丁集煤矿风井深厚粘土层段冻结施工技术.pdf

第 2 7卷第 1期 2 0 0 6年 2月 建 井 技 术 M I NE CONSTRU CTI ON TECH NOLOGY Vo 1 ． 2 7 No ． 1 Fe b． 2 0 06 丁集煤矿风井深厚粘土层段冻结施工技术 荣传 新 ， 程 桦 ， 盛卫 国 1安徽理工大学土木工程系 ， 安徽 淮南 ， 2 3 2 0 0 1 ；2淮南矿业 集 团 公司丁集矿井建设项 目部 ， 安徽 淮南 ， 2 3 2 0 0 1 摘 要 通过对淮南丁集煤矿风井井筒深厚粘土层段冻结施工技术的分析 ， 总结 出了安全 快速施工的技术经验 一是采用强化冻结措施， 保证井帮温度达 到设计要求， 进而保证冻结壁 强度满足安全施工要求 垂深 4 0 0 m左右的深厚粘土层， 井帮温度应控制在一 8 ． 0 ℃ 以下 。二 是采用短段掘砌方式施工， 缩短井帮暴露时间， 减少 冻结壁变形 ； 同时尽可能提高外壁混凝土 早 期 强度 ， 使 外 壁 能承 受住 早期 冻结 压力 的作 用 ， 防止被 压坏 。 关键词 冻结法； 深厚粘土层； 井帮温度 ； 冻结壁变形 ； 立井 中图分类号 T D 2 6 5 ． 3 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 2 6 0 2 9 2 0 0 6 O 1 0 0 0 5 0 3 1 井 简 工程及 地质 概 况 2 冻结运 转情 况 淮 南矿 业 集 团 公 司 丁集煤 矿位 于 淮南 市凤 台 县 境 内 ， 距 淮 南 市 约 5 0 k m， 设 计 生 产 能 力 5 ． O Mt ／ a ， 立井 开拓 ， 工业 广 场 内设 有 主 、 副 、 风 3 个井筒 ， 冲积层段均采用冻结法施工 ， 基岩段均采 用地面预注浆封水。其中风井井筒净直径 7 ． ，5 m， 深 8 3 3 m； 冲积 层厚 度 5 2 8 ． 6 5 m， 冻 结 深度 5 5 8 m。 根据井筒检查孔综合柱 状图及地质报告 ， 风 井井 筒所 穿过 的第 四 、 第 三系 冲积 层可 划分 为上 、 中、 下 含 水层组 ， 中部 隔水 层和 底部 砂砾 层 5个层 组 。累 深 0～ 3 2 7 ． 2 5 m 以 砂 层 为 主 ， 砂 层 厚 2 1 5 ． 0 5 1 2 “I ， 占 该 段 厚 度 的6 5 ． 7 1 。 3 2 7 ． 2 5～ 4 4 3 ． 6 0 m 以粘 土 为 主 ， 砂 层 厚 仅 为 2 0 ． 5 5 IT I ， 只 占 该 段 厚度 的 1 7 ． 6 6 。4 4 3 ． 6 0 ～ 5 2 8 ． 6 5 m 以砂 层 为主 ， 砂 层 厚 8 2 ． 3 5 m， 占该 段 厚 度 的 9 6 ． 8 2 。 基 岩 风化带 起 止 深 度 为 5 2 8 ． 6 5 ～ 5 3 5 ． O O m， 厚 度 6 ． 3 5 m。其 中强 风 化 带 厚 2 ． 3 m， 为 砂 质 泥 岩 ； 中 风 化带厚 2 ． 3 5 m， 为 泥岩 ； 弱风 化 带厚 1 ． 7 m， 为 粉 砂岩 。冻结 落 底 起 止 深 度 为 5 3 5 ． O 0 ～ 5 5 8 ． 0 0 m， 为浅 灰色 的粉 砂岩 和砂 质 泥岩 ， 夹 薄层 细砂 岩 ， 岩 心较 致密 完整 ， 裂 隙不 太发 育 。 风井冻结设计主要技术参数见附表。风井冻 结站共装备 3 0台制冷机， 其 中低压机 2 2台 ， 高压 机 8台 。 收稿 日期 2 0 0 5 - 0 3 - 1 5 基金项 目 安徽 省“ 十五” 科技攻关项 目 0 4 0 1 2 0 4 9 3 资助 丁集煤矿 风井 冻结站 于 2 0 0 4 - 0 2 1 8充 氨运 转 。 