摘要：随着矿井井筒冻结深度的不断增加，冻结法施工解冻水害问题日渐突出。现有防治方法主要是壁后注浆和射孔注浆，但这两种方法都存在很大局限性。冻结法凿井是在井筒开挖之前，首先在欲开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结器，低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围地层的热量，在松散、含水不稳定地层中形成冻结圆柱。鉴于此，本文主要分析冻结法施工解冻水害的机理及治理技术。
关键词：冻结法；解冻水害；治理
1、冻结法施工中的制冷技术
在大型工程的土壤冻结施工中，比较先进的制冷技术是液氮制冷技术，液氮是一种理想的制冷剂，具有无色无味，密度低于水，形态似水，沸点低，惰性强，无腐蚀性，对震动、电火花稳定等特点，并且液氮冻结具有简单、低温、快速、高强的特点。液氮制冷是属于物态变化的制冷范畴，液氮在冻结器内汽化，通过汽化吸热实现制冷。液氮冻结工艺的操作流程为：首先，液氮由空气分离厂用液氮槽运车运至工地，液氮从液氮贮槽或槽运车经绝热管路和膨胀阀，灌入冻结管内汽化，吸收周围土层的热量，最后氮气从冻结管排除，释放进入空气。液氮冻结属于深冷冻结，温度梯度大，冻结管温度可以达到－180℃。在液氮冻结施工设计时，冻结器的间距一般为0.5～0.8m，不宜过大，灌注压力一般为0.1～0.4MPa。
2、冻结法施工解冻水害的机理
井田地层倾角平缓，无明显断裂褶曲构造，原始地层各含水层间无水力联系。各含水层中，白垩系洛河组砂岩层为孔隙-裂隙地层，其平均厚度316.5m，含多层砂砾岩地层，单位涌水量为q＝0.23l/s•m，K＝0.21m/d，属中等富水性含水层，补给范围大，为主井出水的主要水源。下部延安组砂岩为弱含水层。
天然状态下，洛河组含水层与本区侏罗系开采煤层之间有约100m厚的良好隔水层，区域构造简单，岩层平缓，附近无断层。正常情况下，该含水层的地下水不会对本区的掘进、开采造成影响。
通过数值模拟实验和现场探放水钻孔试验发现，主井涌水的主要原因是冻结管解冻后，白垩系洛河组中的裂隙-孔隙水在冻结孔环状空间汇集，其具有一定压力及补给量，对矿井构筑物造成破坏，如图1所示。
图1井筒冻结孔承压水渗流矢量图
矿井井筒冻结施工完成冻结壁解冻后，冻结孔与冻结管之间形成的环状空间便成了水力联系导水通道，将立井从地面到井底所有的含水层连成一体，原来的隔水层失去隔水作用。
3、冻结法施工解冻水害的治理技术
3.1、冻结孔施工
图2钻孔开孔示意图
施工前应根据测量放线的冻结孔位置开孔。孔位偏差不应大于100mm。冻结孔应跟管钻进到设计深度，成孔最大间距在开挖区外围不大于1.3m。冻结孔最大偏斜值不超过150mm，采用经纬仪灯光测量，不仅要测倾角，而且还要求测方位角。采用金刚石芯钻在管片上开120mm的孔，剩下100mm左右的混凝土层不钻透。预埋121×5mm孔口管并用膨胀螺栓固定在管片上，安装球阀，在孔口管靠近法兰位置预留一个6'注浆孔，在二次开孔前安装孔密封及防喷装置，安装完毕确认无误后，再用钻头钻透残留混凝土壁及保护层，如图1所示。
冻结孔采用108mm无缝钢管的冻结管钻进到设计深度后，进行终孔测斜，当冻结管长度和偏斜验收合格后再进行打压试漏，冻结孔试漏压力保持在0.8MPa，半小时内压力下降不超过0.05MPa为试验合格。验收合格后，用水泥浆对孔口管与管片之间的缝隙进行封堵。
3.2、冻结站安装
根据冻结需冷量要求，选择氟利昂螺杆式冷冻机组，冻结站设在隧道内，冻结站布置图如图3所示。
