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井筒冻结法施工的常见问题及防治措施探讨

By:常常

摘要:随着我国煤炭资源的开采和开发量日益增加,我国前部煤层资源已经基本开采没有了,那么为了保证煤炭资源的合理利用,就必须要加强对深层复杂条件下的煤层进行开采发展,但是在深层煤炭资源的开采过程中,出现了设计生产能力大、井筒深、断面大等特点,使得煤矿深层开采的难度和安全性问题显著突出,因此为了更好地促进煤矿深层资源的开采,市面上出现了井筒冻结法。在不稳定表土层中施工井筒时,冻结法有很大的优点,因此在煤矿矿井的深层施工过程中得到了广泛应用。但是在实际的应用过程中,冻结法施工也出现了一些问题,为了改善煤矿矿井开采过程中冻结法施工过程中存在的问题,我们必须加强对问题认识,下面本文以鹰骏一号矿井为例,来针对凿井施工过程中存在的问题,从而提出有效的解决对策。

关键词:井筒冻结法;施工常见问题;防治措施;探讨

    岩土工程冻结法是利用物质气化过程的吸热现象来达到将土体中的水冷却、结冰的效果,在矿井开采过程中,在挖井筒的周围打一定数量的冻结孔,在孔内安装冻结器,那么低温的盐水在冻结器中流动,吸收了周围底层的热量,逐渐形成了冻结圈,并且逐渐地扩大连接形成封闭不透水的冻结壁,用于抵抗地压,从而有效地隔绝地下水。之后在这样的保护条件下进行施工,等到挖掘到一定的深度以后,就可以停止冻结,进行拔管和充填工作。因此井筒冻结法就是地下深层矿井施工开采过程中采取的主要凿井方法。

1. 鹰骏一号矿井井筒及其施工方法

1.1井筒位置、数量及装备

   矿井移交生产时,共布置三个井筒,即在工业场地内布置主、副立井井筒和中央回风立井。

1.1.1 主立井

   井口中心坐标X= 4235126.913m,Y= 18655254.934m,井口标高+1339.65m,井底标高+600m,井深739.65m,提升方位角180°,净直径6.5m,净断面积33.2m2。主立井主要担负矿井的煤炭提升任务,兼作进风井及安全出口,井筒内装备一对50t提煤箕斗,同时布置两趟强排管路。主立井断面见图4-1-12

1.1.2 副立井

   井口中心坐标X=4235306.941m,Y=18655404.957m,井口标高+1341.15m,井底标高+565m,井深776.15m,提升方位角270°,净直径10.0m,净断面积78.5m2。副立井主要担负矿井的材料、设备、矸石、人员等辅助提升任务,兼作主要进风井和安全出口。井筒内2套提升系统,其中一套为特大罐笼+大罐笼提升系统,另一套为交通罐+平衡锤提升系统;同时布置三趟排水管路。副立井断面见图4-1-13

1.1.3中央回风立井

   井口中心坐标X= 4235056.902m,Y=18655504.973m,井口标高+1340.2m,井底标高+585.0m,井深755.2m。净直径7.2m,净断面积40.7m2。中央回风立井担负全矿井回风任务,兼作安全出口。中央回风立井断面见图4-1-14

1.1.4后期风井

矿井后期为满足通风需要,分别在井田的南部和西部布置一对进、回风立井,南翼进、回风立井井口标高+1344.0m,井底标高+600.0m,井深744.0m,井筒净直径7.2m,净断面40.7 m2,服务范围为113123133114124134212222232采区,兼做安全出口;西翼进、回风立井井口标高+1326.0m,井底标高+850.0m,井深476.0m,井筒净直径7.2m,净断面40.7 m2,服务范围为117127137采区,兼做安全出口。各井筒特征如下表所示:

1 井 筒 特 征 表

 

