煤礦副井千米深井凍結(jié)技術(shù)的實踐

馬宏偉

（晉能控股煤業(yè)公司挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 懷仁 038300）

1 工程概況

甘肅核桃峪煤礦礦區(qū)面積191.30 km2，煤炭儲量2 116.09 Mt，設(shè)計生產(chǎn)能力8.0 Mt/a。井田的開拓方式主斜井—副（風）立井綜合開拓方式，副立井井口位于303鉆孔南部葛家村附近，副立井井口標高為+1 195 m，井筒凈直徑為Φ9.0 m，設(shè)計井深1 005 m。由于設(shè)計前期井筒的地質(zhì)資料不準確，該井筒最初設(shè)計采用普通法進行鑿井。但在井筒施工進行至白堊系洛河組砂巖后，由于工作面出水太大無法施工，采取工作面注漿的方法施工了近一年時間，平均月進尺小于5 m，嚴重影響工程進度與質(zhì)量。針對這一情況，經(jīng)專家會論證將施工方法由普通法改為凍結(jié)法。但由于井筒穿過地層沒有規(guī)范所描述的穩(wěn)定隔水層，原定凍結(jié)深度超過井筒底部的煤層，后為防止將地層中的水導(dǎo)入煤層，將凍結(jié)深度確定在煤層頂板。在施工第一個凍結(jié)孔時進行取芯確認煤層頂板深度，最終確定凍結(jié)深度為950 m。

2 副井凍結(jié)法施工面臨的難點分析

1）井筒需凍結(jié)深度過大。

2）井筒上部472 m已經(jīng)由普通法施工完成，其井壁是按普通法施工設(shè)計的。在凍結(jié)施工時如何對以普通法施工完成的井壁進行保護是工程的一大難點。

3）由于井筒工作面與所凍結(jié)的含水層相通，施工中無法設(shè)置水文孔，給凍結(jié)壁交圈判斷帶來很大困難。

4）凍結(jié)地層主要為砂巖與礫巖，占總層位的84.45%，不利于鉆孔偏斜的控制，對成孔質(zhì)量期有很大影響。

5）白堊系洛河組含水層厚度大（403.02 m），沒有隔水層不能分層、分段交圈提前開挖。針對以上工程特點與難點，采取三大（大圈徑、大管徑、大開孔間距）（終孔間距）結(jié)合千米深井凍結(jié)測溫技術(shù)與實時、異地監(jiān)測的控制凍結(jié)技術(shù)進行施工。

3 凍結(jié)技術(shù)施工方案

3.1 凍結(jié)鉆孔技術(shù)施工

在該煤礦副井凍結(jié)鉆孔施工中采用6臺TSJ—2000型鉆機進行凍結(jié)孔施工。沖積層采用三牙輪鉆頭或三翼刮刀鉆頭鉆進，鉆頭直徑Φ215 mm?；鶐r采用牙輪鉆頭鉆進，鉆頭直徑Φ215 mm。鉆具配置為：Φ89 mm鉆桿+Φ168 mm鉆鋌（不少于3根）+鉆頭。凍結(jié)孔孔位根據(jù)施工基準點，按凍結(jié)孔施工圖布置凍結(jié)孔?？孜黄畈淮笥?0 mm、不向井心方向偏斜。

設(shè)計鉆孔偏斜指標：井筒凍結(jié)孔偏斜率不大于2.5‰。400 m以上按偏斜率不大于2.5‰控制，400 m以下按靶域1.6 m控制，856 m以上終孔間距最大不大于35 m，856~955 m最大孔間距不大于5.0 m。其中溫控孔偏斜率不大于2.5‰、內(nèi)偏要求小于0.3 m。

凍結(jié)孔鉆進深度和凍結(jié)管下放深度：凍結(jié)孔鉆進深度應(yīng)該考慮泥漿沉淀影響，要求凍結(jié)管能下到設(shè)計深度。凍結(jié)管下放深度不小于設(shè)計深度，不超過設(shè)計深度0.5 m。凍結(jié)管采用差異方式布置淺孔856 m，共22個。溫控管為127 mm×6 mm的優(yōu)質(zhì)20號低碳鋼無縫鋼管，其余凍結(jié)管采用168 mm×6 mm（500 m以上）、168 mm×7 mm（500 m以下）的優(yōu)質(zhì)20號低碳鋼無縫鋼管。供液管為75 mm×6 mm增強塑料管，回液管為130 mm×8 m增強塑料管，供、回液管材應(yīng)符合低溫使用要求。凍結(jié)管耐壓：凍結(jié)管耐壓不小于6.5 MPa。實際施工時采用JDT-5型陀螺測斜儀測斜、螺桿糾偏。

