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6 6 矿业 工 程 M i n i n gE n g i n e e r i n g 第7 卷第5 期 2 0 0 9 年1 0 月 技术交流 冻结法凿井技术在铁矿山竖井中的应用 马毅敏1曹新海2 1 ．中钢矿业开发有限公司，北京1 0 0 0 8 0 ；2 ．中钢刘塘坊矿业公司，安徽刘塘坊2 3 7 4 7 1 摘要结合中钢刘塘坊工程条件，详细介绍了冻结施工技术与工艺，并对施工中出现的问题进行了分 析，积累了经验，对类似的竖井施工工艺选择提供了参考。 关键词冻结技术；冻结掘砌；工艺 中图分类号T D2 6 5 ．3文献标识码B文章编号1 6 7 l ～8 5 5 0 2 0 0 9 0 5 0 0 6 6 0 4 0 引言 冻结法起源于天然冻结。由于人工制冷技术的 发展和应用，产生了人工冻结。该技术在国外得到 了广泛的应用。我国煤矿于1 9 5 5 年在开滦林西风 井首次使用冻结法凿井。此后，冻结法凿井技术逐 渐推广到东北、华北、华东、中南地区。到2 0 0 6 年，冻结凿井已达5 0 0 余个，累计冻结深度8 0k m 以上，最大冻结深度也逐渐增加，山东省正在施工 的巨野煤田万福煤矿，冻结法凿井所通过的第四纪 表土层厚7 5 5 ．3I n 。冻结法凿井在煤矿建设实践中 显示了明显优势，而铁矿等金属矿山由于地层条件 不同，利用冻结法凿井技术刚刚开始。本文就冻结 法凿井技术原理、方案设计、施工工艺、结合工程 实践进行探讨，对同类矿山具有一定的借鉴作用。 1 冻结法凿井原理 冻结法凿井是利用传统的氨循环制冷技术来完 成的。它是在井筒开挖之前，利用人工制冷技术， 将井筒周围的不稳定地层和含水层冻结成封闭的不 透水的帷幕冻结壁，用以承受地压和隔绝地下 水和砂的涌入，然后在冻结壁的保护下进行掘进与 支护的特殊施工方法，称为人工冻结法 冻结法 。 其实质就是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结 地层。 为形成冻结壁，首先在欲开挖井筒的周围打一 定数量的冻结孑L ，孔内安装冻结器。低温盐水在冻 收稿几期2 0 0 9 0 4 - - 0 8 作者简介马毅敏 1 9 6 3 一 ，男 汉族 ，中钢矿业公司技术计划 部高级工程师，经理。 结器中流动，吸收其周围地层之热量，形成冻结圆 柱。冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭的冻结壁，直 至达到其设计厚度和强度为止。 2 人工冻结法施工的主要工艺 冻结法施工主要工艺过程1 冷冻站设 计与安装。整个制冷系统由三大循环构成氨、盐 水和冷却水循环系统。这种制冷系统可获得约一 3 5 ℃的低温盐水；2 钻孔施工。钻孔包括冻结孔、 水位观察孔、测温孑L ；3 冻结器铺设；4 工程冻 结，包括积极冻结和维持冻结两个阶段；5 工程 掘砌。 人工冻结法的主要优点1 适应性强。 它适应于各种复杂地质及水文地质条件下的任何含 水地层的土层加固，并且基本不受基坑形式、平面 尺寸和深度的影响；2 支护结构灵活、易控制。 可根据不同地质条件、环境及场地条件灵活布置冻 结孔、调节冷媒水的温度，从而获得高质量的冻土 帷幕；3 隔水性好。防渗性能是其它施工方法无 法相比的；4 对环境影响小。它充分利用土体自 身的特点，材料是土体本身，对地下水及周围环境 无污染，冻结壁解冻后，冻结管可回收，地下土层 恢复原状，对地下工程较为有利。 3 冻结法凿井方案设计 3 ．