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1、4 3 0 矿山建设工程新进展2 0 0 6 全国矿山建设学术会议文集( 上册) 薛湖矿主、风并冻结设计优化与对比 张步俊张浩 ( 中煤五公司第三工程处江苏徐州 2 2 1 1 4 0 ) 摘 要：本文阐述了河南神火集团薛湖煤矿主井与风井冻结设计方案的对比及取得的冻结效果。总结 出了一些经验，为以后类似工程的冻结设计与施工提供借鉴。 关键词：冻结设计，冻结效果分析；经验 1 工程概况 河南神火煤电股份有限公司薛湖矿井位于永城市北部，地面标高一般在+ 3 6 + 3 8m 之间。设计生产能力1 2 0 万t a ，采用立井开拓方式，主、副、风井井筒表土段及风化基岩段采 用冻结法施工，打钻、冻结、
2、矿建均由中煤五公司三处负责施工，主、副并于2 0 0 4 年5 月同期 施工，风井于2 0 0 5 年3 月开工。本文着重对薛湖主井、风井的冻结设计与冻结效果进行比 较，其主要技术特征见表1 。 表I薛湖矿主、风井主要技术特征表 序号项目单位主井风井 l 井口标高 m+ 3 8 5+ 3 9 0 Z 井筒净直径 m 5 05 5 3 表土厚度 m3 9 13 6 2 3 4 基岩强风化带深 m4 1 5 O3 9 1 1 冻结段钢筋混凝土钢筋混凝土 5 支护方式 基岩段 素混凝土素混凝土 冻结段 m1 2 1 71 3 I 7 6 井壁厚度 基岩段 m m4 0 05 0 0 7 井筒全深 m
3、 8 3 06 5 9 冻结段穿过的地层自上而下为第四系、第三系、三叠系地层。岩性主要为粘土、砂质粘 土、铝质粘土及砂层组成。粘土类岩性以灰、棕红色、青灰色、灰黄色的粘土、砂质粘土和铝质 粘土为主，多含钙质结核及铝质；主、风井粘土厚度分别2 6 4 1 5m ( 占总厚度的6 7 5 6 ) ， 2 0 0 7m ( 占总厚度的5 5 4 ) ，且多在2 5 0m 以下部位，局部粘土层具膨胀性，为冻结的关 键部位。 2 冻结设计主要技术参数 薛湖矿井井筒施工的成功关键在于冻结方案的科学合理，在满足安全掘进需要的同时 兼顾井筒快速掘进的需要。永夏矿区同两淮地区一样由于膨胀粘土埋藏深、厚度大，历来
4、为 冻结法施工4 3 1 事故多发区，极易发生大面积断管现象，影响井筒井壁施工质量。综合本地区施工经验，主副 井冻结设计在前，风井设计则根据主副井的施工经验进行了优化，相关技术参数见表2 。 衰2薛期主、风井冻结设计主要技术参救衰 序号 参数名称单位主井风井 1井筒净直径 m 5 o5 5 2 井壁最大厚度 m 1 71 7 3井筒最大荒径 m j 8 5 59 0 5 4第三、四系表土层深度 m3 9 13 6 2 3 5盐水温度 一3 23 2 6 砂层冻结壁平均温度 m 1 41 2 7冻结深度 m 4 6 0 4 3 0 8需要冻结壁厚度 m6 66 8 9 布置直径 1 7 3声1
5、8 1 1 0 主冻结孔 孔数( 4 1 5 4 6 0I n ) 个2 2 2 22 2 2 2 1 1 开孔间距 m 1 2 3 51 2 9 2 深度 m3 9 13 6 3 1 2 外 布置直径 m 叠1 3 1 2 1 1 3 1 4 圈 孔数个 1 21 3 辅助 1 5 开孔间距 m 3 4 0 32 9 2 4 冻结 1 6 深度 m2 1 52 1 5 孔 1 7 内 布置直径 mj 1 0 51 1 2 1 8 圈 孔效个 1 21 3 1 9 开孔间距 m2 7 4 92 7 0 7 2 0孔数 个2 22 1 测温孔 2 1 深度 m 4 4 5 3 9 04 1 3
