃相差甚远；实际冻结壁平均温度与设计也有较大差距。经核算，允许掘筑段高仅1.8m，但实际模板高3.1m。针对这种情况，经对实测数据分析与强度核算，决定井深253～264.1m粘土层段采用原3.1m高模板中间浇筑口浇筑混凝土，即以1.6m段高连续施工厚7.73m砂质粘土层；以下铝质膨胀粘土层采用1.1～1.2m段高限时快速间断施工，即1d仅施工1个段高，其中施工所用时间不准超过12h，施工后必须等待12h方可施工下一段高，以等待混凝土强度增长，同时要求降低去路盐水温度至-32℃，以降低冻结壁平均温度。另外在混凝土中添加JP-1高效减水剂，以提高混凝土早期强度，使混凝土1d强度达到31.2MPa；同时严格控制井帮位移和底鼓，将井帮位移控制在50mm/d以内，底鼓控制在200mm以内。通过观测表明，1.6m段高和1.2m段高井帮位移和底鼓最大值均在控制范围之内(附表)。采取上述措施施工，顺利通过了深厚膨胀粘土层，并确保了井壁完好，在整个施工过程中未发生断管事故。

附表　井帮位移与底鼓最大值

土层	段高 /m	时间 /h	方向	位移 /mm	变形速率 /mm^.h^-1	井帮温度 /℃
粘土	1.6	7	东、西	7.5	1.07	0～-2
		7	南、北	11.5	1.64
		9.5	底鼓	94	9.9
铝质粘土	1.2	22.8	东、西	16	0.7	-2～-3
		22.8	南、北	23.5	1.03
		15	底鼓	137	9.13

　　(4)基岩风化带及冻结基岩施工方法。施工至井深293.2m进入基岩风化带，这时井帮温度为-7～-8℃。采用YPT-26型手持凿岩机(φ43mm钻头)打眼，1.8m深炮眼、2号岩石硝铵炸药光爆法施工，3.1m高外壁模板二掘一砌，到井深331m外壁施工结束。
　　井深331～346m为筒形壁座，井深346～393m为基岩段混凝土井壁，为保证冻结基岩段井壁具有良好的封水效果，取消接茬，采用光爆法施工，一次支护为锚网。从井深386m(冻结段留7m岩柱)由下而上利用液压滑升模板一次套壁至井深5m。炮眼深仍为1.8m，一掘一锚网。锚杆采用φ43mm×1.4m缝管式锚杆，间排距为1m×1m，锚杆托盘规格为150mm×150mm，锚杆孔径为φ40mm；金属网采用12号铁丝网，网孔规格为50mm×50mm。为了确保锚网支护质量，每次掘进后利用中心线检查掘进断面尺寸，符合要求后方可打锚杆挂网；每次打眼放炮前，必须画轮廊线。根据岩石软硬程度，每茬炮装药量为120～140kg，经实测，炮眼利用率均在90%以上，为在冻结基岩段取得月外壁成井37.8m和锚网46m的好成绩打下了良好的基础。

5　体会
　　(1)要提高冻结井施工速度，冻结方案、机械化配套方案及科学的施工方法至关重要，缺一不可。
　　(2)单缝液压伸缩金属刃脚模板，特别是煤炭科学研究总院北京建井研究所研制的MJY型模板(在副井筒中运用)，在冻结井施工中具有极大优越性。它不仅刚度大，不变形，易操作，易于保证井壁质量，而且可以根据不同冻结壁强度或段高灵活调整段高，以达到快速施工目的。
　　(3)要正确处理好冻结与井筒掘筑的关系，既要科学地抓住少挖冻土的有利时机，组织快速施工，又要使冻结壁和井帮达到一定的温度、强度，以确保井筒施工安全。
　　(4)井深0～47m，在冻土尚未进入荒径的情况下，采用设小壁座的方法防止井壁下沉或拉裂，取得了较好的效果。
　　(5)在短段掘砌混合作业快速施工情况下，特别是循环时间不足20h时，为防止模板内混凝土井壁下沉，采取浇筑混凝土后再紧模板悬吊绳及刃脚下井帮尽量迟扩的办法是行之有效的。
　　(6)城郊矿主井井筒在井帮温度0～-1.5℃时就进入深厚膨胀粘土层施工，然而没有发生断管、片帮事故，并且施工比较顺利，主要是采取了严格控制段高和暴露时间以及确保混凝土早期强度等措施，使井帮位移和底鼓得到了有效控制。该项经验运用于类似的城郊矿副井筒，也取得了令人满意的效果。
　　(7)实践证明，该冻结井防片帮孔深度220m不尽合理。若防片帮孔深增加到285m(至深厚粘土层)，冻结段施工工期将会提前两个月，尽管多打1 000m钻孔，但综合经济效益将更加显著。

作者简介:高世恩，1966年生，工程师。1988年毕业于焦作矿业学院矿井建设专业，一直从事矿井建设技术及管理工作，现任永煤集团城郊矿副矿长，已发表论文4篇。
作者单位：(永煤集团公司城郊矿，永城，476600)

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