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第27卷第6期 建 井 技 术Vol127 No16 2006年 12月 MINE CONSTRUCTION TECHNOLOGYDec1 2006 问题探讨 淮南矿区冻结法凿井的几个关键技术问题 金 川 淮南矿业集团公司,安徽 淮南,232001 摘 要结合淮南矿区新建矿井井筒冻结设计、 制冷设备的选择、 井帮温度的确定、 监测及 信息化管理等方面的工程实践,提出了冻结法快速凿井中的几个关键技术问题,并就有关问题 进行了探讨。 关键词冻结法凿井;关键技术问题;淮南矿区;快速凿井;信息化技术 中图分类号TD26513 文献标识码A 文章编号1002Ο6029200606Ο0026Ο04 收稿日期2006Ο10Ο20 1 概 述 随着我国对煤炭的需求不断增加,淮南矿业 集团公司提出了将集团公司煤炭年产量提高到 1亿t的宏伟计划。为了实现这一目标,集团公 司近年来先后筹建了7对矿井。 淮南潘谢矿区位于淮河以北,东西长约 70km ,南北宽约4～18km ,煤炭储量150亿t ,为 全隐蔽型煤田。煤系地层上覆新生界松散层厚度 约140～730m ,东部较薄,西部较厚。松散层一般 由3个含水层和2～3个隔水层组成。根据大量 的钻探资料,矿区松散层一般以砂层、 砂质粘土层 为主;下部主要为固结粘土,平均厚约40m ,分布 广泛,膨胀性较强,是冻结法凿井最难冻结和施工 的地层。下部含水层多为中等偏强的含水层,且 在许多地段与煤系露头直接接触,对煤层,尤其是 浅部煤层开采及矿井涌水有直接影响。附表给出 了淮南矿区新生界松散层中砂层、 粘土层的分布 情况。根据淮南矿区地质条件的特点,目前,淮南 矿业集团新建矿井井筒均采用冻结法施工。 附表 淮南矿区新生界松散层中砂层、 粘土层的分布情况 矿 井 名 称 新生界松散层 总厚度 / m 总层数 /层 中粗以上砂 层数 /层 厚度 / m 比例 细、 粉砂 层数 /层 厚度 / m 比例 粘性土 层数 /层 厚度 / m 比例 张集矿 张北矿 顾桥矿 丁集矿 顾北矿 朱集矿 32712 324105 32514 52116 464135 31511 43 62 53 108 88 53 14 19 15 39 15 14 75191 10211 111129 27516 10814 14318 2312 3115 3412 5218 23134 45164 14 13 12 10 29 14 78153 51150 44158 19140 86106 42181 24 1519 1317 317 18154 13158 15 30 26 59 44 25 172176 170145 169153 22616 269189 128149 5218 5216 5211 4315 58112 40178 进入21世纪后,矿井设计理念得到了提升。 为实现矿井早日投产,矿井开采方式大多改为前 进式,投产前的岩石巷道工程量大大减少,矿井建 设工期也由过去的10余年缩短到目前的2～3 年。整个建井工期中,井筒、 主要岩石巷道和采区 巷道各占1/ 3左右。可见,井筒施工速度直接影 响到投资效益。就矿井建设本身而言,冻结段的 施工安全与速度不仅决定着矿井建设的快慢,更 决定着矿井建设的成败。目前,在井筒冻结表土 段掘砌施工中,装岩、 提升及混凝土浇筑工艺已完 全能够满足快速施工的要求。在这种情况下,深 入进行冻结设计、 冻结钻孔施工、 冻结工艺、 制冷 设备、 快速掘进、 安全监测和信息化管理等方面的 研究,为安全快速施工创造更为有利的条件,对提 高建井技术水平具有重要的现实意义。 2 实现快速凿井的关键技术 211 冻结设计 第6期 金 川淮南矿区冻结法凿井的几个关键技术问题 冻结法主要是解决通过不稳定冲积层及邻近 的基岩风化带和上部含水基岩的井筒施工问题。 冻结设计必须针对冲积层的埋藏特点和冻土力学 特性,不仅要满足冻结壁的强度条件和变形条件 要求,还要满足快速冻结、 快速交圈、 快速掘砌的 要求。 