至 2月 2 3 E t ， 中、 内圈盐 水 回路温度 降 至 0 ℃以下 。 至 2 月 2 4 E t ， 运转 方式 由单级 压 缩改 为双 级压 缩 。 外圈冻结孔原设计为局部冻结方式， 经实际运转证 明不可行后 ， 改为全深冻结 ， 于 3月 1 E t 开始盐水循 环。至 3 月 1 7 E t 冻结站运转 2 8 d 后 ， 中圈盐水温度 降至一3 0 C。至 4月 1 1 E t 运转 5 3 d后 ， 中圈盐 水温 度降到 了- 3 4 ℃ ， 去 、 回路 温差 5 ℃ ； 内圈盐水 温度也 降到了- 3 4 ． 0 ℃， 去、 回路温差 4 ． 2 ℃； 外圈盐水温度 降至一 2 5 ． T C， 去、 回路温差 4 ． 2 ℃。至 6 月 2 7日， 根 据冻结站运转 及井 筒 冻结实 际状 况 ， 决定 停止 内圈 孔短供液管 3 0 0 m深 以上 盐水循 环 ， 并对 盐水流 量 进行控制 ， 单孔流量由 1 8 m 3 ／ h调整为 1 0 m 3 ／ h 。至 8 月 1日， 内圈孔 改为局 部 冻结 ， 单 孔 流量 由 1 0 m 3 ／ h 调整 为 6 m 3 ／ h 。8月 1 5日 一 9月 1 3日期 间 ， 内圈孔 停止盐水循环。9 月 1 3日后 ， 内圈孔盐水循环恢复， 盐水单孔流量调整 为 5 ． 5 m 3 ／ h 。至 9月 2 8日， 内圈 孔盐水循 环正式停 止。在井筒掘 砌通过垂深 3 4 9 ． 5 5 ～ 3 6 7 ． 7 5 m和 3 8 7 ． 7 5 ～4 4 3 ． 6 m 两段 粘 土地层 期 间 ， 中圈盐水温度控制在 一 3 4 ． o C以下 ， 外 圈盐 水温度控 制在一 3 1 ．5 “ C以下； 盐水流量 中圈控制在 9 8 0 m 3 ／ h 以上 单 孔 1 8 ． 1 m 3 ／ h ， 外 圈 控 制 在 8 0 0 m3 ／ h以 上 单孔 1 5 ． 4 m3 ／ h 。 维普资讯 6 建井技 术 2 0 0 6年第 2 7 卷 附表 风井 井筒 冻结主要技术参数 1 3测 温 孔 兰 个 深 度 ／ 注 外圈孔由局部冻结 改为全深 冻结 。外 圈孔冻 结管规 格 井深 0 3 0 0 m 为 1 6 8 mm6 ram， 3 0 0 m 以下 为 1 4 0 mm 7 ram。 中圈孔 冻结 管规 格 为 1 4 0 mm x 7 mm。 内圈 孔 冻 结 管 规 格 为 1 6 8 mmX 6 mm／ 1 4 O mmx 7 mm。 3深厚 粘土 层段 井筒 掘砌 施 工情 况 丁集煤矿风井井筒 1号、 2号水文孔分别 于 2 0 0 4 0 4 1 7和 6月 8日冒水 ， 标 志 着 冻结 壁 已全 部 交 圈 。井 筒 于 2 0 0 4 0 6 0 9试挖 ， 6月 2 8日正式 开挖 。井筒 深部 两 层 粘 土 埋 深 分 别 为 3 4 9 ． 5 5 ～ 3 6 7 ． 7 5 m 和3 8 7 ． 7 5～ 4 4 3 ． 6 0 m， 厚 度 分 别 为 1 8 ． 2 m 和 5 5 ． 8 5 m， 掘 砌施 工难 度较 大 。第 1 层 粘 土 掘砌 施 工 用 了 7 d时 间 起 止 日期 为 2 0 0 4 一 1 0 1 3 1 0月 1 9日 ， 第 2层 粘 土 用 了 2 3 d时 间 起 止 日期 为 2 0 0 4 一 1 0 2 5 1 1月 1 6 日 。 由 于 施 工 技 术措 施得 当 ， 安全顺 利 通过 。 4 深厚 粘 土层 段井 筒施 工监 测 4 ． 1 井帮温度 监 测 井 帮 温 度 是 影 响冻 结 井 简 掘 砌 施 工 安 全 和 掘砌 施 工 速 度 的 主 要 因 素 之 一 。 