1 工程概况 安徽省霍邱县刘塘坊铁矿为一沉积变质型低品 位铁矿床，矿床规模中等。矿体赋存于上太古界吴 集组片麻岩与变粒岩地层中，第四系广泛分布于矿 区浅部，厚约2 5 0 ～2 7 0m ，主要由粘土、亚粘土、 万方数据 2 0 0 9 年第5 期马毅敏等冻结法凿井技术在铁矿山竖井中的应用 6 7 砂与粉砂层等组成，与下伏地层呈不整合接触。其 中砂层呈夹层或透镜体状分布于粘性土层之间，主 要为细砂、粉砂、含砾细砂，局部为中粗砂、含砾 中粗砂等。矿床内钻孔揭露单层砂层最大厚度 6 2 ．6 6m ，最小厚度0 ．6 7m ，单孑L 揭露砂层累计 总厚3 4 ．0 6 ～1 4 1 ．0 2m ，该砂层为矿床 区 主要 含水层，含孑L 隙承压水。 3 ．2 竖井施工方案选择 根据该矿体上部第四系表土层较厚约2 6 0m ， 且含水砂层呈夹层或透镜体状分布于粘性土层之 间，含水砂层多达9 层，因此无法采用普通啜井施 工工艺施工，经研究可供选择的施工方法有冻结法 及钻井法两种施工工艺，经方案综合比较，由于矿 床上部大多为稻田，钻井法施工的废浆需占用大量 稻田，因此采用冻结法施工工艺。 3 ．3 井筒冻结施工方案 设计采用一次全深双排孔冻结施工方案，即 主排孔 辅助孔布置。 3 ．3 ．1 井筒冻结壁厚设计 扎列茨基公式计算 E 一万丝 口 段高h 2 ．5m 时，冻结壁厚E 一3 ．4 9m 。 按国内经验公式计算冻结壁厚 E 一0 ．0 4 口XH o 6 1 式中口井筒掘进半径，口措一3 ．2m ，口西一 3 ．4 5m ；H 计算深，H 措一2 3 9m ，H 西 2 3 9m 。 计算得E 措一3 ．4 4 5m ，E 西一3 ．7 2 7m 。 综合各种方法计算结果，并结合工程类比和特 点，确定措施井、西风井冻结壁厚E 措一3 ．5m ， E 西一3 ．7 5m 。 3 ．3 ．2 冻结孔布置 根据冻结壁设计的原则，结合冻结壁厚度、掘 进荒径的变化及掘进速度要求，并考虑以往井筒冻 结施工经验，综合确定各排冻结孑L 布置圈直径、开 孔间距、冻结深度及方式，以满足冻结壁厚度及平 均温度的要求。 表1冻结并筒主要技术参数 3 ．3 ．3 水文孔、测温孔布置设计 水文观测孔。根据水文地质资料，每井设 计一个水文观测孔。水文管采用D 1 0 8m m X 5m m 低碳钢无缝钢管，外管箍对焊连接。 测温孑L 布置设计。每井设计布置两个测温 孑L ，以反映不同方位、深度的冻结温度。具体位置和 深度视施工情况、监测、科研需要进行调整。测温孔 内下放D 8 9n l l T l X4 ．51 T 1 1 T I 无缝钢管，外管箍焊接， 底端封实，管内不需灌水和试压，但不得渗漏水。 3 ．4 井筒冻结基本参数 冻结盐水温度t ，一⋯2 6 3 0 ℃ 积极 冻结期 ； 控制层位及冻土平均温度的选取设计控 制层埋深2 3 9m 含钙质亚粘土层；设计冻结壁 平均温度一1 0 ℃； 冻土抗压强度按建井手册 第四册 选 取盯一1 0 ℃一5 ．4M P a ；安全系数取T ／Z 一1 ．4 ； 冻结井帮温度一2 0 0m 以下约一5 。C ； 钻孔径向内偏值冲积层一2 0 0m 以下≤ 3 0 0m m 。 3 ．5 冻结时间的确定 表2 冻结时间确定原则1 井筒施工时上部 无不合理片帮，冲积层底部井帮温度约一5 ℃；2 冻结壁平均温度、厚度达到设计要求；3 开挖前 冻结时间较短。 表2 冻结时间确定 4 冻结造孑L 施工 4 ．1 设备选型和钻具组合 造孔设备。