6、3 6 2 2 2 孔数 个1 1 11 1 1 水文孔 2 3 深度m3 2 5 2 2 0 1 0 53 6 2 2 1 2 8 4 2 4冻结需冷量万k c a l h3 2 1 32 9 5 7 2 5冷冻站需冷量万k c a l h 3 7 4 83 5 4 8 2 6 冷冻站装机标准制冷量万k c a l h 13 3 8 411 3 0 3 冻结效果比较 3 1 水文孔冒水 两井水文孔冒水情况见表3 。 4 3 2 矿山建设工程新进展2 0 0 6 全国矿山建设学术会议文集( 上册) 表3 水文孔冒水时间一览表 深度m最大孔同距m交圈时间d 水文孔 主井风井主井风井主井 风井 W
7、 11 0 58 4 1 7 5 1 8 53 8 4 2 W 22 2 02 1 21 8 52 O3 8 4 4 W 33 2 53 6 22 3 52 27 4 6 3 由于两井孔间距控制较好，交圈时间均比设计提前( 设计为8 0d ) ，风井比主井还提前 1 1d 冻结交圈。 3 2 盐水温度控制 开机后两井均很快降温到O 。C ，主井冻结5 3d 达到设计一3 2 “C ，风井冻结8 3d 达到设 计一3 2 。主井装机量比风井大2 0 万k c a l h ，且开机时间处于冬季，风井正值夏季高温，其 后在表土掘进过程中两井一致保持在一3 2 以下，主井岩石段和套壁施工中保持在一3
8、04 C 左右，风井岩石段保持在一3 0 C ，套壁施工则保持在一2 5 。 3 3 井筒施工 主井于2 0 0 4 年1 2 月5 日( 冻5 0d ) 开始试挖，2 0 0 5 年1 月1 6 日( 冻9 2d ) 开始正式开 挖。施工至2 6 8 4m 时，由于膨胀铝质粘土层位井帮温度过高，片帮，抽帮现象严重，若继续 施工将危害到冻结管质量，井壁质量也无法保证。经研究决定进行分段套内壁施工，于2 0 0 5 年2 月2 7 日( 冻1 3 4d ) 套壁，4 月1 日第一次套内壁结束后井筒继续施工，6 月1 3 日( 冻2 4 3 d ) _ - - 次套壁结束，井筒顺利通过表土段。 风
9、井则根据水文孔冒水情况和矿建施工准备情况，于2 0 0 5 年8 月1 2 日( 冻5 2d ) 开始 锁口施工，锁口施工到8 月2 4 日结束，继续掘进试挖挂三盘，9 月1 日( 冻7 2d ) 3 4 水文孔冒 水1 0d 后开挖，1 1 月2 2 日( 冻1 5 4d ) 施工到3 6 2 3m ，表土段施工结束，1 2 月1 8 日( 冻1 8 0 d ) 开始套壁施工，1 2 月3 0 日( 冻1 9 2d ) 套壁1 0 0m 停机，2 0 0 6 年1 月2 5 日套壁结束，至此， 冻结段施工完毕。 3 4 冻结效果 两井的冻结效果详见实测井帮温度( 表4 、表5 所列) 。 表
10、4 主井井筒冻结效果表 水平岩性冻结时间d井帮温度冻土情况m m备注 细砂 砂质粘土 粘土 中砂 粉砂 中砂 中砂 中砂 “ t - 0 5 - t - 2 1 0 5 + 2 O 一1 2 + 0 9 6 1 一0 8 4 O 一1 4 6 O 一2 4 7 4 一4 2 3 5 一1 2 + 1 7 0 + 4 5 0 + 2 0 0 + 5 3 0 + 1 8 0 + 7 0 0 + 4 6 0 + 9 2 0内辅助孔结束 + 8 0 - t - 3 0 0 ) ) ) O O O O O ； 乱 虻 坨 坫 墙 n 孔 冻结法施工4 3 3 3 9 0砂质粘土2 0 41 0 6 -
