人工冻结技术在蒙西深厚软岩地层的应用

路 忠 刘玉平

(达旗煤炭局安监站，内蒙古 鄂尔多斯 014316)



人工冻结技术在蒙西深厚软岩地层的应用

路 忠 刘玉平

(达旗煤炭局安监站，内蒙古 鄂尔多斯 014316)

基于内蒙古西部地区某矿深厚软岩地层的水文地质特点，选用了单圈布孔冻结设计方案，并阐述了该方案的具体施工技术，既为掘砌工程创造了良好的施工环境，又取得了显著的经济效益，为西部类似地层冻结井方案设计提供借鉴。

冲积层，软岩，富含水层，冻结方案

随着西部煤炭资源的持续开采，煤田赋存条件由原来的浅埋少水低瓦斯逐渐向深埋富水高瓦斯转变。内蒙古西部地区某矿位于达拉特旗西南部，设计生产能力为6.00 Mt/年，主井采用斜井开拓，副井及回风井采用竖井方式开拓。主斜井采用普通法凿井，水泵逐级排水。副井、回风井采用人工冻结法方式开拓。回风井井筒深度465 m，冻结深度477 m，净直径7.2 m，采用双层现浇钢筋混凝土结构[1-11]。

1 地质及水文条件

井筒场地地表全部被第四系松散沉积物所覆盖，局部基岩出露。根据钻孔揭露，井筒地层由老至新为：侏罗系中统延安组(J2y)、侏罗系中统直罗组(J2z)、侏罗系中统安定组(J2a)、白垩系下统志丹群(K1zh)和第四系(Q)。场地地下水含水层包括：

白垩系下统志丹群(K1zh)孔隙潜水全区分布，岩性为各种粒级的砂岩、砂砾岩及砾岩，夹砂质泥岩。水位埋深1.85 m，含水层厚度25.45 m，静止水位标高1 394.51 m，水柱高度25.45 m，涌水量0.039 L/s，渗透系数0.009 672 m/d，富水性弱。

侏罗系中统(J2a—J2z)碎屑岩类承压水含水层，岩性为青灰色中、粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩。厚度269.98 m～312.50 m，平均297.79 m。该组地层结构疏松，孔隙率相对较高。水位埋深89.44 m，静止水位标高1 351.67 m，含水层厚度262.00 m，涌水量0.303 L/s，渗透系数0.007 646 m/d，富水性弱。

侏罗系中下统延安组(J2y)碎屑岩类承压水含水层包括③-1煤层顶板延安组段砂岩裂隙含水层、③-1煤层底板至④-2煤层顶板砂岩裂隙含水层。其中延安组砂岩裂隙含水层厚度74.75 m，水位埋深66.78 m，静止水位标高1 345.40 m，涌水量0.427 L/s，渗透系数0.040 34 m/d，富水性弱。③-1煤层底板至④-2煤层顶板砂岩裂隙含水层厚度45.66 m，水位埋深119.06 m，静止水位标高1 324.79 m，涌水量0.186 L/s，渗透系数0.005 568 m/d，富水性弱。

2 针对地层特点的冻结方案设计

由表1可见，该地层第四系地层较薄，厚度仅0.9 m。井筒穿越地层几近全部由软岩组成，其中砂岩和含砾砂岩分别占75.81%和7.5%。根据实际揭露岩样，岩石在自然状态下强度较高，平均为15 MPa，但遇水浸泡饱和后强度急剧下降，平均为0.3 MPa。几乎可忽略。在井筒掘进段高设计时应采取充分的迎头疏排水措施，防止迎头大范围遇水，围岩强度整体丧失，威胁井筒围岩稳定性，造成冻结管大位移断裂。

表1 回风井地层统计

针对该井筒所处地层岩性及水文地质特点，采用单圈孔、大流量冻结方案和监测信息化施工技术。在设计阶段严格区分西部软岩与东部深厚冲积层冻结壁发展规律和特点，针对西部软岩强度大，自然状态下自稳性好，冻结工程主要目的在于防水而不需过多考虑冻土强度，采用单圈孔小圈径布孔方案以节省冷量，采用大流量冻结方案以增大冻土前期温度梯度，加速冻结壁前期扩展速度，加大冻土形成阶段的冻土温降速率，以缩短总制冷时间。