井筒特征

单位

井 筒 名 称

主立井

副立井

中央回风立井

1

井口

坐标

纬距(X

m

4235126.913

4235306.941

4235056.902

经距(Y

m

18655254.934

18655404.957

18655504.973

井口标高(Z

m

+1339.65

1341.15

+1340.2

2

提升方位角

°

180

270

270

3

井筒倾角

°

90

90

90

4

井底标高

m

+600.0

+565.0

+585.0

5

井筒深度深度

m

739.65

776.15

755.2

6

井筒

直径

净直径

m

6.5

10.0

7.2

掘进直径

m

8.3/9.9

12.7/15.4

9.4/11.3

7

支护

方式

表土段

 

双层钢筋砼砌碹

基岩段

 

双层钢筋砼砌碹

8

支护

厚度

(内壁+外壁)

0200m

mm

500+400

700+650

600+500

200400m

mm

900+450

1150+650

1100+500

400580m

mm

1250+450

1600+700

1550+500

5808000m

mm

 

2000+700

 

9

净断面

m2

33.2

78.5

40.7

掘进断面

m2

54.1/77.0

126.7/186.3

69.4/100.3

10

施工方法

冻结法

冻结法

冻结法

11

井筒装备

装备一对50t

立井提煤箕斗

两套提升系统,一套:一特大罐笼、一大罐笼;另一套交通罐+平衡锤提升系统

井筒内装备玻璃钢梯子间;井口装备2台防爆对旋轴流式通风机









1.2井筒施工方法

1.2.1井筒穿过地层水文地质情况

   井筒穿过的含水层由上至下划分为6层。主要是:第一,第四系松散层孔隙潜水含水层;第二,古近系底部砾岩裂隙孔隙承压含水岩组;第三,白垩系志丹群碎屑岩裂隙孔隙承压含水岩组;第四,侏罗系中统直罗组碎屑岩孔隙裂隙承压水含水层;第五,侏罗系延安组砂岩孔隙裂隙承压水含水层;第六,三叠系砂岩孔隙裂隙承压水含水层。

  总体来看,影响井筒施工的含水层主要为第四系松散层、古近系地层中的粉、细砂及砾岩层,白垩系地层中强风化岩,直罗组地层中胶结疏松的砂岩。

1.2.2井筒施工方法

   根据本矿井现有资料分析,同时根据相邻的新上海一号矿井和榆树井矿井实际揭露本区含煤地层内各层岩性较软弱且含煤地层为主要含水层,遇水易泥化。本矿井井筒施工不适宜采用普通凿井法施工。冻结法凿井是目前国内外穿过厚含水松散层凿井所采用的主要特殊施工方法之一,冻结法凿井既能用于不稳定的含水层,又可用于基岩含水层,适应性强,安全可靠,经济合理,工期有保障。本矿井井筒不仅需要穿过第三系松散层含水层,还需穿过白垩系、侏罗系的直罗组和延安组等基岩含水层,穿过含水层数目较多,且冻结法施工技术成熟,设计本矿井井筒采用全深冻结法施工。

2.冻结法井筒施工过程中常见问题及其措施探讨

2.1冻结管断裂问题

    冻结井筒在掘进过程中,冻结管断裂现象经常出现,随着冻结深度的增加,冻结断裂情况发生次数也越来也多,尤其是遇到比较厚的粘土层的机会也越来越多。主要就是因为冻结壁的变形过大,师德冻结孔出现偏斜,从而引发冻结管接头处焊接质量变差,或者是连接不紧密,从而引起冻结管断裂。

    对于冻结管断裂,主要的防治措施就是以下几方面:第一,合理确定冻结孔布置圈的直径,冻结孔直径较小时,虽然能够帮助降低温度,但是整体的厚度不够,会造成井筒壁的较大变形,因此必须要选择合适的冻结孔的布置圈大小,从而确保冻结壁厚度。第二,正确的选用管材和连接方式,通常选择使用低碳管、低合金钢无缝管材,在连接过程中,低碳管使用外箍焊接,低合金钢使用外箍丝扣连接。第三,降低盐水温度从而达到有效控制井帮温度的效果。

