基于富水软岩层的鹰骏一号煤矿井筒冻结施工技术

Freezing Construction Technology for Shaft of Yingjun No.1 Coal Mine Based on Rich Water Soft Rock Layers

摘要: 鄂尔多斯盆地中生代地层煤炭资源丰富，但煤层上覆地层岩体较软弱且含水量大。为保证煤矿矿井的快速建设，鹰骏一号煤矿副立井井筒采用了冻结法快速施工技术。采用全深冻结方案，冻结孔设置为主排孔 + 防片帮孔冻结。结合现场施工实践和冻结帷幕分析，该技术能隔绝地下水，且很好地提高了井壁稳定性，为井筒高效掘砌提供了良好的条件。

Abstract: The Mesozoic strata in the Ordos Basin are rich in coal resources, but the overlying rock mass of the coal seam is relatively weak and has a high water content. To ensure the rapid construction of coal mines, the auxiliary shaft of Yingjun No.1 coal mine adopts the freezing method for rapid construction technology. Adopting a full depth freezing scheme, the freezing holes are set as the main row holes + anti plate auxiliary holes for freezing. Based on on-site construction practice and frozen curtain analysis, this technology can isolate water from the ground and greatly improve the stability of the wellbore, providing good conditions for efficient construction of the wellbore.

1. 引言

我国煤炭资源丰富，但是经过长期开发，东部大部分整装含煤区块已进入开发后期[1]，晋陕蒙宁地区已经成为我国煤炭工业高速发展的金三角，截至2021年，内蒙古累计探获资源储量10011.79亿吨，其中保有资源储量6588.86亿吨，居全国第一位[1]-[3]。其中，鄂尔多斯盆地煤矿数量最多，煤炭产能占内蒙古总产能的65.38% [2]，为国家煤炭供应的重镇和煤炭勘探的重点区域。

鄂尔多斯盆地是多期叠合盆地，中生代为其主要成煤期，包括石炭纪、二叠纪、三叠纪和侏罗纪煤层[4]，在煤层之上，沉积中新生代较软弱碎屑岩，其中志丹群、直罗组含水层富水量大[5]，以中新生代碎屑岩为围岩的矿井涌水量大且持续时间长，在立井建设中需要进行止水和地层加固[6]。近年来，冻结法作为一种在富水岩层施工的有效手段逐渐受到人们的重视[7]。鹰骏一号煤矿副立井选用冻结法进行施工，通过地层冻结，能提供稳定的隔水层，岩石强度也可以得到大幅度提升[8]，为后续快速成井打下了坚实基础。

2. 工程与地层概况

鹰骏一号矿井井筒场地位于鹰骏一号井田的北部，地处内蒙古鄂尔多斯市鄂托克前旗西部，行政区划隶属于鄂尔多斯市鄂托克前旗上海庙镇管辖。矿井采用立井开拓方式，设计生产能力6.00 Mt/a。煤区工业产地共设有三个矿井，包括主立井、副立井、中央回风立井，其中副立井井筒径直径为10.5 m，井筒深度为776.15 m。

副立井井筒建设中穿过的地层由老至新依次为三叠系上统延长组(T3y)；侏罗系中统延安组(J2y)、中统直罗组(J2z)；白垩系下统志丹群((K1zd)；古近系渐新统清水营组(E3q)；第四系(Q)。地层和水文地质情况、工程地质情况从上至下描述如下。

2.1. 新生代第四纪松散层

该含水层层厚36.84 m，岩性为松散沉积物。水位降深10 m时的单位涌水量为0.1186 L/s·m，岩石饱和抗压强度为0.07~1.45 Mpa，平均0.44 Mpa，岩石总体属极软岩类，围岩不稳定。

2.2. 中生代碎屑岩层

井筒穿越下部白垩系、直罗组、延安组及三叠系地层主要由层状及块状结构的岩体组成。地层含水量大，饱和抗压强度为0.5~5.5 Mpa，岩石总体属极软岩、软岩类，围岩不稳定。该时期地层概述如下：

