凍結(jié)法施工在非煤礦井中的應用

1、凍結(jié)法施工在非煤礦井中的應用 【摘 要】本文通過凍結(jié)法施工在黃屯硫鐵礦措施井的應用，從水文地質(zhì)特點、施工難點、特別對馬頭門的凍結(jié)施工到凍結(jié)方案的選定等方面介紹和分析，為今后類似地質(zhì)條件的非煤礦井施工提供了可以借鑒的經(jīng)驗和方法。 【關(guān)鍵詞】凍結(jié)法 馬頭門 方案設(shè)計 凍結(jié)壁 一、引言 凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，在地下開挖體周圍需加固的含水軟弱地層中鉆孔鋪管，安裝凍結(jié)器，通過制冷作用將天然巖土變成凍土，形成完整性好、強度高、不透水的臨時加固體，從而達到加固地層、隔絕地下水與工程聯(lián)系的目的。我國采用凍結(jié)法技術(shù)施工礦井筒自1955年開始，至今有50多年的歷史。從初期單一的煤礦井筒凍結(jié)，發(fā)展到今日城市建設(shè)

2、基坑開挖、路橋施工和地鐵工程等各種工程施工領(lǐng)域，特別是在非煤礦山特殊鑿井中應用廣泛。下面以黃屯硫鐵礦措施井為例，淺析凍結(jié)法施工在非煤礦井中的應用。 二、礦井概況及水文地質(zhì)條件 黃屯硫鐵礦措施井位于安徽省廬江縣境內(nèi)，本礦區(qū)地處江淮丘陵南部，屬低山丘陵地形，礦區(qū)水系發(fā)育，年平均降水量為1216.2mm，平均降雨日為130天，由于本礦區(qū)位于郯（城）廬（江）斷裂帶東側(cè)，揚州銅陵地震帶之間，地殼相對不穩(wěn)定，地震活動較為頻繁，地震強度屬級區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造較為復雜。根據(jù)措施井地質(zhì)資料描述，該礦井共有七段含水層，最大涌水量157.75m?/h。 措施井第四系松散層厚度為15.40m，巖性主要上部由灰黑、灰褐色砂質(zhì)

3、粘土，粘土夾砂礫。下部基巖段主要有粗安巖組成，巖芯破碎、裂隙發(fā)育。 根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)特征黃屯硫鐵礦措施井井筒設(shè)計采用單排孔全深凍結(jié)法的施工方式。井筒主要技術(shù)特征見表1。 表1 井筒技術(shù)特征表 序號 項 目 名 稱 單位 特征參數(shù) 1 井筒凈直徑 m 5.0 2 表土層厚度 m 15.4 3 井壁厚度 mm 900 4 井筒深度 m 394 5 凍結(jié)深度 m 404 三、施工重點及難點分析 1、由于本礦區(qū)表土層較淺、巖石裂隙大、含水層位多等地質(zhì)條件復雜，對凍結(jié)造孔施工帶來很大難度?？赡艹霈F(xiàn)泥漿漏失，要采取防范措施。 2、根據(jù)地質(zhì)資料分析該區(qū)共有七個含水層位，最大層厚62.6米，各層位間沒有隔水層，在

4、施工設(shè)計和井筒掘砌施工中應防范各層位水系相互串通透水。 3、由于該井在-90m、-140m、-190m、-240m、-290m、-340m水平設(shè)6個單面馬頭門，業(yè)主要求在立井掘砌時同時施工馬頭門，掘砌深度3m，給凍結(jié)施工帶來了很大難度，在凍結(jié)施工組織設(shè)計時要充分考慮凍結(jié)壁強度。 四、凍結(jié)技術(shù)方案設(shè)計 1、凍結(jié)壁設(shè)計 凍結(jié)壁厚度及強度的大小，直接影響井筒掘砌的安全，同時也是其他凍結(jié)參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)。針對黃屯硫鐵礦措施井工程特點，凍結(jié)壁的設(shè)計采用國內(nèi)成熟的凍結(jié)設(shè)計經(jīng)驗，并采用解析計算辦法確定。 2、凍結(jié)壁設(shè)計基本參數(shù) 井筒凈直徑5.0m，井壁最大厚度0.9m，最大掘進荒直徑6.8m。其它基本參數(shù)如下