图3冷冻站布置图
3.3、积极冻结与维护冻结
在积极冻结前应对站内设备进行单机调试和联运调试，当机组运行满足条件后方可开始冻结。在积极冻结阶段，要求冻结7d去回路盐水温度＜－20℃，去回路盐水温差≤2℃；如果检测发现盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应加大盐水蹦泵量或者延长冻结时间。冻结过程中每天要检测盐水温度、测温孔温度，并做好记录，及时发现异常情况，并根据实测温度数据计算冻结帷幕平均温度和厚度，预计冻结帷幕交圈时间。临时支护完成后冻结阶段为维护冻结阶段，维护冻结期间冻结要求同积极冻结。
3.4、开挖与构筑施工
根据测温孔数据判断冻结帷幕和平均温度达到设计值，在冻结帷幕内侧设泄压孔或打探孔，泄压孔和探孔无水、泥流出，此时可以进行开挖准备工作。
根据开挖断面结构和类似工程施工经验，采取分区分层方式开挖。先开挖集水井上部通道部分，等上部结构强度达到设计值后，再开挖集水井。开挖技术要求：开挖步距为0.55m，最大不大于0.8m。由于土体采用冻结法加固，冻土强度较高，同时受施工空间的限制，综合考虑采用风镐开挖。中间没有冻结的土体采用手稿和铁锹开挖，风镐需进行淬火处理和除湿处理。
在掘进工程中，开挖段周围地层中的应力重新分布，这种应力会形成新的附加荷载作用在冻结帷幕上，使冻结帷幕在应力作用下产生变形。如果变形量超过一定范围，会压裂冻结管从而使冻结帷幕破坏。因此在开挖过程中，严密监测冻结壁位移变形，根据变形情况调整开挖步距及临时支护方式，对暴露的冻土帷幕进行保温，防止化冻。
3.5、支护方式
1）初期支护（支护层）主要步骤如下。①临时支架制作。支架加工采用在地面上按设计尺寸将整榀钢架拼接好，确保无侧弯、扭曲、错台、变形等缺陷。②钢支架定位。首先测量准确，在钢支架架立后进行复测，钢支架应尽量与岩层贴紧，两底脚用钢板做垫板，防止钢架下沉。③连接。每节单元之间采用法兰盘连接，钢支架之间用20螺纹钢焊接连成整体。
2）喷射混凝土。原材料包括水泥、中砂或粗砂、卵石或碎石、速凝剂，配合比为：水泥∶水∶砂∶石子∶速凝剂=1∶0.45∶2.35∶2.17∶0.035，喷射混凝土强度为C20，厚度不小于150mm。喷射作业按分段、分片、分层依次进行，分段长度不大于6m，按自下而上顺序反复喷射。二次支护即结构层施工。结构层为钢筋混凝土结构。联络通道由于结构的特殊性，先施工完通道和喇叭口，再开挖集水井，最后施工集水井底板并浇筑钢筋混凝土。混凝土等级为C40，抗渗等级为P10。
结构总的施工顺序为：水平通道（包括喇叭口）→集水井。通道混凝土浇筑顺序为：底板→侧墙→拱顶。集水井混凝土浇筑顺序为：底板→侧墙→井盖。
总之，采用冻结法施工的井筒冻结圈解冻以后，井筒井壁或多或少会出现漏水现象，有的甚至造成了淹井事故，现在已经引起了人们的高度重视。中煤内蒙古蒙大矿业公司纳林河二号矿主、副、风井均采用冻结法技术成井，解冻后井筒涌水量激增造成淹井，虽采用强排进行壁后水泥注浆堵漏，但数月施工仍未取得效果。因此，本文的研究也就显得十分的有意义。
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论文作者:张灿灿1,仵允章2,时晓君3
论文发表刊物:《电力设备》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/31
标签：井筒论文; 水害论文; 液氮论文; 含水层论文; 帷幕论文; 盐水论文; 混凝土论文; 《电力设备》2018年第1期论文;