摘要：通过大佛寺煤矿进、回风井井筒冻结施工实践，针对本工程中的关键点及问题进行了分析及总结。为今后西部软岩地层井筒冻结设计和施工积累了经验，也为类似工程提供借鉴。
关键词：西部软岩；冻结法；设计；施工；水文孔
冻结法凿井已经成为通过西部白垩系、侏罗系软岩含水地层井筒施工的主要工法。但由于西部软岩含水地层特点与中东部冲积层有着明显的区别，在西部软岩井筒冻结设计以及施工过程控制措施还应做出针对性的调整和完善。本文对地处西部地区的大佛寺煤矿进、回风井冻结设计施工及技术关键点进行了总结。
1 工程及地质概况
大佛寺煤矿位于陕西省咸阳市彬县境内，矿井设计生产能力8.0Mt/a，采用斜井立井混合开拓方式。由于生产需要，在风井工业场地新增进、回风井。大佛寺进风井井筒净直径均为7.5m，井筒深度424.4m，冻结深度278m；回风井井筒净直径均为7.5m，井筒深度420.7m，冻结深度300m。
根据井筒检查孔（J1号钻孔和J2号钻孔）施工资料显示，井筒冻结段穿过地层从上到下依次有：第四系全新统地层（层厚30.21m）、白垩系洛河组（层厚205.76m）、白垩系宜君组（层厚6.44m）、侏罗系安定组（层厚109.08m）。
冻结段井筒区内含水层由上至下划分为三层。分别是：第四系松散层河谷区冲、洪积层孔隙潜水（Q4）、白垩系下统洛河组孔隙～裂隙承压含水岩组（K1l）、白垩系下统宜君组裂隙承压含水岩组（K1y）。其中白垩系下统洛河组孔隙～裂隙承压含水岩组为主要含水层，由各类砂岩组成，强富水性。隔水层主要为：侏罗系中统安定组隔水层（J2a）。
2 冻结设计
2.1 方案设计
根据井壁设计、地质资料及相关规范，大佛寺煤矿井风井、回风立井均采用部分冻结法凿井方式；进风立井的冻结深度为286m，回风立井的冻结深度为300m，主要冻结白垩系下统洛河组孔隙～裂隙承压含水岩组和白垩系下统宜君组裂隙承压含水岩组含水层。
2.2 冻结设计参数
（1）冻结壁设计
西部软岩井筒冻结壁设计原则为：以封水为主，两井筒均以洛河组最底部的含水砂岩作为冻结壁设计主要控制层位。根据该矿井地质及水文地质资料，井筒开挖荒径，开挖前冻结时间、开挖速度的要求，结合近年来类似软岩冻结经验，确定进、回风井控制层位冻结壁厚度均为3.0m。
（2）冻结孔设计
考虑主要含水层冻结封水及上部提前开挖要求，两井井筒冻结孔布置设计均采用主排孔+防片帮孔冻结方式。另布置测温孔、水文孔以监测井筒冻结施工过程情况。井筒冻结孔平面布置见图1，两井冻结钻孔平面布置相同。两井的冻结技术参数见表1。
图1 冻结孔平面布置图
表1 井筒冻结参数设计表
2.3 冻结站设计
工广内布置进、回风井井筒距离较近，冻结站采取两井一站设计，有利于减少冻结站占地面积；同时由于岩石地层的导热系数比较大，冻结前期井筒需冷量大，合理安排进、回风井的开机配组，错开井筒最大需冷量峰值，有效减少了总机组配置。
为了保证冷冻站满足进、回风井冻结需要，实现快速降温，并配备备用机组灵活调配进、回风井冻结需冷量，冷冻站设计安装7组新型高效的双机双级壳管式螺杆制冷压缩机组，冷量富余系数13.2%，满足冻结施工需要。
3 冻结施工
3.1 冻结开机运转
按照施工计划，进风井冻结机组于2016-11-05日开机运转，首先开机4组，开机14天盐水温度达到设计值，盐水去路温度随冻结时间变化见表2及图2。
通过积极冻结施工，进风井井30m水文孔于2016-11-16，开机冻结12天冒水；80m水文孔于2016-11-20，开机冻结16天冒水。比设计冒水时间提前19天；进风井盐水温度达到设计温度后，调减冻结机组至回风井，加强回风井筒冻结。施工中根据监测数据和分析结果，调节盐水流量，保证盐水温度，回风井两水文孔分别开机18天、30天冒水，进风井、回风井水文孔水位随冻结时间变化曲线见图3。