根据冻结钻孔设计要求和工期 万方数据 6 8 矿业 工 程 第7 卷第5 期 安排需要，本工程选择T S J 一2 0 0 0 水井钻机同时 进行施工。拟措施井和西风井各投入3 台套钻机。 该机转盘扭矩大，提升能力高，是理想的深冻结孔 施工设备。每台钻机配套T B w 8 5 0 ／5 0 型泥浆泵两 台，一工一备，以保证工期，防止孔内事故发生。 测斜、纠偏设备。冻结钻孑L 上部0 ～8 0 1 2 0 m 段采用经纬仪配套进行灯光测斜；8 0 1 2 0 m 以下使用最先进的J D T 一5 A 型陀螺测斜 定向仪测井，配备两台套，一工一备，该仪器还用 于井下动力钻具纠偏时定向。 钻具选择和组合。本工程选用D 8 9m m 1 0m m 外加厚组合系统。正常钻进组合1 0 8m m 1 0 8m m 四方钻杆 D 8 9m m 钻杆 仍1 7 7 ．8 石油 钻铤 约3 0m ／4 根 D 1 9 0m m 三牙轮钻头。 4 ．2 工程量及工期 西风井1 11 9 0m 、措施井1 03 4 0m ，工期分 别为5 6 和5 2 天。 5 冻结段掘砌 5 ．1 设备配置 提升设备。西风井、措施井均选用J K 一 2 ．5 ／2 0 绞车配单钩2 ．5m 3 吊桶提升，采用座钩式 自动翻矸，西风井采用ⅢG 型钢管井架，措施井采 用ⅡG 型钢管井架。L W 一5 2 1 F 装载机，配两台 5t 自卸式汽车排矸。 抓岩设备。冻结段施工采用H Z 一4 型中 心回转抓岩机挖土装罐，配以人工用铁锹、高效风 铲、风镐掘进刷帮。砾石层及基岩风化带采用浅眼 钻爆法施工。 井筒支护。采用M J Y 一4 ．0 ／3 ．5 型液压 可变径整体金属整体模板砌筑外壁，T D X 一1 ．6 型 底卸式吊桶下放混凝土，经分灰器或溜槽入模。外 壁施工时应加强同冻结单位的密切配合，做到冻土 发展与井筒掘砌相适应。 根据井筒特征和施工设计布置，外壁施工采用 掘进、绑扎钢筋、立模、混凝土浇灌单循环掘砌作 业，掘砌段高视地质条件和冻结情况实际在2 ．7 ～ 3 ．7m 合理调整。 内壁砌筑选用伞型结构液压滑模。混凝土用 T D X 一1 ．6 型底卸式吊桶经分灰器直接浇注入模。 在井口南侧设砂、石料场和混凝土集中搅拌 站，配备一台J S 一5 0 0 型水平双卧轴强制式混凝土 搅拌机及一台P L D 一8 0 0 型电脑自动计量配料机， 使用Z L 一5 2 1 F 型装载机上料，外加剂采用人工配 料添加。 5 ．2 施工进度 井筒掘砌施工队伍自2 0 0 8 年3 月2 5 日进场施 工准备，至2 0 0 9 年2 月1 7 日，西风井内壁砌筑结 束，冻结段掘砌工程结束，历时3 2 9 天。工程进展 比较顺利 西风井施工进度外壁掘砌7 8 ．3 7m ／月 其 中采用2 ．2m 模板进度9 8 ．3m ／月；3 ．7m 模板进 度6 6 ．7m ／月 ，内壁砌筑1 8 7 ．5 6m ／月； 措施井施工进度外壁掘砌7 3 ．3 8m ／月 其 中采用2 ．3 5m 模板进度5 7 ．5m ／月；3 ．7m 模板 进度7 8 ．5 6m ／月 ，内壁砌筑2 4 3 ．2 4m ／月。 5 ．3 施工中出现的问题 西风井外层井壁出现开裂。西风井在冻结 段掘砌施工到标高一1 7 4 ．2m 时，发现上部井筒外 壁一1 5 5 ．7 ～一1 7 0 ．5m 段出现许多环行裂纹，局 部混凝土井壁出现错动位移，最大位移量1 0c m ， 后及时采用环行井圈加背板加固措施，同时将混凝 土强度由C 4 0 提高到C 5 0 ，泡沫板由5 0m m 加厚 到7 5m m 。外壁施工结束后，又发现该段局部加 固的井壁出现膨胀开裂，原来加固的环行井圈被挤 压弯曲变形。