冻结法在立井井筒施工中的应用现状

冻结法在立井井筒施工中的应用现状摘要：本文从冻结法的定义与原理入手，简述了冻结法在立井施工的基本流程，最后综合论述了冻结法立井井筒施工在国内外的应用现状。关键词：冻结发，立井井筒，应用现状1引言改革开放以来，伴随着我国国民经济建设的高速发展和人民生活的水平的逐步提高，全国对于能源的消耗量越来越大。与西方发达国家石油和天然气等能源在整体化石能源中占据高比例不同，煤炭在过去一直在我国的能源消费结构中占据着主导地位，而在未来相当长的时间内，煤炭仍将是我国能源消费结构中的主要能源。如2013年，我国能源总生产和消费的68%左右来自煤炭。往后的几十年这个比例也将维持在50%以上。总的来讲，现已探明的我国的煤炭资源约有总储量的53.2%埋藏在较深地层，埋藏深度在1000～2000m[1]。浅层可采煤层经几十年的开采已所剩不多，近年来的矿井建设逐步向深厚冲积层的深井建设发展,在深厚表土层或软岩层中建设井筒或修筑其它地下工程,冻结法是有效穿越不稳定的厚表土层或软岩层的特殊的施工方法[4]。2冻结法定义与原理冻结法是通过人工制冷的方法将天然岩土转化为人工冻土，从而改变岩性，岩土强度由弱变强，形成承载、隔离的冻土墙结构，然后在冻土墙的保护下进行施工。冻结法的原理如图1所示：图1冻结法原理3冻结法井筒施工3.1冻结井筒适时开挖的条件冻结井筒施工适时开挖，是加快井筒施工速度、缩短工期的重要一环。开挖过早会发生片帮甚至涌砂透水。开挖过迟，随着冻土墙的不断扩展，会增加施工难度，影响施工进度。因此，井筒开挖时间应遵循以下原则：第一，当水文观测孔内的水位已有规律地上升并冒水。第二，测温孔的温度已降至设计值，证实冻结壁已全部浇固，其强度具备开挖条件。第三，开挖前的准备工作均已就绪，完全具备井筒施工条件。3.2井筒施工3.2.1锁口锁口按其支护结构与井壁结构的区别可分为临时锁口和永久锁口两种。锁口掘进一般采用人工倒台阶式挖掘，即先沿井筒周边开始挖掘，再向井筒中心扩展，留出中心土，作为井筒外土壁片帮时打撑生根点，待锁口砌壁完成后再挖取中心土。锁口段砌壁施工时要预留封口盘、激光粱和固定盘梁窝，锁口施工完成即可进行封口盘、固定盘、激光粱的安装。3.2.2冻结井筒施工第一，掘进。冻土墙挖掘。开挖初期，在冻土墙未进入荒径时，应采用短段台阶环形辐射分区划片的方法挖掘，并在井筒中心挖超前小井，先挖取井筒径内地层大气冷媒剂制冷剂的土，再分片对称开挖帮壁土。为防止井壁整体下沉，在刷帮时可在井壁厚度外错100mm，对称砌筑6～8个1500mm×300mm的料石垛，以后随着冻土进入荒径逐步减少和取消。在施工措施中应明确规定段高高度、小井直径及台阶规格等，此段以人工挖掘为主。冻土墙进入荒径后的挖掘。当冻土墙已进入荒径，以人工风镐、风铲直接破碎冻土进行全断面一次挖掘，根据不同土层，适当调整段高，当冻土墙全部进入井筒或风化基岩段施工时，可采用钻爆法施工，施工时要编制切实可行的爆破安全技术措施。第二，切壁。外壁采用1m×1m金属块装模板，吊桶下放砼至吊盘下层盘，人工入模，插入式振动棒振捣。内壁采用液压滑升模板自下而上浇筑，吊桶下放砼，至吊盘上层盘分灰漏斗内由竹节管入模，插入式振动棒振捣。4国外冻结凿井技术应用概况人工制冷技术的发展和应用在人工地层冻结技术的发展中起了举足轻重的作用。1883年，在德国的阿尔巴里得煤矿，工程师波茨舒（F.H.Poetsch）用冻结法在成功建设了一个深度为103ｍ的井筒，这是冻结法首次应用于煤矿矿井建设，波茨舒以此获得了冻结法凿井技术专利[5]。而后冻结法施工技术英国，美国，前苏联，波兰，瑞士及加拿大开始广泛的使用。自1928年开始，前苏联就一直采用冻结法，直到前苏联解体，期间共建设了400多个井筒，是采用冻结法凿井规模最大的国家之一。