11、- 5 9 表土底部 细砂 粘土 粘土 细砂 粘土质砂 细砂 中砂 粉砂 粘土 粘土 铝质粘土 铝质粘土 砂质粘土 + 3 O + 4 0 + 0 4 + 1 6 0 4 + 0 7 3 1 一1 5 一1 5 一0 2 3 2 一1 2 7 4 4 3 6 1 + 1 2 8 一2 3 6 4 一Z 4 7 2 一2 5 9 1 一3 5 1 0 7 一7 8 + 1 7 0 + 4 5 0 + 2 0 0 + 5 3 0 + 2 5 0 + 4 1 0 + 4 6 0 + 9 2 0 内辅助孔结束 一2 0 0 + 7 2 0 表土底部 3 5井壁质量 主井井壁在2 6 0 2 6 8m
12、之间由于铝质粘土冻结效果差，井壁出现很多的纵向、横向裂 纹，进行了分次套壁施工。风井冻结效果好，井壁未出现裂纹，未进行分次套壁，但风并因辅 助孔距离荒径近，在2 8 0 3 0 0m 之间冻结管断裂3 根，但对井筒掘进、井壁质量未造成影 响。 3 6 开机时间 在主井直径比风井小、冻结深度多3 0m 的情况下，主井总开机时间为2 4 3d ，风井仅为 1 9 7d ，可看出因设计的优化，在经济、质量、速度上风井都优于主井。 4 总结体会 ( 1 ) 钻孔方式布置。辅助孔的梅花状布置，既保证了井筒上部不片帮，又保证了井筒下 部粘土层的冻结效果，冻结孑L 至荒径的距离则是其中关键。主井内圈防片帮孔
13、距离荒径1 5 m ，风井内圈防片帮孔距离1 6 5I T I ，开挖后冻土很快进入荒径，无片帮现象发生。主井外圈 后壁套 O 9 2 9 0 L 色 色 L 豇 一 一 一 一 一 6 3 3 7 6 孔 L 豇 “ 豇 一 一 一 一 一 7 6 4 9 1 6 7 8 8 9 i l l土土土土土 粘粘牯粘牯质质质质质钙砂铝铝铝 0 O O 0 O 盯 ； 诣 弘 他 会： m m m m m 兰| m m ) ) ) O 0 O O 0 O O 0 0 0 瓠 吼 吼 心 坫 埔 n 孔 盯 如 弘 弘 4 3 4 矿山建设工程新进展2 0 0 6 全国矿山建设学术会议文集( 上册)
14、辅助孔距离荒径2 2 5m ，由于掘进速度过快，下部粘土冻结效果差，不得不采取二次套壁施 工，开机时间延长4 6d ，增加了大量冻结费用。风井外圈辅助孔距离在1 5 5m 左右，下部因 为向内偏斜导致断管3 根，对安全造成了隐患，但保证了连续性施工。综合两井情况，认为内 外圈辅助孔距离荒径应均在1 6m 左右，较为合理。 ( 2 ) 冻结孔质量控制。随着打钻设备的更新和施工经验的积累，深厚表土孔间距的控制 有了长足的进步，风井表土段设计孔间距2 4m ，最终表土段控制在2 2m ，使得交圈时间 仅为6 2d ( 提前1 8d ，电费节约1 0 0 余万) ，为井筒的提前开挖提供了保障。 ( 3
15、 ) 开挖时间确定。规程规定开挖必须在深水文孔规律冒水7 1 0d 后，由于冻结孔梅 花状布置，主、风井在浅部1 # 、2 ”水文孔冒水8d 后进行试挖，试挖后效果良好，无大片帮发 生，完全满足矿建快速施工的需要，但试挖时必须保证好深水文孔，不得受到破坏。 ( 4 ) 盐水温度控制。以往深井冻结由于装机容量大，降温速度很快，导致交圈后会停机 一半之多，造成资源浪费。风井浅水文孔冒水时盐水温度一2 8 ，深水文孔冒水时一3 0 ；主 井浅部地层施工时盐水温度控制一3 0 ，深部控制为一3 2 。所以笔者认为盐水温度应先快 速下降到O 。C 开始冻结，交圈时控制在一2 8 “C 左右，正式开挖后达到一3 2 ( 辅助孔内圈关 闭，一般冻结8 0d 左右) ，进入岩石段控制在一3 0 ，进人套壁施工控制在一2 5 即可。通过 井筒实际施工情况，盐水温度实施分期控制可达到合理制冷效果。 ( 5 ) 冻结孔断裂。薛湖主井无断管发生，风井共断管3 根，位于垂深2 8 0 3 0 0m 处。原 因是冻结管距离荒径仅有3 0 0 6 0 0m m ，且位于砂层和粘土层交界处。由于断管距荒径近， 井帮温度很低，断管后由于冻结壁整体已形成，整体强度不受影响，而且其他孔将