快速冻结法凿井冻结设计的指导思想是冻 结基本参数的确定应以安全、 可靠、 快速为原则, 以工程的总体经济效益为衡量标准,对冻结方案 及冻结工艺进行优化。 21111 冻结深度 水文地质特性是确定冻结深度的重要依据。 井筒冻结深度主冻结管深度关系到井筒冻结段 施工的安全性和井筒进入基岩段施工的连续性。 淮南矿区井筒的冻结深度,一般应深入不透水的 稳定岩层10m以上。内圈冻结孔的设计深度既 要满足井筒早日开挖和防止掘进过程中井筒片帮 的要求,又要满足井筒变径、 掘进速度和连续施工 等方面的要求,同时还要满足基岩段地面预注浆 岩帽交错最小长度的要求。 21112 控制层位的确定 砂土层的控制层位,应为埋深最大的砂土层。 粘土层的控制层位,应为埋深最大且冻土强 度最低的粘土层。同时,应对多个粘土地层冻结 壁进行计算,取冻结壁强度最小、 稳定性最差的层 位作为控制层位。 21113 冻结壁厚度和安全掘进段高 冲积层厚度在400m左右的冻结壁厚度仍按 多姆克无限长弹塑性厚壁筒公式计算[1],即 ERa0129 P K 213 P K 2 1 式中E为按强度条件计算的冻结壁厚度,m ;Ra 为井筒最大掘进半径,m ;P为计算深度的地压, 按重液公式计算,MPa ;K为砂性土的冻土计算 强度,用不同试验方法获得的冻土无侧限瞬时抗 压强度除以相应的安全系数得到,MPa。 安全掘进段高计算推荐采用维亚洛夫、 扎列 茨基公式[1],即 h Eσs ηP 2 式中h为按变形条件计算的安全掘进段高,m ;σs 为粘性土层的冻土持久抗压强度或计算强度, MPa ;η为工作面冻结状态系数,取01866～ 11732 ;其他符号意义同前。 以上两个计算公式仍是目前冻结壁设计计算 的主要依据,但还需进一步研究其适用条件和冻 土强度指标的选择问题。 21114 冻结圈径、 冻结孔间距和盐水温度 随着井筒冲积层的不断加深,冻结孔布置方 式也由最初的单圈发展为双圈或3圈。淮南矿区 冻结深度小于450m时,冻结孔大多采用双圈布 置方式;冻结深度大于450m时,以3圈布置方式 为主。其中,外圈冻结孔布置圈径控制着冻结壁 的厚度,主要依据冻结壁设计厚度而定;内圈冻结 孔布置方式以有利于井筒提前开挖和防止开挖过 程中片帮为目标 。 内圈冻结孔距井帮一般为 112m左右,正由单圈布置向双圈交错布置发展。 主圈冻结孔一般布置在内、 外两圈冻结孔之间,距 内、 外圈距离为215～3m。主圈冻结孔开孔间距 以 1 120105 m为宜。冻结孔向井内偏斜应严 格控制,向其他方向偏斜应控制在215‰ 以内。 积极冻结期盐水温度应尽快降至-30～ -32℃ 以下。强化冻结期盐水温度控制在-32～ -34℃ 以下是必要的,工艺上也是可行的。 21115 设计冻结需冷量、 实际需冷量和装机容量 目前,投资方对建井工期要求一般很高,井筒 冻结施工工艺也日趋完善,施工速度不断加快。 而传统的井筒冻结需冷量计算方法由于在选择相 关参数时,受经验数据的离散性和各参数选定误 差的叠加及人为因素单纯考虑设备投入的影 响,计算结果往往偏小,使得冷冻站实际装机能力 不足。从投资效益角度分析,将来同一矿井的几 个井筒开挖时间基本相同时,实际冻结需冷量应 按单个井筒需冷量之和计算。同时为满足快速冻 结、 快速凿井的要求,冻结站装机容量应按实际需 冷量的315～410倍配备。 212 冻结壁温度场特性分析 21211 冻结孔成孔质量对冻结壁温度场的影响 要确保冻结壁交圈时间和冻结壁质量,关键 在于确保冻结钻孔的质量。冻结孔偏斜既影响到 冻结壁交圈时间、 冻结壁发展情况及其几何形状, 也影响到冻结壁的承载能力,甚至影响到冻结管 的安全。应在冻结孔造孔施工结束后,对冻结钻 孔质量进行综合评价,包括根据冻结钻孔的实际 偏斜情况模拟分析冻结壁交圈时间、 冻结壁发展 特征等,及时掌握冻结钻孔的质量情况,为井筒冻 结及掘砌施工方案的制定提供依据。 21212 冻结壁温度场发展情况 根据测温孔、 水文孔和井筒掘砌施工时的井 帮温度等实测数据,实时分析不同深度、 不同层位 72 建 井 技 术 2006年第27卷 的冻结壁温度场分布特征,掌握实际冻结壁温度 场的性状,并对冻结壁强度进行计算,对稳定性进 行分析,确保井筒开挖过程中冻结壁的安全性。 