上世纪20年代比利时在沼泽地带应用冻结法，其冻结深度达到638ｍ，随后，加拿大在萨斯喀切温钟矿建了冻结深度达到915ｍ的冻结井筒，不久，英国建成冻结井筒的深度为930ｍ，这是当时冻结井筒深度的国际记录。许多较大规模的国际工程技术公司如FreeezeWallInc.，Moretrench，RKK-SoilFreezeTechnolegies等把冻结法作为一种支护方法广泛用在地下工程建设中，同时在技术与理论上使冻结法进一步得以完善。国外的矿井建设的速度很快，矿井深度早就超过千米以上，如德国和原苏联的建井深度己达到1500ｍ，加拿大超过千米的矿井有20多座，美国也有11座超千米的深井。在井筒冻结深度及所穿越的深厚冲积层方面，冻结井筒穿过的最大冲积层厚度接近600ｍ，最大井筒冻结深度超过900ｍ。冻结深度为620ｍ的前苏联雅可夫列夫铁矿二号罐笼井于1978年开工，穿越冲积层厚度为571.2ｍ；冻结深度为582ｍ的德国维尔德风井于1979年开工，穿越冲积层厚度为567ｍ；波兰的鲁布林煤矿1号井的表土层厚度较薄，只有163ｍ，冻结深度却达到了725ｍ。5我国冻结法凿井技术应用情况我国冻结法凿井起源于开滦矿区。1955年，我国从波兰引进冻结法凿井技术，首次应用于开滦林西风井，获得了成功。1956年，唐家庄风井，自己设计施工，用国产设备，采用冻结法凿井，又获得了成功。这为我国特殊凿井施工方法的推广应用开辟了新的途径。冻结法在我国凿井工程中得到应用的50多年来，逐步由浅地层到深地层，由简单地层到复杂地层，冻结工艺也由单一型变为复合型，冻结控制地层原来是砂性土层，现已转向深厚粘土层。在华北、华东、东北、及华中地区，深厚的第四纪表土层下埋藏着许多矿藏，所以穿越深厚冲积层和深含水层成为井筒冻结的发展方向，事实上深井的平均深度也随之在不断增加。由于国内经济发展迅速，对煤炭的需求还在不断增加，再加上随着人类对煤炭资源的不断开发，我们正面临地层浅部的煤炭资源枯竭的形势，在经济发达的东、中部表现尤为突出。进入21世纪后，大大加快了深井建设的力度，这促使我国的冻结法凿井技术快速发展，井筒穿过的冲积层厚度和冻结深度都在不断增加，现在我国冻结法凿井技术己走在世界前列。5.1冻结深度不断刷新由400m、500m、600m直至650m，所穿越的冲积层厚度不断増加，冻结深度也达到950m。例如山东省济宁市嘉祥县梁宝寺矿井（2001年开工），其冲积层厚度和冻结深度分别为371.3m和461m；山东济西副井和河南程村主井（2002年开工），其冲积层厚度分别为485m和430m，冻结深度分别达到488m和458.7m；山东龙固副井和安徽淮南下集矿风井（2003年开工），其冲积层厚度分别达到565m和528m，冻结深度分别达到650m和567m；山东郭屯主井和河南焦煤集团赵固一矿风井（2004年开工），冲积层厚度分别为575m和526.4m，冻结深度分别达至587.4m和702m；山东郓城副井（2005年开工），其冲积层厚度和冻结深度分别达536.6m和594m；淮南杨村矿风井（2012年开工）冻结深度为800m。此外，还有山东荷泽巨野矿区的龙固矿副井，穿越表土地层厚度大于600m，冻结深度达到650m；山东鲁能郭屯矿，表土层厚586.2m，冻结深度达702m；甘肃核桃略煤矿副立井，冻结深度达到950m，超过英国博尔比巧盐矿井筒930m冻结深度的国际纪录，等等。目前，冻结法凿井技术已成为东、西部地区煤矿井筒穿过冲击层、软弱地层含水层时的主要特殊施工方法。表1是多年来，我国冻结法凿井施工规模、冻结深度统计数据。从中可以看出，施工规模在迅速增长，冻结深度越来越深。