1) 古近系渐新统清水营组

地层层厚为48.37 m，岩性上部以粘土为主，为隔水层。底部地层为半胶结的砂岩及砂砾石层，为裂隙孔隙承压含水岩，层厚约5 m。当水位降深57.12 m时涌水量为0.680 L/s，单位涌水量为0.01190 L/s∙m。

2) 白垩系下统志丹群

该地层为粗碎屑岩沉积，平均厚度239.20 m，上部发育砂质泥岩为隔水层，中下部砂岩、砾石层为含水层。本组含水层厚度140.48~152.42 m，当水位降深56.10 m、43.13 m时，涌水量为1.142 L/s、1.000 L/s，单位涌水量为0.02036 L/s∙m、0.02318 L/s∙m。

3) 侏罗系中统直罗组

为一套干旱气候条件下的河流~湖泊相沉积，层厚149.41 m，岩性主要为粗、细粒砂岩和杂色泥岩互层，底部为一巨厚层灰绿色粗粒石英长石砂岩，泥岩为含水层，砂砾岩为隔水层。本组含水层厚度99.59~129.93 m，当水位降深18.50~20.43 m时，涌水量2.473~2.798 L/s，单位涌水量0.121~0.1512 L/s∙m。

4) 侏罗系中统延安组

为一套河流–湖泊相三角洲相沉积体系，厚度约160 m，岩性为岩，粉砂岩、泥岩、煤和少量含铝土质泥岩，底部为粗粒砂岩。本组含水层厚度84.83 m，当水位降深37.21 m时，涌水量1.961 L/s，单位涌水量0.0527 L/s∙m。

5) 三叠系上统延长组

为井田延安组含煤地层的沉积基底，本次施工未完全揭露。岩性为厚层状砂岩，夹粉砂岩、泥岩。本层为含水层，层厚86.55 m，当水位降深99.73 m时，涌水量0.374 L/s，单位涌水量0.00375 L/s∙m。

2.3. 井筒含水量估算

根据井筒检查井抽水实验对井筒涌水量进行计算，副立井井筒涌水量为482.90 m³/h。根据地质报告分析，岩体强度较低，井筒涌水量大，为了克服不利的地质因素，防治水和加固地层，使用冻结法施工。

3. 冻结设计和冻结施工流程

3.1. 冻结设计

3.1.1. 冻结深度

根据井筒地质报告，矿区水文地质条件复杂，立井建设过程中穿过六层主要含水层，矿井涌水量大，同时，各层位井筒围岩岩体强度较低，普通法建井难以穿过。使用冻结法施工，地层冻结壁形成后，有很好的隔水效果，同时，随着冻土平均温度的降低，冻土强度逐渐增大，且增幅非常明显，如表1所示。

井筒采用全深冻结法冻结，冻结深度根据公式(1)计算。

H^d = ${\text{H}}_0^{\text{d}}$ + H^e (1)

式中H^d表示冻结深度计算值，${\text{H}}_0^{\text{d}}$ 为井筒壁座底板的深度，H^e为掘砌深度小于主冻结孔设计的深度值，${\text{H}}_0^{\text{d}}$ 为井筒深度776.15 m，H^e的取值如表2所示。

根据计算，副井冻结深度应大于790.15 m~794.15 m，结合施工经验，井筒冻结深度为795 m。

3.1.2. 冻结深度

为保证井筒冻结壁厚度和强度，实现井筒提前开挖，并保证井筒连续掘进施工，副立井设计采用主排孔 + 防片帮孔的冻结方式。根据冻结施工规范要求结合掘进荒径的变化、掘进速度要求综合确定冻结孔的个数、布孔圈径、开孔间距和管径。为保证表土段地层开挖时不片帮，同时达到快速掘进的效果，

Table 1. Relationship between uniaxial compressive strength and temperature of various layers in the auxiliary shaft