图2 盐水去路温度随冻结时间变化曲线
图3 进风井、回风井水文孔水位随冻结时间变化曲线
表2 进、回风井开机冻结及盐水降温情况
3.2 冻结掘砌施工
两井筒水文孔冒水后，根据冻结测温资料数据分析，结合现场实验验证，井筒上下各层位含水层冻结壁均已交圈，冻结壁的厚度及强度能够满足井筒试开挖要求。进风井于2016-12-12日进行正式开挖，回风井于2016-12-16进行正式开挖。井筒开挖过程中，对井筒工作面的施工情况进行跟踪监测，及时掌握井帮温度数据，图4-5分别为进风井及回风井东侧井帮温度及工作面空气温度随掘进累深的变化曲线图。
图4 进风井东侧井帮温度及工作面空气温度随掘进累深的变化曲线
图5 回风井东侧井帮温度及工作面空气温度随掘进累深的变化曲线
通过下井监测，冻结壁井帮温度均能达到设计值，为井筒顺利开挖创造良好的条件。2017-07-03进风井井筒套内壁施工结束，2017-06-30进风井井筒套内壁施工结束，两井筒冻结工程取得了圆满的成功。
3.3 冻结监测施工
本工程在冻结施工期间进行了多项监测项目，为井筒安全顺利通过冻结段起到了重要作用。
（1）为确保井筒顺利施工，为分析预测提供依据，本工程采用CW-500型远距离多点数字测温仪等仪器对冻结站制冷系统运行工况指标监测（温度、压力、电流等）、冻结器的运行状况监测（流量、温度等）等，确保冻结施工安全、高效。两井筒冻结盐水降温情况见表2。
（2）水文孔水位监测。根据冻结壁内水文孔的水位变化情况，可作为初步判断冻结壁是否正常交圈的手段之一。根据检测数据显示，进、回风井水文孔分别比设计冒水时间提前19天、5天。水文孔冒水后，进行水文孔冒水量监测及水压的监测并进行分析，确保冻结壁形成的强度和厚度，为井筒开挖提供科学依据。
（3）测温孔温度监测。进、回风井井筒均设计3个测温孔，在洛河组主要含水地层加密测点布置。采用国产的TZW-100多路数字温度采集仪监测冻结温度，经过全面监测整个冻结壁在冻结过程中的发展情况，掌握其施工过程中的温度分布规律，正确判断冻结壁的交圈时间、厚度、温度，预测冻土扩展情况，并指导各井筒的冷量供应调整。
4 施工总结及建议
（1）科学严密的组织管理是本工程项目各项要求顺利实现的决定性因素。各工作的如期开展、顺利进行，使各项工作进展都能按照施工方案进行，最终实现了大佛寺煤矿进风井、回风井冻结段工程的顺利完成。
（2）冻结施工中积极推广新技术的应用，加强监测系统信息化、数据处理系统的智能化，努力提高现代化信息施工技术，是提高冻结施工效率的关键。
（3）本工程通过两井一站设计、合理安排施工步骤，科学调整开机配组，做好冷量分配，既做到了两井筒均提前开挖，同时又是节约用电成本，减少机组的占用费用。
（4）西部软岩含水地层的设计原则应以封水为主。
（5）建议在西部软岩地区，为确保井筒冻结高效安全，优先选用高效节水型冷凝器、新型干式蒸发器，减少能耗，提高效率；应用盐水泵应加装变频装置，进一步节约能耗。
参考文献
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作者简介
张亮(1979.2-)，男，安徽宿州人，工程师，目前就职于中煤第三建设（集团）有限责任公司，主要研究方向：工程管理、特殊凿井技术及施工管理，安徽合肥徽州大道110号，Tel：13905610212，E-mail：17434173@qq.com。
论文作者:张亮
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/7/23
标签：井筒论文; 回风论文; 温度论文; 立井论文; 水文论文; 白垩论文; 地层论文; 《基层建设》2018年第18期论文;