鉆機臺效達到1 800 m/月。鉆孔完成后實測最大孔間距35 m，滿足設(shè)計要求。在副井凍結(jié)工程的設(shè)計及實施過程中，成功解決了凍結(jié)造孔速度緩慢的問題，革新了鉆進工藝。

3.2 凍結(jié)技術(shù)參數(shù)

設(shè)計凍結(jié)圈徑19.4 m，凍結(jié)孔共布置44個，凍結(jié)孔單號深955 m，雙號深856 m。

溫控孔布置圈徑13.4 m；溫控孔布置20個，溫控孔開孔間距2.096 m。

3.3 井壁保護措施

根據(jù)凍結(jié)站鹽水去回路溫度以及井筒的測溫孔數(shù)據(jù)，初步判定凍結(jié)壁在正常條件下應(yīng)該已經(jīng)交圈。但由于井筒上部已經(jīng)開挖，工作面與所凍結(jié)的含水層連通，沒有水文孔來判定凍結(jié)壁的交圈情況。為此，只能將整個井筒看成一個大水文孔，加強井筒水位觀測，判斷井筒水位變化是否符合凍脹水產(chǎn)生的規(guī)律，在確認凍結(jié)壁交圈的前提下，采用向井內(nèi)灌水的方法，最終確定凍結(jié)壁的強度滿足鑿井施工要求后，可以同意開挖。

副井井筒排水、試挖需在內(nèi)外壁之間采用兩層厚度為l mm的聚乙烯塑料薄板。塑料薄板極好地達到了內(nèi)外壁之間的隔離緩沖效果。井壁保護措施：

1）采用大圈徑（如果不考慮井壁保護，凍結(jié)孔圈直徑會縮小3 m左右）單排孔布置凍結(jié)孔形式，延長凍結(jié)鋒面到達井筒荒徑的時間，凍結(jié)孔布置系數(shù)達到傳統(tǒng)布置系數(shù)（凍結(jié)孔到井筒荒徑的距離與井筒荒半徑之比）的兩倍。同時，大圈徑凍結(jié)管布置為凍結(jié)基巖的鉆爆施工提供了安全保證，有利于井筒的快速掘進。

2）采用低散熱同軸供、回液管凍結(jié)器：控制井筒上部凍結(jié)孔的散熱量，保護上部井筒用普通法施工井壁不受凍結(jié)施工的影響，確保它的安全。

3）雙供液方式溫控孔運轉(zhuǎn)：溫控孔是控制凍結(jié)鋒面發(fā)展的重要手段。根據(jù)計算在井筒周圍適當?shù)胤讲贾靡蝗乜乜?。溫控孔采用兩種供熱水方式進行控制：在冷凝器中冷卻水夠用的情況下，僅用冷卻水進行溫控孔循環(huán)；在冷凝器中冷卻水不夠用的情況下采用鍋爐加熱補充熱源。

3.4 工期保證措施

1）采用大管徑凍結(jié)管（Φ168 mm），加大散熱面積實現(xiàn)快速凍結(jié)，滿足井筒盡快開挖的要求。

2）增加大單孔鹽水流量，這樣可縮短開挖前的凍結(jié)時間。

3）采用分段式控制凍結(jié)孔間距技術(shù)，在確保了凍結(jié)壁快速交圈的同時，還減少了總造孔工程量。

4）采用千米深井分段式靶域外偏控制凍結(jié)孔成孔技術(shù)進行鉆孔偏斜控制，保證凍結(jié)壁的按時交圈與安全性。

4 結(jié)論

甘肅核桃峪煤礦副井凍結(jié)工程采用的控制凍結(jié)技術(shù)，在保證凍結(jié)壁承載能力與實現(xiàn)千米深井凍結(jié)鑿井快速掘進的同時保護了井筒已成井壁未受凍結(jié)施工的影響，做到了安全、可靠、快速掘進，值得我們山西同朔地區(qū)煤礦在向縱深發(fā)展中借鑒應(yīng)用。整個副井凍結(jié)工程打鉆用時358 d，積極凍結(jié)120 d，維護凍結(jié)296 d（其中井筒掘進162 d，壁座施工及套內(nèi)壁134 d）。凍結(jié)施工結(jié)束后，副井井筒總成井涌水量小于4 m3/h，井壁質(zhì)量優(yōu)良。在千米深井施工中，沒有出現(xiàn)斷管、片幫等事故，確保了煤礦副井礦井建設(shè)的安全，實現(xiàn)了快速、優(yōu)質(zhì)施工，獲得了顯著的經(jīng)濟與社會效益，為我國事故井筒二次凍結(jié)施工及深大井筒凍結(jié)施工提供了成功的技術(shù)經(jīng)驗，對我國向地球深部進軍起到了積極的推動作用。