5、： （1）凍結(jié)鹽水溫度：t措施井= -30-32 （積極期）； （2）凍結(jié)井幫溫度：掘進到200m時溫度不高于-3。 3、凍結(jié)深度確定 根據(jù)招標文件要求，并在認真分析了地質(zhì)資料及凍土特征、總結(jié)國內(nèi)深井凍結(jié)設(shè)計經(jīng)驗后，設(shè)計采用單排孔全深凍結(jié)的施工方式，凍結(jié)深度確定為404m。 4、凍結(jié)孔布置 根據(jù)凍結(jié)壁設(shè)計以滿足溫度場要求和力學模型要求為原則，結(jié)合凍結(jié)壁厚度、掘進荒徑的大小、掘進速度及基巖段炮掘安全等要求，綜合確定凍結(jié)孔布置圈徑、孔間距。 5、凍結(jié)管及供液管設(shè)計 （1）凍結(jié)管選型 凍結(jié)管：0200m選用1405mm；200m404m選用1406mm；低碳鋼無縫鋼管內(nèi)管箍焊接。其中馬頭門方位7#1

6、2#孔為了加強凍結(jié)壁厚度選用1596mm；低碳鋼無縫鋼管內(nèi)管箍焊接（詳見凍結(jié)孔、水文孔布置圖 圖1）。 圖1、凍結(jié)孔、水文孔布置圖 （2）供液管選型 供液管：選用 756mm聚乙烯塑料管。 6、水文觀測孔、測溫孔布置設(shè)計 （1）水文觀測孔 措施井設(shè)計1個水文孔，h=98m，以報導基巖段裂隙發(fā)育的第一含水層。水文孔選用1405mm。 （2）測溫孔布置設(shè)計 措施井設(shè)計2個測溫孔，h=404m，分別布置到凍結(jié)孔偏斜值最大位置的內(nèi)、外側(cè)，以觀測不同方位、不同土層的凍結(jié)壁內(nèi)溫度。測溫管0200m選用1405mm；200m404m選用1406mm，底端封實，管內(nèi)不需灌水和試壓，但不得滲漏水。 7、凍結(jié)孔施

7、工要求 （1）凍結(jié)孔偏斜控制 0200m2.5；200m404m2.2。 （2）徑向內(nèi)偏值控制 凍結(jié)孔徑向內(nèi)偏值400mm。 （3）凍結(jié)孔深度控制 所有凍結(jié)孔不得小于設(shè)計深度，但不得大于設(shè)計深度1.0m。 （4）觀測孔控制 測溫孔及水文孔按凍結(jié)孔要求進行控制。 8、凍結(jié)需冷量計算 井筒最大需冷量： 式中d凍結(jié)管外徑，0.140m； h凍結(jié)深度，404m； n凍結(jié)孔數(shù)，28個； q凍結(jié)管吸熱效率，取330kcal/m2h。 9、凍結(jié)站裝機容量及設(shè)備選擇 根據(jù)計算的制冷量，措施井選取2組lg25l20sy雙機雙級撬塊螺桿制冷壓縮機組和2組bes2035螺桿壓縮機進行雙級壓縮制冷，冷凍機實際工況制冷

8、量為220104 kcal/h，可滿足施工的需要。 （1）鹽水流量 w =336m3/h； （2）鹽水配比及cacl2用量 鹽水比重1.27t/m3；波美度為30.7be，氯化鈣（70%晶體）用量120t。 （3）鹽水干管與集、配液圈選型 鹽水干管與集、配液圈選用2738mm螺旋焊接管，現(xiàn)場加工制作。 （4）鹽水泵選型 選用2臺10sh-6型水泵作為鹽水泵，q=486m?/h，h=65m，p=132kw，一臺工作，一臺備用。 五、幾點體會 1、由于本礦井的特殊地質(zhì)情況，為防止凍結(jié)法施工結(jié)束后上部地層中的水竄入下部地層，在成孔后下放凍結(jié)管前進行緩凝水泥漿鉆孔漿液置換，以保證井筒在凍結(jié)施工結(jié)束后的施工安全， 并取得了良好的效果。 2、在以往的凍結(jié)法鑿井施工中，馬頭門施工一般在井筒掘砌施工完畢后在開掘，但該礦井業(yè)主要求把六個碼頭門一并開掘，給施