神木市升富煤矿回风立井冻结施工技术研究.pdf

2020.25 科学技术创新 神木市升富煤矿回风立井冻结施工技术研究 吴 创 （煤炭工业西安工程造价管理站， 陕西 西安 710000） 近十年来随着西部大开发战略的 不断深入推进，我国西部地区的煤炭 资源开采能力大幅度提升， 新建、 改扩 建矿井数量剧增。建设期间发现西部 地区第四系冲积层埋藏深度相对较浅, 而白垩系砂岩地层厚度一般较大,且孔 隙裂隙发育,为主要含水层,隔水层分 布较少,厚度较薄,侏罗系地层虽在水 文地质资料中多描述为弱含水层,但实 际揭露的水量一般都远大于预计。[1-2] 考虑到上覆岩层强度低、 富含水、 可注 性差、 遇风崩解、 遇水泥化且可注性差， 采取普通钻井法或注浆 法施工井筒都具有了一定的困难， 无论是在工期、 质量、 安全上 都难以完全保证， 为了解决这个问题， 一般采用冻结法施工， 所 谓冻结法是用人工制冷的方法, 将地下工程周围含水岩土层冻 结封闭,形成一个按照设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体,用以 抵抗岩土压力,隔绝地下水,并在冻土墙的保护下进行地下工程 施工的一种岩土特殊施工方法。这种方法不仅法封水效果好而 且工艺也相对成熟。 1 工程概况 神木县升富矿业有限公司煤矿位于陕西省神木市西北约 25km 处， 设计生产能力 120 万吨 / 年， 选择即主斜井、 副斜井、 回风立井混合开拓。回风立井井筒深度 163.35m， 净直径 6.0m， 最大掘进荒直径 8.3m， 承担全矿井回风任务。 井筒区地表全部被第四系风积沙覆盖， 根据钻孔资料， 可将 工作将区内含水层由上至下划分为 6 层。 分别为①第四系全新 统风积沙孔隙潜水含水层 （Q4eol） ； ②第四系上更新统萨拉乌苏 组孔隙潜水含水层 （Q3s） ； ③第四系中更新统离石黄土弱含水 层 （Q2l） ； ④侏罗系中统直罗组上部风化基岩孔隙裂隙承压水含 水层（J2z 上） ；⑤侏罗系中统直罗组孔隙裂隙承压含水层 （J2z ） ； ⑥侏罗系中统延安组第四段孔隙裂隙承压含水层 （J2y4） 。含 水层主要特征见表 1。 2 井筒冻结施工设计 2.1 冻结深度 根据规范要求， 井简冻结深度必须穿过冲积层、 风化带深至 稳定基岩 10m 以上,或超过永久支护 5-8m， 根据井筒地层条件 及涌水量, 确定冻结深度为穿过侏罗系中统直罗组孔隙裂隙承 压含水层 （J2z ） 20m,则冻结深度为 140m。 2.2 冻结壁 积极冻结期盐水温度为 -26～-28℃； 控制层位冻结壁平均 温度 -8℃。 由于基岩冻壁的受力态与冲积层中比较并未发生本质变化, 冻结壁仍然处于弹性 - 粘滞体状态， 在外荷载作用下仍然呈现 出弹性区和塑性区,并且产生塑性变形,当塑性区或塑性变形量 超过允许值时， 冻结壁和冻结管将会受到破坏。据此分析,该工 程冻结壁均看作是无限长弹、 塑性厚壁筒的力学模型。[3] 综合考虑 矿山立井冻结法施工及质量标准 ， 根据地质条 件按照有限长塑性体强度条件选取如下公式计算冻结壁厚 根据工程实践和大量研究成果[4],同时与神木地区相似工程 进行类比对井壁冻结厚度进行论证在公式计算的基础上， 综合 考虑还应根据地层深度、 岩性、 冻土试验和含水层等资料,并结 合掘砌施工速度指标、 冻结壁发展情况、 井筒开挖时间等因素， 确定冻结壁厚度为 2.7 m。 2.3 冻结孔布置 由于底层以孔隙含水为主， 冻结的根本任务是封水， 故采用 “主冻结 防片帮冻结孔” 方式布置， 考虑到主冻结孔至井筒最 大掘进荒径的距离宜控制在 2.83. 5m 之间;防片帮孔至井简掘 作者简介 吴创 （1973,5-， 男， 汉族， 河北省张家口市， 西北工业大学大专学历，2014年建筑工程技术毕业， 矿建工程师， 拟评 高级工程师。 