表11955-2010年我国冻结法凿井冻结深度及施工规模项目施工规模/个1955-19591960-19691970-19791980-19891990-19992000-2010小计冻结深度m100112526343243171100718445071109299200632262812021230019163076132400125465450056566002929700111180044合计185011212866494968最大冻结深度/m1623304154354008505.2井壁采用高强材料支护研究开发成功高强高性能混凝土筑壁材料、新型高强高性能钢纤维井壁材料以及双层复合承载高强钢筋混凝土井壁结构。针对冻结井筒的具体工程条件，提出了安全经济合理的井壁结构的设计方法。在龙固副井等多个冻结立井中进行了施工实践，取得了良好的效果。不仅使冻结井井壁的厚度有了明显的减小，有利于缩小冻结孔的布置圈径，而且为保证井筒凿井安全提供了保障。5.3采用先进的控制技术冻结法凿井信息化施工技术取得了长足的进步，研制成功了600～800m深井冻结施工综合监控系统，提出了冻结壁形成状况及其安全性的智能化评价方法，已在山东张集煤矿副井冻结工程(冻结粘土层连续厚度达174．3m)等多个井筒中应用，取得了良好效果。目前大多数冻结深井均在使用冻结凿井信息化施工技术，使冻结凿井施工的过程控制更加科学、合理，为冻结法凿井的安全施工创造了良好的条件。5.4先进的钻孔设备和测井技术的应用在冻结深度不断增加的同时，对冻结孔钻进的要求也越来越高。TJS一2000型钻机等大型钻机成为深冻结孔钻进的标准装备，引进了石油系统的顶驱钻机进行深井冻结孔施工。顶驱钻机以其施工速度快、垂直度高的优点而初露锋芒。随着人们对冻结施工技术的理解与冻结深度的增加，在冻结孔偏斜控制方面，也由过去将冻结孔偏斜率与终孔偏距相结合进行控制转为主要由冻结孔钻进靶域进行控制，使我们的冻结造孔技术有了长足进步。冻结孔测斜技术也由从前单一的连续测量改为目前的自动单点测斜克服了深度800m以上时零点飘移过大的缺点；顶角测量精度比从前可提高50%，这都为冻结技术的提高提供了可靠保证。5.5优化冻结设备目前冻结单位的制冷设备大多已更新为大型螺杆冷冻机组与蒸发式冷凝器组合的制冷系统。随着技术的进步，近年又有了新的发展，双机双级制冷机组和热虹吸蒸发撬块组合的制冷系统以其制冷效率高、综合体积小、运输及安装方便等优点，正在逐步进入冻结凿井领域。针对现有冻结站盐水循环系统存在热交换效率低、设备故障率高、电能浪费严重的现状，对其进行节能优化设计。取消管道泵，设计增加一种盐水自动平衡装置，实现盐水循环系统中盐水的平衡匹配，提高热交换效率。采用变频控制方式调节盐水泵拖动电机的转速达到控制盐水流量的目的，不但可降低管道压力，使盐水循环更加平稳，还可节约大量的电能[6]。我国冻结法凿井技术迅速发展，在煤矿建设中发挥了重要作用。尤其是近10多年来，冻结深度有了新突破，采用新技术、新装备、新工艺建成了一批深冻结井筒。表明我国冻结法凿井技术水平发展到了一个新的阶段，达到了世界先进水平。参考文献：[1]王淑玲，我国西部地区矿产资源优势综合评价(D)，2006[2]武胜男，沈华军，冻结法在内蒙厚煤岩地层立井施工中的应用（J），安徽理工大学学报（自然科学版），2012.10.32[3]姚亚风，程桦等，深厚冲积层立井井壁冻结压力的模糊随机分析（J），煤炭工程，20160248[4]杨更社，奚家米，煤矿立井冻结设计理论的研究现状与展望分析(J)，地下空间与工程学报，2010[5]马茂艳，深厚冲积层立井井筒冻结压力分布规律研究(D)，2015[6]沈华军，郑晓亮等，冻结站盐水循环系统节能优化设计（J），西部探矿工程，201602