在 盐 水 温 度 、 流量 ， 冻结 孔 间 距 一 定 的 情 况 下 ， 冻 结 管 到 井 筒 掘 进 轮 廓 线 的 距 离 及 土 层 性 质 对 井 帮 温 度 影 响 最 大 。 单 纯 强 调 井 帮 温 度 必 须 降 至 某 一 值 是 不 全 面 和 不 科 学 的 ， 因 为 冻 结 壁 是 否 安 全 主 要 是 看 冻 结 壁 的 有 效 厚 度 和 冻 结 壁 强 度 能 否 满 足 设 计 与施 工 要 求 。实 践 表 明 ， 在 冻 结 井 筒 施 工 中 ， 为 了 保 证 掘 砌 施 工 安 全 ， 将 井 帮 温 度设计和 控 制得 过 低 ， 乃 至 将 井 筒冻 实 ， 并 不 是 最 好 的 选 择 。 深 厚 粘 土 层 段 井 筒 掘 砌 施 工 时 实 测 的 井 帮 温 度 见 图 1 。 由 图 可 见 ， 第 1层 粘 土 3 4 9 ． 5 5 ～3 6 7 ． 7 5 m 井 帮 温 度 处 于 一8 ． 0 ～一 1 3 ． 3 ℃ 之 间 ，第2 层 粘 土 3 8 7 ． 7 5～ 4 4 3 ． 6 0 m 井 帮 温 度 处 于 一8 ． 5～ 一1 6 ． 0 ℃ 之 间 。 从淮南矿 区冻结 井筒 施工 实 际情 况来 看 ， 一 般 井 筒 正 式 开 挖 时 ， 井 帮 温 度 能 达 到 0 ℃ 左 右 ； 粘 土 层 段 每 百 米 井 筒 深 度 井 帮 温 度 下 降 1 ． 5 ～3 ℃ 较 为 合 理 ， 砂 层 段 井 帮 温 度 比 粘 土 层 段 低 2 ～ 3 ℃ 为 宜 。深 部 粘 土 层 段 井 帮 温 度 的 选 取 主 要 应 考 虑 冻 结 壁 强 度 和 变 形 控 制 问题 。 4 ． 2 井帮 变形监测 与控 制 目前 ， 冻 结 井 筒 通 过 深 厚 粘 土 层 段 施 工 一 般 采 用 短 段 掘 砌 方 式 ， 掘 砌 段 高 小 于 或 等 于 设 计安 全段 高 ， 一般 控 制在 2 ． 2 ～2 ． 8 m 范 围 内 。 冻 土 进 入 荒 径 厚 度 不 小 于 1 ． O m 时 ， 每 个 段 高 掘砌时 间控制 在 1 6 ～2 0 h之 内 ， 冻结 壁强 度能 满 足 施 工 安 全 要 求 。 丁 集 煤 矿 风 井 深 厚 粘 土 层段掘砌 段 高 为 2 ． 6 n l ， 每个 段 高 掘 砌循 环 时 间 最 短 的为 1 7 h 2 O mi n ， 一 般 不 超 过 2 4 h 。 冻 土 进 入 荒 径 厚 度 见 图 2 。 第1层 3 4 9 ． 5 5～ 3 6 7 ． 7 5 m≥ 粘 土 冻 土 进 入 荒 径 厚 度 在 1 ． 0 5 ～ 2 ． O m 之 间 ， 最 大 冻 土 挖 掘 量 占 总 挖 土 量 的 5 2 ． 1 ； 第 2层 3 8 7 ． 7 5 ～4 4 3 ． 6 O m 粘 土 冻 土 进 入 荒 径 厚 度 在 1 ． 4 ～ 2 ． 6 5 m 之 间 ， 最 大 冻 土 挖 掘 量 占 总 挖 土 量 的 6 7 ． 1 。每 个 掘 砌 段 高 井帮位 移速 率 不超 过 3 mm／ h 测 试 时 间 6 h ， 没有 底 鼓 测 试 时 间 6 h 。 由 于 施 工 时 井 帮 冻 土温度较低 ， 冻结壁 强度高 ， 加上施 工 速度快 ， 井 帮暴 露 时 间 短 ， 井 帮 位 移 基 本 不 显 现 ， 从 而 确 保 了深 厚 粘 土 层 段 井 筒 掘 砌 施 工 安 全 。 实 践证 明 ， 控 制 帮 变形 必 须在 冻 结 设 计 时 提前考虑， 适时或提前进入强化冻结期 ， 提高深厚 粘 土层段 冻结 壁 强度 ； 同时 要加快 井 筒掘砌 速度 ， 维普资讯 第 1 期 荣传新等 丁集煤矿风井深厚粘土层段 冻结 施工技术 p 、 、 赠 {鼯 撒 累深 ／ m a 一 8 ． 