21213 冻结壁温度场分析与预测 利用冻结法凿井信息化技术软件对冻结壁温 度场进行实时分析和预测十分重要[2]。对冻结壁 温度场分布特征进行分析和预测不仅可掌握今后 一段时间内冻结壁的发展情况,还可根据不同掘 进速度下的冻结壁发展情况的预测,合理控制掘 进速度,实现安全快速施工。 213 快速掘砌施工关键技术 根据快速建井的需要,井筒掘砌必须采用先 进的施工方法、 配套的机械化装备、 合理的劳动组 织和科学全面的管理手段,同时要正确把握冻、 掘 关系。只有这样,才能实现安全快速施工。 21311 井筒快速施工方案及装备 井筒掘进机械化配套水平对井筒施工速度影 响较大,采用先进的机械化配套设备是实现快速 施工的重要保证。根据井筒断面大小,选用1～2 台HZΟ6抓岩机配合人工刷帮,选用3～4m3吊桶 出矸。外层井壁浇筑使用整体下放式金属大模 板,配底卸式吊桶下混凝土,采用 “滚班制” 循环作 业方式。采用这种施工方案,在冻结情况控制较 好的情况下,能充分发挥机械化配套设备的能力, 大大提高井筒施工速度。 21312 内层混凝土井壁施工 内层混凝土井壁浇筑应采用从下向上一次性 套壁的施工方案,尽可能地避免分段套壁,少留接 茬。应选用液压滑升模板,选用激光指向仪指向。 采用这种施工方案,工序简单,施工速度快,工程 质量好,劳动强度低,安全性好;与采用金属块装 模板筑壁,铅垂线指向的施工方案相比,具有无比 的优越性。采用滑模套内壁,月进度可达350～ 380m。 21313 井筒通过深厚冻结粘土层段施工技术 井筒通过深厚冻结粘土层段,特别是膨胀粘 土层段施工是施工技术管理的重点和难点。首先 要加强冻结,确保冻结壁强度和稳定性满足安全 施工的要求,防止发生冻结管断裂事故。其次在 掘砌施工时,要采取以下措施① 掘进段高不大于 215m ,掘砌循环时间不大于18h ,同时井壁钢筋 接头要采用等强螺纹连接方式,以缩短井帮暴露 时间,减小冻结壁变形量;② 适当提高混凝土强度 等级,同时要采用添加外加剂和提高混凝土入模 温度等方法来提高混凝土早期强度混凝土14h 强度要达到设计强度的10 以上,3d强度不低于 设计值的60 ,使混凝土早期强度增长速度大 于冻结压力的增长速度;③ 在井帮和外层井壁间 敷设适当厚度的起保温隔热和缓压作用的聚苯乙 烯泡沫塑料板,其厚度视冻土膨胀量而定,一般应 取膨胀量的75 左右。淮南矿区泡沫板敷设厚 度通常为25～50mm ,膨胀粘土层段一般取 50mm ;④ 为减小冻土回冻压力,隔断混凝土中水 泥水化过程中水分迁移通道,可在泡沫板外再敷 设1层塑料薄膜。 21314 井帮温度控制 冻结法凿井中,井帮温度是一个综合性技术 参数。井帮温度高,冻土进入荒径少,开挖容易, 则施工速度快;反之,井帮温度低,冻土进入荒径 多,甚至冻实,开挖困难,则施工速度慢。因此,在 实际施工中,要对井帮温度进行综合分析,合理选 择。 从冻结凿井工法意义上来说,冻结壁只是起 到保证井筒掘砌施工安全的作用,是一种临时性 支挡水土压力的结构物。因此,在井筒掘进过程 中,井帮温度只要能满足冻结壁的强度和稳定性 要求,即认为是安全的。淮南矿区的工程实践表 明,对于深度为300～400m的厚粘土层,只要主 冻结管位于安全临界半径以外,井帮暴露时间控 制在18h以内,井帮温度为-3～-7℃ 时,便是安 全的。 21315 冻结信息化技术的应用 应用安徽理工大学开发的冻结法凿井信息可 视化软件,能事先进行冻结方案的模拟分析和优 化;在冻结过程中,能对冻结壁温度场进行实时分 析,预测冻结壁发展状况和冻结壁交圈时间,并计 算出冻结壁的厚度、 平均温度和强度等,以便及时 调整冻结参数,使冻结壁发展始终处于受控状态, 有效地指导井筒冻结和掘砌施工。该软件具有推 广应用价值。 21316 混凝土质量控制 目前在通常情况下,矿井工业广场内施工单 位较多,仅井筒掘砌施工单位一般就有2～3家, 再加上“三同时” 施工方案中的注浆工程施工都 集中在井口附近进行,场地十分紧张。