2.2冻结井壁破裂问题

    这是井筒施工过程中比较常见的一种现象,主要是因为对地层土体性质掌握不够全面,在含有膨胀性矿物的地层中,冻结壁的强度比较低,那么黏土蠕变胀裂外层井壁。还有就是低温条件下,混凝土结构的开始强度较低,在没有达到最终较高的强度之前就出现了破裂,这些都会造成冻结井壁的破裂产生。

对于冻结井壁破裂,主要的防治措施就是以下几方面:第一,弄清土层的物理力学性质,并且进行合理的设计。在井筒施工之前,必须要弄清楚井筒穿过的土层矿物成分和相关的物理力学性质,那么就需要设置专门的井筒检验孔,对井筒穿过的主要土层,尤其是厚度较大的黏土层,必须要确保取样的完整,精确的测定其相关的物理力学参数,从而有助于提前做好冻结井壁破裂问题的防治。第二,加强冻结,尽可能地降低冻结的温度,在冻结施工过程中,需要加强冻结,可以通过降低盐水的温度或者延长冻结的时间,通常在井筒开始挖设的过程中,必须要保证温度在零下10摄氏度以上,比如对于主立井的井筒深度是739.65米,副立井的井筒深度是776.15米,中央回风立井的井筒深度是755.2米,那么根据相应的井筒深度适当地延长冻结时间或者是降低冻结的温度,从而师德冻结壁的厚度和强度超过一般的设计强度和厚度,师德冻结壁形成一个弹性结构,能够降低变形的发生率,缓解外壁压力作用。第三,提高井壁混凝土的早期强度,混凝土强度在早期施工过程中,混凝土早期强度增大的速率明显低于冻结压力的增大速率,那么一旦两者出现较大的不适用,在早期混凝土结构施工过程中,就很容易出现混凝土结构破裂的情况,那么为了提高混凝土结构早期的强度,就必须要掺入适量的外加剂,从而使得不同龄期的混凝土强度能够有效地增长,使得混凝土早期强度增大的速率明显低于冻结压力的增大速率。

2.3工作面底鼓问题

    凿井过程中,工作面底鼓问题也时有发生,那么少量的底鼓问题发生属于正常,但是大量的底鼓问题出现时,很容易对工程施工造成较大的危害,底鼓问题出现的主要原因就是井筒还没有完全冻实,那么因井帮径向超前变形导致底鼓。同时井壁交圈不好时,有窗口出现时,也很容易造成底鼓问题。

    那么要想进行有效的防治就必须要降低冻结壁内温度,提高冻结壁的稳定性和强度,从而减少底鼓问题发生。

2.4冻结壁变形问题

    冻结壁变形在井筒施工过程中也是比较容易出现的问题,冻结井壁的变形问题主要是冻结壁的强度不够,段高过大或者是由于井帮暴露时间太长导致的。

    冻结壁变形问题在施工过程中一定要进行有效的控制,主要就是降低冻结壁的平均温度,进一步改善和提高冻结壁的强度,使得冻结壁的稳定性增强,从而减少井帮暴露时间,那么就可以达到有效防止冻结壁变形问题的出现。

2.5风动机具的冻结堵塞问题

    在井筒冻结法施工过程中,当前主要采用的就是风动机具,但是随着施工深度增加,温度降低,那么压风中的水分就会结冰,很快就会造成气孔堵塞,从而使得风动机具没有办法正常使用,影响掘进速度,因此我们必须采取除湿措施来改善堵塞问题。

    第一,就是利用过滤干燥法,将压风入井之前通过活性炭进行过滤除湿;第二,就是压风入井之前通过冷凝器,师德压风中的水蒸汽能够凝结成水放出。最重要的就是在井筒施工过程中,最好选择使用液压动力机具,从根本上解决压风机容易冻结堵塞的问题。

3.结束语

    冻结法在凿井施工过程中已经得到了广泛的应用,随着我国地下工程的大规模开发和应用,冻结法不但在矿井施工过程中得到了广泛应用,同时在其他地下工程中也会得到更加广泛的应用。在新的世纪领域里冻结法将发挥更大的作用。

 

 

 

参考文献:

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