一 9 ． - 9 ． 一 1 0 ． 一 1 0 ． 一 1 2 ． 赠 一 1 2 ． 辩一1 3 ． 欺 一 1 4 ． 一 1 5 ． 一 1 5 ． 一 l 6 ． 一 1 6 ． 累深 ／ m b 图 1 深 厚粘土层段井筒掘砌施工时实测 的井帮温度 a 第 1 层粘土 ， 埋深 3 4 9 ． 5 5 ～3 6 7 ． 7 5 m； b 第 2层粘 土， 埋深 3 8 7 - 7 5 ～4 4 3 - 6 0 m 累深 ／ m a 累深 ／ m b 图 2 深厚粘土层段井筒掘砌施工 时实测的冻土进入荒径厚度 a 第 1层粘土 ， 埋深 3 4 9 ． 5 5 --3 6 7 ． 7 5 m； 减少 井帮 暴露 时 间 ， 缩 短暴 露段 高 ， 并 尽 可能地 提 高外 壁混 凝 土 早期 强 度 。只有 这 样 ， 才 能收 到 较 好 的效果 。 5 结 语 1 丁集煤 矿风 井井 筒冻 结凿 井 实践 表 明 ， 垂 深 4 0 0 m 左 右 的 深厚 粘 土层 段 井 筒 掘 砌 施 工 中 ， 为 了保 证安 全 ， 井 帮 温度 应控 制在 一8 ℃ 以下 。 2 井 筒 通 过 深 厚 粘 土 层 段 应 采 用 短 段 掘 砌方 式 施 工 ， 掘 砌 段 高 一 般 应 控 制 在 2 ． 2～ 2 ． 8 m范 围内， 以缩短 井帮 暴露时 间 ， 减少 冻结 壁 变 形 ； 同时 要 尽 可 能 地 提 高 外 壁 混 凝 土 早 期 强 度 ， 使 其 能 承 受 住 早 期 冻 结 压 力 的 作 用 ， 防 I 被 压坏 。 作 者 简 介 荣传新 1 9 6 8～ ， 男 ， 副教授 ， 中国科 学技 术大 学 固体力学 专业在读博 士生。1 9 9 o年 毕业 于淮南 矿业学 院矿 井建设 专业 ， 主要 从 事 岩 土 工 程 和 结 构 工 程 方 面 的 教 学 和 科 研 工 作 。 b 第 2层粘土 ， 埋深 3 8 7 ． 7 5 ～4 4 3 ． 6 0 m AB M 2 0型 掘 锚 机 奥钢 联开 发 的 AB M2 0型掘 锚 机 与 连 续 采 煤 机 类 似 ， 但具 有 掘进 与锚 杆支 护 同时 作业 的特 点 ， 因 而 大大 提 高 了煤 巷掘 进 速 度 。AB M 型 掘 锚 机 最 多 可 装 备 4 台顶 板锚 杆机 和 2台 侧 帮锚 杆机 ， 距 掘 进 工 作 面 最 近 距 离约 1 ． 9 m， 理论 掘 进速 度每 班 5 6 ～7 2 m 机 器整 机 质 量 约 8 0 t ， 外 形 尺 寸 长 宽 高 为 1 1 m 4 ． 9 ～ 5 ． 2 m 2 ． 1 5 ～ 3 ． 0 m， 装 机 功 率 4 9 2 k W， 可 截 割 高 度 2 ． 3 ～4 ． 5 m， 可 截 割 宽 度 4 ． 9 ～ 5 ． 2 m， 截 割 滚 筒 直 径 1 ． 1 5 m， 滚 筒 转速 2 5 r ／ rai n ， 最 大 垂直 截割 力 3 0 0 k N， 截割 功 率 2 7 0 k W 机 器 可安 装 锚 杆 长 度 1 ． 8 ～ 2 ． 1 m， 锚 杆机 距 工 作 面 1 ． 9 m 机 器 行 走 速 度 5 ． 5～ 2 2 ． 0 m／ rai n ， 离地 间 隙 2 3 0 mm， 对 地 比压 0 ． 2 MP a 。机 器 带 有高 压 喷雾和 设备 自检系 统 ， 无 线遥 控操 纵 ， 可 编 程序 控 制 器控 制设 备功 能 。 我国已引进 7台 AB M2 0型掘锚 机 ， 分 别用 于晋 城 、 鲁 能、 兖州 、 神华 、 淮南矿 区煤矿 梅宁 a P a P u n 2 2 2 2 2 2 2 21111111 gg＼ 酸 粮制 始 2；；}1 gg＼ 跤 制 始 维普资讯