3 实际冻结工程施工

采用单圈孔冻结方式，冻结深度477 m，300 m以上地层冻结孔采用140×5 mm的优质20号低碳钢无缝钢管，300 m以下地层采用140×6 mm的优质20号低碳钢无缝钢管。接头形式采用内衬管对焊焊接。按快速冻结要求，并考虑合理提高冻结效率，逐级降低盐水温度。设计要求冻结15 d盐水温度降到-20 ℃以下，开挖时达到-30 ℃以下。开始套内壁后转入维护冻结，盐水温度控制在-22 ℃～-25 ℃之间。冻结孔的单孔盐水流量均取15 m3/h。控制层设计冻结壁平均温度低于-8 ℃,设计风井井帮温度为-4 ℃～-6 ℃。按重液公式计算控制层处地压值。冻土的单轴极限抗压强度按类似地层中数据选取，冻土温度(冻结壁平均温度)取-8 ℃左右。安全系数取2.2。

采用多姆克公式计算冻结壁厚度。

其中，E为计算的冻结壁厚度，m；R为井筒掘进半径，m；P为计算水平的地压，MPa；K为冻土计算强度，MPa。采用成冰公式计算冻结壁的平均温度，即:

tc=t0c+0.275tn。

其中，tc为按冻结壁有效厚度计算的平均温度，℃；t0c为按冻结壁0 ℃边界计算的平均温度，℃；tn为计算水平的井帮冻土温度，℃，未冻时取0；tb为冻结盐水温度，℃；L为计算水平的冻结孔最大间距，m；E为冻结壁有效厚度，m。

冻结孔偏斜率不大于0.18%。质量控制时：向井心偏斜不大于200 mm。冻结孔平均钻进效率取1 950 m/(台·月)，布置4台钻机。预计井筒冻结壁交圈时间均为57 d，积极冻结65 d可以试挖。采用加大冻结管盐水流量等技术措施，使冻结期内冻结管散热能力大大提高，计算出低温工况制冷量为：风井低温最大需冷量为：Q风井=178.3万大卡/h,考虑到20%的干管冷量损失，风井冻结所需的冻结站制冷量为：Q风井冻结站=214万大卡/h。装备5台W-SAHLG25ⅢT220/20Ⅲ250双级螺杆式压缩机组，其中4台使用，1台备用。采用QEF240/800虹吸式蒸发器5台和节水型的SWL-1620蒸发式冷凝器5台。按照冷冻机组产品说明书，需新水补给量约为20 m3/h。

4 结语

设计冻结壁发展速度25 mm/d，井筒开挖后根据测温孔数据分析，冻结壁发展速度为28 mm/d，实际冻结壁发展速度较设计值快12%。冻结壁设计交圈时间57 d，施工实际在开机50 d时水文孔持续规律冒水，证明交圈。较设计提前7 d。开挖后井筒核心部分4 m直径范围内土体保持在正温为井筒快速掘进提供了良好的条件，证明采用大圈径布孔，大温度梯度快速冻结的方式进行冻结方案设计可以取得客观的工程效果。开挖后良好的冻土范围控制表明整个冻结工程在冻结孔造孔偏斜控制、冻结系统前期运行状态、氯化钙溶液降温速率，地层温度下降速率等方面较好的实现了工程方案设计的宗旨，工程提前7 d交圈并具备开挖条件。井筒开挖后揭露冻结壁强度良好，很好的满足了精通掘进防水封水的要求。

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Application of artificial freezing technology in deep soft rock stratum of Mengxi

Lu Zhong Liu Yuping

(DaqiCoalBureauSecuritySupervisionStation,Erdos014316,China)

Based on the hydrological and geological characteristics of the deep soft rock strata in western Inner Mongolia, the scheme of single-ring hole freezing is chosen, which not only creates a good construction environment for excavation construction, but also obtains good economic benefit for the western part of the freezing well design for reference.

alluvial layer, soft rock, rich water layer, freezing program

1009-6825(2017)10-0079-03

2017-01-21

路 忠(1972- )，男，工程师； 刘玉平(1970- )，男，工程师

TU472.9

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