序号 名称 厚度 m 岩性描述 1 Q4eol 4.0～5.5 浅黄色、褐黄色细沙、粉沙，疏松，属透水不含水层组 2 Q3s 19.3～31.0 灰褐色中细粒沙，灰白色、灰黄色细沙及粉细砂，透水性强，富水性弱 3 Q2l 10.4～34.0 黄色粉砂土，局部地段下部夹砂层透镜体，垂直裂隙发育，垂向渗透 性能较好 4 J2z 上 30.0～49.7 灰黄色，黄绿色，短柱状，手捏易碎，风化强度一般为上强下弱 5 J2z 64.5～88.9 上部以团块状泥岩、粉砂岩为主，夹细粒长石砂岩，下部为中、粗粒长石 砂岩夹灰泥岩、粉砂岩，裂隙不发育 6 J2y4 10.3～26.7 浅灰色中细粒砂岩与砂质泥岩、 炭质泥岩互层，地层中粉砂岩与砂质泥岩 等成层状，裂隙发育微弱，透水性差，该含水层段富水性弱 表 1 含水层主要特征表 31 ph Ekx s - 摘要 结合实际， 针对神木市升富煤矿回风立井冻结施工技术进行了论述。 关键词 煤矿； 回风立井； 冻结施工技术 中图分类号院TD262文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2020冤25-0137-02 137-- 科学技术创新 2020.25 进荒径的距离宜控制在 1.01.2m 之间,孔深宜穿过强风化带。 故 布置圈径分别为 11.6m 和 10.4m；结合主冻结孔开孔间距宜为 1.3-1.4m,防片帮孔开孔间距宜为 1.9-2.1m， 确定钻孔孔数分别 为 28 和 14。具体布置见下图 1。 图 1 钻孔位置布置图 冻结管规格选用 Φ1085mm 的 20 低碳钢无缝钢管， 内 衬箍焊接连接； 管内下放 Ф625m 聚乙烯塑料管作为供液管。 井筒内设计布置 1 个水文孔，报导冻结基岩风化带底部含 水层的冻结情况。为了准确掌握冻结温度场变化情况，设计 2 个测温孔， 分别布置在主、 界面上， 温度测点在各孔内沿垂直方 向宜每隔 20～50m 左右布置一个测点， 以监测不同方位、 不同 深度地层的冻结温度。 2.4 冻结制冷设备 为保证冷冻站具有足够的制冷量，制冷设备选型需要采用 如下公式提前计算所需冷量。 Q πdnHq（Kcal/h） 式中 d- 冻结管直径 （m） ； n- 冻结管数目 （个） ； H- 冻结深度 （m） ； q- 冻结管吸热效率 （Kcal/m2 h） ， 取 280Kcal/m2 h。 经计算得 Q 40.7104Kcal/h 考虑富裕系数冻结站需冷量应为 1.2 倍的 Q 及 48.8104 Kcal/h。故建议选 2 组 TBS1100.2JT 型及 1 组 W-FYSLGF600III 型螺杆机组 （备用） ，冷冻站装机工况制冷量为 73.1 104Kcal/h， 满足冻结需要。 同时选用循环盐水采用含盐量 26.6， 波美度 29Be， 比重 为 1250kg/m3氯化钙溶液，盐水总循环量按照平均每孔盐水流 量≥10m3/h 来计算， 应大于 310m3/h。 3 冻结效果及研究意义 经过 46 天的积极冻结期间盐水温度低于设计温度， 最低达 到 -32.3℃， 维护冻结期盐水温度最低达到 -24.1℃。达到开挖 条件， 冻结壁有效厚度为 2.8m， 冻土壁温度最低达到 13.6℃， 平 均温度为 -11C，经冻结后施工期间全井筒井壁无水渗出， 满 足井筒冻结段安全、 连续施工的要求。 通过对神木市升富煤矿回风立井冻结施工技术研究，不仅 为其矿井的副斜井冻结施工提供理论基础及现场经验， 而且为 所在地区同类地质条件的井筒施工提供重要参考。 参考文献 [1]路耀华,崔增书.中国煤矿建井技术[M].徐州中国矿业大学出 版社,1995. [2]孙如华,郑志军.我国深厚冲击层冻结法施工研究现状及其发 展[D].武汉武汉理工大学,2008. [3]程志彬,张步均.深立井软岩底层冻结施工关键技术讨论[J],煤 炭工程,2018,51-53. [4]李功洲,陈章庆.深厚冲基层冻结井壁设计计算体系研究与应 用[J].煤炭工程,2015,4711-4. 138--