因此在内壁滑模上升到该段时，对破 裂处进行二次加固处理，将原混凝土外壁破除，发 现外壁钢筋已成S 状，内层冻结管被压扁，处理时 将弯曲钢筋处进行了焊接加固，二次施工环行井圈 加背板加固措施，和内层井壁浇筑在一起。 分析其原因主要是西风井冻结钻孔施工时，有 4 个孔由于复测后压力上不去，无法使用只好报 废。重新选孔位施工冻结孔，因此冻结孔实际布置 不均匀，造成井筒冻结壁冻结不均匀，井筒外壁掘 砌施工中西北部连续几模冻结壁冻土片帮严重，往 往模板固定好后听到有片帮。虽然经过处理，但是 对施工质量还会有较大影响。 冻土段下部由于开挖难度较大，采用了松 动爆破。措施井外壁施工到2 5 9 ．0 5m ，西风井施 工到2 3 3 ．1m 时，冻结圈冻土用人工风镐开挖十 分困难，每循环时间最高达1 2 0 小时，正常4 0 小 时。这样不仅进度慢，而且冻土暴露时间长还会影 响到冻结管的破坏，经研究后决定采用松动爆破措 施。根据实际情况，松动爆破圈距离冻结管由2m 逐渐为1 ．5m ，松动爆破深1 ．5m ，采用爆破后减 少了作业人员劳动强度，提高了施工速度，并未出 万方数据 2 0 0 9 年第5 期 马毅敏等冻结法凿井技术在铁矿山竖井中的应用 6 9 现冻结管被爆破破坏现象。 过度冻结的原因是冻结孔交圈冒水后，随着冻 结时间的推移，冻结圈逐步向井中心扩展，温度越 来越低，因此井壁冻结开挖困难。在施工中发现开 挖困难时及时关闭了内层冻结孔，但是效果不明显。 6 结语 冻结井筒的掘砌是相辅相成的，从冻结砂 层交圈冒水开始，冻结圈的扩展和掘砌进度关系密 切，掘砌进度上不去，冻结圈向井中扩展，势必造 成冻土开挖困难，掘砌进度更困难，因此提高掘砌 进度在冻结施工中非常重要。 井筒施工工程地质孔应根据实际地质情况 而定，对于冻结施工，主要参考地表第四系含水层 厚度。刘塘坊矿床地表第四系厚度比较均匀，在西 风井、措施井施工中没有施工工程地质孔，参考附 近地质钻孔资料，西风井最近钻孔2 3 1m 、措施井 1 5 5m 。在实际施工中，措施井和钻孔基本吻合， 西风井偏差较大，在今后的施工中还需进一步深入 研究。 参考文献 [ 1 ] 人工冻结法凿井技术优点及冻结壁计算方法[ J ] ．西部探 矿工程，2 0 0 6 9 ． [ 2 ] 简明建井工程手册[ M ] ．煤炭工业出版社．2 0 0 7 ． r 3 ] 中煤第七十一工程处．刘塘坊铁矿井筒冻结施工组织设计． F r o z e nm e t h o da p p l i e di ne x c a v a t i o no fv e r t i c a ls h a f to fi r o no r em i n e M AY i - m i n l ．C A OX i n - h a i 2 1 ．M i n i n gD e v e l o p m e n tC o m p a n yL t do fC h i n aI r o n S t e e lC o r p o r a t i o n ，B e i j i n g1 0 0 0 8 0 ； 2 ．L i u t a n g f a n gM i n i n gC o m p a n yo fC I S C ，L i u t a n g f a n g2 3 7 4 71 ，C h i n a A b s t r a c t O nt h eb a s i so fe x p l a n a t i o no fm i n i n gc o n d i t i o n si nL i u t a n g f a n gI r o nO r eM i n e 。