表1. 副立井各地层单轴抗压强度与温度的关系表

岩性	试验温度/℃
	−5℃	−10℃	−15℃
	抗压强度/MPa
粉土	2.98	4.26	6.06
粘土	2.22	4.16	5.53
细粒砂岩	6.13	7.73	10.84
砂质泥岩	5.94	9.26	10.59
泥岩	5.57	7.27	9.12
粗粒砂岩	5.41	7.70	8.64
粉砂岩	9.31	10.23	11.90

Table 2. The depth of the frozen section wellbore is less than the design depth of the main frozen hole

表2. 冻结段井筒的崛砌深度小于主冻结孔设计深度值

	设计深度值/m
${\text{H}}_1^{\text{d}}$	≤300	>300~400	>400~500	>500
H^e	10	>10~12	>12~14	>14~18

防片帮孔设计两排，浅孔(N1~N19，冻结深度91 m)设计深度穿过表土层，深孔(Z1~Z19，冻结深度330 m)穿过表土层和白垩纪含水层，进入侏罗纪含水层，主排孔(W1~W48，冻结深度795 m)均采用全深冻结。水文孔布置两个，深度分别为126和394 m；测温孔三个，浅孔深度为91 m，两个深孔深度为795 m。冻结造孔设计布置参数和布置图如图1所示。

Figure 1. Layout plan of freezing holes in the auxiliary shaft of Yingjun No.1

图1. 鹰骏一号副立井冻结孔平面布置图

3.1.3. 冻结壁厚度计算

按下列公式(2)计算冻结壁厚度。

$E=\sqrt{3}\left(1-\xi \right)\frac{ph}{\sigma }k$ (2)

式中$\xi$ 表示固约系数，取0.4；P为冻结壁径向外荷载，h为掘砌段高，取值4 m；k为安全系数，取1.2，E为冻结壁厚度，m。

根据计算结果，综合考虑井筒开挖荒径的大小，开挖前冻结时间要求及开挖速度要求，并结合同地区同类工程的施工经验，确定冻结壁厚度E为4.2 m。

3.1.4. 制冷系统设置

通过下式(3)对井筒冻结需冷量进行了计算：

Q = πdnHq (Kcal/h) (3)

式中：d为冻结管直径，m；n为冻结管数目；H为冻结深度，m；Q为冻结管吸热效率，Kcal/m²∙h，取280 Kcal/m²∙h。

经计算，井筒冻结需冷量为568.2×10⁴ Kcal/h。冻结站需冷量为井筒需冷量的1.15倍，为653.4 × 10⁴ Kcal/h。为保证冷冻站具有足够的制冷量，制冷设备选用13组LG25L20SY型双级撬块螺杆制冷压缩机组。冷冻站装机标准制冷量2210 × 10⁴ Kcal/h (工况制冷量715 × 10⁴ Kcal/h)，满足冻结需要。

3.1.5. 清、盐水系统设置

本工程选用高效蒸发式冷凝器，该设备具有冷却效率高、耗水量低、气候温度适应性强等优点，可大大减少新鲜水用水量，节水环保。新鲜水使用量见表3。

盐水系统选用30.7˚波美度的CaCl₂溶液，共使用380吨固体氯化钙(70%晶体纯度)。盐水总循环量在积极冻结期设置平均每孔 ≥ 12m³/h，盐水干管总流量大于864 m³/h，盐水去路温度为−30~−32℃，维护冻结期根据冻结壁发展情况适当降低盐水流量和温度。根据流量分配及冻结工艺特点，井筒集配液圈均采用一集、一配，供、回液方式，盐水干管为单去单回。盐水干管及集配液圈均选用螺旋焊管加工制作，盐水干管及集配液圈规格型号为Φ426 × 8 mm。供液管选用Φ75 × 6 mm聚乙烯塑料软管。