因而有必 要设置1个混凝土集中控制搅拌站,实行混凝土 集中供应。这样,不仅可缓解工广场地利用紧张 的状况,改变施工单位各自作坊式的布置方式,有 利于施工管理,更重要的是便于控制混凝土施工 质量,特别是高强混凝土和有特殊性能要求的混 82 第6期 金 川淮南矿区冻结法凿井的几个关键技术问题 凝土配制质量。同时,混凝土集中供应也能加快 筑壁速度。淮南矿业集团的几个新井建设工地 都设有混凝土集中控制搅拌站,收到了良好的 效果。 3 结 语 冻结法凿井是一个复杂的系统工程,涉及到 方方面面。目前,我国现行冻结法凿井技术规程 已明显滞后于实际工程需要,建议综合各矿区的 成功经验,尽快出台我国冻结法凿井技术新规程, 推动我国冻结法凿井理论和技术水平迈上新台 阶,以适应矿井建设新形势的需要。 [参考文献] [1]沈季良,崔云龙,王介峰.建井工程手册第四卷 [ M]1 北京 煤炭工业出版社,19861 [2]汪仁和,王 伟.冻结孔偏斜下冻结壁温度场的形成特征与分 析[J ]1 岩土工程学报,2003 ,256 658-6611 作 者 简 介 金 川1956 - ,男,硕士,高级工程师。1982年1月毕业 于淮南矿业学院,一直从事矿山建设技术与管理工作,现任淮南 矿业集团公司副总工程师。 上接39页 温梯度较平稳,冻土帷幕发展均匀。 旁通道冻结15d后,冻结壁交圈;冻结38d 后,进行正式开挖。 旁通道开挖构筑采用短段掘砌技术,开挖步 距控制在013～015m范围内。两端喇叭口处断 面较大,为减小开挖对隧道稳定的影响,开挖步距 减小到013m。 旁通道支护分两次进行第1次为临时支护 预应力钢支架背板 , 第2次为现浇钢筋混凝 土永久支护。 旁通道开挖后,工作面周边冻土温度都在 -6℃ 以下集水井处温度更低,在-8℃ 以下 , 显 示冻结情况良好。整个工程开挖构筑期间,工作 面无渗水、 涌砂现象,冻结壁变形较小,达到了预 期效果。 由于施工单位是第1次施工地铁旁通道工 程,前期准备时间较长,同时一些工艺也只能在实 践中改进,使得实际工期比设计拖延了10d ,达到 了100d。 6 结 语 水平冻结技术在上海地铁长阳路站 杨树浦 路站区间隧道旁通道地层加固施工中应用取得了 圆满成功,为人工地层冻结技术在城市地下工程 中应用积累了经验。 作 者 简 介 方江华1973 - ,男,副教授。2004年于安徽理工大学获硕 士学位,现主要从事岩土工程方面的教学和科研工作。 金刚石钻头在火成岩钻进中的应用 济宁二号煤矿和三号煤矿井田范围内,侏罗系地层 中普遍侵入了厚层状的火成岩,硬度较高。兖州矿业集 团公司地质工程公司通过对火成岩的特点及金刚石钻 头性能的研究,找到了适合火成岩钻进的金刚石钻头和 钻进方法。 济二、 济三井田火成岩钻进中,较合适的钻头为孕镶 金刚石的单动双管钻头,其合适的胎体硬度为20～ 35HRC。这个结论同样也适用于致密灰岩、 砂岩和燧石 等地层。合金钻头虽然看起来每m成本较低,但是考虑 诸如岩心管的磨损、 岩心脱落的处理、 镶焊合金所用的氧 气乙炔等辅料及工时等因素后,其综合成本要远远大于 金刚石钻进。在选择金刚石钻头时,要注意金刚石的品 级、 胎体硬度、 唇面形状、 水口面积等要素。金刚石钻头 使用时,要注意以下两点① 要根据钻孔结构和岩层特性 考虑钻头数量,并将所需钻头一次领出,先用外径大、 内 径小的;② 钻头初次下入孔内后,要轻压慢钻10～15min; 进尺012～013m后,再调整到正常钻进参数。李剑峰 3 3 3 免维护的Pac 5000型个人瓦斯监测仪 Coal International2006年第3/ 4期报道,Draeger 安全仪表公司新近推出一种Pac 5000型个人瓦斯监测 仪,使用方便,2年内用不着维修。它能探测出周围空气 中的CO ,H2S等有害气体或O2的浓度,对预测预防有害 气体,保证安全生产很有帮助。Pac 5000个人监测仪几 经改进,具有液晶显示特点,能连续用大数字显示瓦斯浓 度。这种小而结实的仪器装有新式传感器,2年内无需更 换。仪器不能使用和电池用完时能发出警报。仪器外有 橡胶套保护,可用夹具固定在工作服上。梅宁 3 3 3 92