t h et e c h n o l o g y ＆p r o c e s s e so f f r o z e nm e t h o da p p l i e dt Oe x c a v a t ev e r t i c a ls h a f ta n dt h ee x i s t e n tp r o b l e m sd u r i n ge x c a v a t i o na r ed i s c u s s e d ．T h ee x p e r i e n c e so f L i u t a n g f a n gM i n ea r er e f e r e n t i a lf o rs i m i l a rp r o j e c t s ． K e yw o r d s f r o z e nt e c h n o l o g y ；e x c a v a t i n g b r i c k l a y i n gu n d e rf r o z e nc o n d i t i o n ；t e c h n o l o g y 中国期刊方阵“双高”期刊“国家期刊奖”获奖期刊 中文核心期刊中国建筑科学类核心期刊C S C D 核心库及国际建筑数据库收录期刊 工业建筑 月刊 邮发代号2 8 2 5单价1 0 元全年价1 2 0 元 工业建筑由中国钢铁工业协会主管，中冶集团建筑研究总院主办，1 9 6 4 年创刊。重点报道建 { 筑设计、建筑结构、地基和基础、建筑材料、施工技术等方面的应用研究成果及开发技术，突出工业 建筑、钢结构、鉴定加固技术等特点；优先报道国家或者省部科学基金资助项目和重大工程建设；内 { 容丰富翔实，理论结合实际。适合土木工程界广大科研、设计、教学、施工等专业技术人员及高校师 j 生阅读。 ；工业建筑为大1 6 开本，9 6 页，每月2 0 日出版，国内外公开发行。全国各地邮局均可订阅 ； 邮发代号2 8 2 5 ，也可直接汇款到本编辑部订阅。 ； 工业建筑兼营广告，每年8 月开始征订下一年广告，收费合理，具有一定规模，是展示企业 { 形象的理想舞台。 ； 本刊地址北京市海淀区西土城路3 3 号；邮编1 0 0 0 8 8 1 E m a i l g y j z c h i n a j o u r n a l ．n e tc r l ’ {联系电话0 1 0 - - 8 2 2 2 7 1 9 1 ／7 6 7 7 ／7 2 3 8 ／7 2 3 9 广告 10 1 0 - - 8 2 2 2 7 2 3 7 ／8 0 4 3 ／8 9 2 7 编辑 8 2 2 2 7 2 3 6 发行 ；0 1 0 8 2 2 2 7 0 0 8 ／7 2 3 9 传真 广告许可证京海工商广字0 0 3 7 I 、．． 万方数据 冻结法凿井技术在铁矿山竖井中的应用冻结法凿井技术在铁矿山竖井中的应用 作者马毅敏， 曹新海 作者单位马毅敏中钢矿业开发有限公司,北京,100080， 曹新海中钢刘塘坊矿业公司,安徽,刘塘坊 ,237471 刊名 矿业工程 英文刊名MINING ENGINEERING 年，卷期2009，75 引用次数0次 参考文献3条参考文献3条 1.人工冻结法凿井技术优点及冻结壁计算方法[J].西部探矿工程,20069. 2.简明建井工程手册[M].煤炭工业出版社.2007. 3.中煤第七十一工程处.刘塘坊铁矿井筒冻结施工组织设计. 相似文献0条相似文献0条 本文链接 下载时间2009年12月31日