Table 3. Frozen water demand table

表3. 冻结需水量表

施工阶段	单位用水量(m^3/h)
冻结造孔用水量	8
冻结积极运转期间用水量	26
冻结维护运转期间用水量	20

3.2. 冻结施工流程

冻结施工包括施工准备、冻结钻孔工程、冻结安装工程、冻结站系统调试和安装、积极冻结和维护冻结、工程监控、冻掘配合等，具体流程如图2所示。

4. 冻结监测和冻掘配合

4.1. 监测系统原理

为了更好地了解冻结壁的发展，布置了三个测温孔，并在冻结现场配置温度采集器对测温孔、冻结器、去回路盐水、清水温度等数据进行采集，实时显示并记录传感器所检测到的数值，方便查询。

Figure 2. Freezing construction process flow

图2. 冻结施工工艺流程

冻结站监测系统将现场的压缩机数据监测、液位数据监测、流量数据监测、温度数据监测、环境数据监测液位等传感器通过信号专用通讯线缆回传测试信号至数据采集器并将信号传输到上位机进行处理，通过配备立井冻结模型参数化技术，通过Unity3D动态生成模型，将模型参数作为一个开源数据，外部导入参数后生成模型，运行监测系统如图3所示。

Figure 3. Schematic diagram of frozen station operation status monitoring system

图3. 冻结站运行状态监测系统示意图

4.2. 冻结壁发展预测

通过盐水去回路温度、测温孔测点数据，冻土实验报告等资料，使用有限元模拟软件对副立井43 m、91 m、120 m、169 m、390 m、457 m层位进行了数值计算，120 m、390 m层位冻结交圈时间如图4、图5所示。

Figure 4. Frozen wall intersection time at 120 m layer (38 days)

图4. 120 m层位冻结壁交圈时间(38天)

Figure 5. Frozen wall intersection time at 390 m layer (54 days)

图5. 390 m层位冻结壁交圈时间(54天)

按冻结59天试开挖，月成井90~100 m/月的速度开挖井筒，综合考虑工期安排计算各层位开挖时冻结天数，并据此进行了模拟，457 m层位冻结壁情况如图6所示。冻结壁平均厚度、平均温度、冻土平均入荒量如下表4所示，均能很好地满足开挖要求。

Table 4. Development of frozen walls during excavation of each layer

表4. 各层位开挖时冻结壁发展情况

累深(m)	开挖时冻结天数(d)	冻结壁平均厚度(m)	冻结壁平均温度(℃)	模拟冻土入荒量(m)	实测冻土入荒量(m)
43	90	4.9	−13.6	0.6	0.6~0.8
91	112	4.7	−11.2	0.3
120	122	4.9	−10.9	0.4
169	154	4.8	−10.7	0.3
390	228	5.9	−10.4	0.6
457	250	6.2	−10.5	0.7

Figure 6. Development status of frozen wall during excavation of control layer (457 m) (250 days)

图6. 控制层位(457 m)开挖时冻结壁发展状况(250天)

4.3. 冻掘配合

冻结施工与掘砌施工是相互联系，密不可分的，冻结施工状况影响掘砌施工，掘砌施工影响冻结施工安全。在井筒冻结段施工过程中冻结、掘砌应相互配合，密切联系，使冻结与掘砌施工处于可控状态。为了实现快速掘进，本工程积极冻结期加强冻结，防止前期开挖片帮；锁口段掘砌时采用小段高快速施工，减少井帮暴露时间，及时做好支护，做好防止锁口下沉或脱落的措施；维护动结期加强井筒掘砌工作面监测，及时调整冻结供冷量，为井筒掘砌提供了良好的冻结条件。

5. 结论

1) 鹰骏一号煤矿副立井采用全深冻结施工，使用主排孔 + 防片帮孔冻结方案，达到了隔绝地下水和加固地层的作用。

2) 选用13组LG25L20SY型双级撬块螺杆制冷压缩机组，保证了冷量的持续供应，确保了冻结壁的按时交圈。

3) 通过冻结分析和施工实践，冻结壁平均厚度、平均温度、冻土平均入荒量都能很好控制，结合冻掘配合措施，为井筒快速掘进提供了条件。