斜井井筒凍結工法

《斜井井筒凍結工法》是中煤第一建設公司完成的建築類施工工法；作者分別是梁洪振、郭永富、黃文學、馬萬昌、李志清；適用範圍是地質條件複雜、地層鬆軟及有流砂、淤泥等特殊不穩定地層，用普通法無法開鑿的斜井、平洞、地基加固等地下工程施工。

《斜井井筒凍結工法》主要的工法特點是改善了井筒施工條件，保證了井筒掘砌施工的安全；解決了普通法鑿井難以解決的問題；提高了施工速度。

2008年1月31日，《斜井井筒凍結工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：斜井井筒凍結工法
• 工法編號： YJGF226-2006
• 完成單位：中煤第一建設公司
• 主要完成人：梁洪振、郭永富、黃文學、馬萬昌、李志清
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2005-2006年度）

形成原因

《斜井井筒凍結工法》的形成原因是：

凍結法是根據熱力學原理，利用制冷機組進行熱功轉換，從被冷凍的物質中抽取熱量，使其逐步降溫並達到預定溫度的一種工藝方法。將這一原理套用於地下岩土工程即成為凍結法鑿井技術。

該技術就是在井筒開鑿之前，用人工製冷的方法，將井筒周圍地層（流砂淤泥、含水層等不穩定地層）凍結，使其形成一個堅固封閉的保護體凍結壁，以抵抗地下水、土壓力，隔絕地下水和井筒的聯繫，井筒在凍結壁的保護下進行安全掘砌施工的一種特殊鑿井方法。

自1883年德國工程師波茨舒發明凍結法以來，凍結法施工技術在世界上得到廣泛的套用，成為井筒通過含水不穩定地層的有效手段。中國自1955年首次採用凍結法鑿井技術，該技術主要套用於煤礦立井井筒施工，斜井凍結起始於20世紀70年代，套用於江蘇卜戈橋，山東陶陽等礦，但凍結深度淺，水平長度短。進入80年代，由於斜井投資少，出煤快，一些礦井採用斜井開拓，在用普通法施工無效的情況下，採用斜井凍結法施工，安全順利地通過了不穩定地層，（如榆林主副斜井寧夏煤礦等），取得經濟效益與社會效益。

工法特點

利用水凍結成冰這一現象，通過制冷機組及其他輔助設施，在斜井井筒周圍凍結形成一個不透水的筒狀凍結壁，井筒在凍結壁的保護下安全順利施工，《斜井井筒凍結工法》與普通鑿井法的顯著特點如下：

1）極大地改善了井筒施工條件，保證了井筒掘砌施工的安全

因凍結壁具有一定的強度和厚度，不僅隔斷地下水與工作面之間的聯繫，而且對開挖工作面具有臨時支護作用，從而使井筒掘進工作環境大為改觀，取消了排水設施，省去了排水和臨時支護費用，極大地改善了施工環境，保證了施工人員的安全。

2）解決了普通法鑿井難以解決的問題

當井筒地質條件複雜井筒需要穿過流沙、淤泥、深厚黏土等不穩定地層，採用其他方法很難順利通過，採用凍結法是順利該特殊地層的最有效工法。

3）極大地提高了施工速度

因井筒掘砌環境的改善，排水設施的取消，不僅解決了普通法難以通過的難題，而且使井筒掘砌速度大為提高，施工質量有了明顯提高。

操作原理

適用範圍

《斜井井筒凍結工法》的適用範圍是：

1）斜井凍結法主要用於地質條件複雜、地層鬆軟及有流砂、淤泥等特殊不穩定地層，用普通法無法開鑿的斜井、平洞、地基加固等地下工程施工。

2）地質條件及地下水流速、流向是凍結法施工設計的兩個主要技術指標，常規地下水流速小於10米/秒，流速大時可採用加密凍結孔等措施凍結。

3）根據凍結法原理，2005年前該工法成功地套用於煤炭、水利、交通、捷運、橋涵等地下工程建設中，為特殊地質條件下工程建設的可靠共法。

工藝原理

《斜井井筒凍結工法》的工藝原理包括凍結壁設計原理和製冷系統原理。

一、凍結壁設計原理

利用製冷壓縮機製取冷量，採用冷煤劑將冷量送到需要凍結的部位，對該地層一定範圍進行凍結，斜井凍結的關鍵技術是凍結方案設計，即根據不同地層的埋深、地壓值大小、地下結構、地下水情況設計不同區域的凍結壁厚度和平均溫度，其凍結壁厚度的確定理論基礎如下：

1.兩側凍結壁厚度：依據淺埋硐室鬆動壓力的岩柱理論，斜井筒兩側的凍結壁厚度應能支承塌落拱以上岩體重量時才是安全的。

公式：。式中C——所需凍結壁厚度，米；H——斜井井筒從兩幫牆基算起與地面水平垂直高度，米；——凍土內摩擦角，26°。

2.頂部凍結壁厚度：按平衡拱理論或簡支梁兩端承受最大剪力計算：E=（rHb/2）/[τ]。式中E——頂部凍結壁厚度，米；b——斜井井筒掘進寬度，米；r——岩體平均相對密度；[τ]——凍土允許抗剪強度，0.8~1.0兆帕。

3.底板凍結壁厚度：由於斜井均需通過含水鬆散的砂層和黃土層，則必須形成人工凍結底墊。斜井垂直深度較淺，取凍結壁厚度為3.0米，一般斜井底部壓力小，從結構上考慮可以滿足要求。斜井採用全封閉反拱支護，掘進斷面近似橢圓形，假設四周壓力相差不大，可用拉麥公式計算參考值：。式中R——井筒掘進半徑，按橢圓長軸計算，米；[σ]——凍土允許抗壓強度，3.0兆帕。

二、製冷原理

製冷原理包括鹽水循環系統、冷卻水系統、氨循環系統。

1.鹽水循環系統

利用水的低溫結冰性質，在斜井井筒周圍一定範圍內施工鑽孔（凍結孔），孔深為所需凍深，然後在鑽孔內下置凍結器（凍結管、供液管等組成），經過凍結站降溫的低溫鹽水（-20~-35℃的氨化鈣水溶液）經管路輸送，抵達凍結器底部，沿凍結管與供液管之間的環狀空間上升，此時低溫鹽水吸收地層傳給凍結管的熱量，使低溫鹽水逐步升溫，並返回到凍結站，進行再次冷卻，這就是鹽水循環系統。低溫鹽水吸收凍結管傳來的熱量，使凍結管四周溫度逐步降低，結冰範圍逐步擴大形成凍結圓柱，各個凍結圓柱不斷擴展，兩兩相連，形成一封閉的具有一定厚度和強度的凍結壁。當凍結管的強度與厚度達到設計要求後，井筒即可開挖。井筒在凍結壁的保護下安全施工。

2.冷卻水系統

在冷凝器中，冷卻水不斷地流過冷凝器，吸收內部氨相態變化所放出的熱量，並使冷卻水水溫升高，這就是冷卻水循環系統。

3.氨循環系統

利用液氨蒸發吸熱的原理採用壓縮機降低蒸發器中氨的壓力，氨汽化蒸發吸收鹽水熱量從而降低鹽水溫度。

綜上所述，凍結法鑿井的基本原理，就是鹽水從地層中吸收熱量，並將其熱量傳遞給氨，氨經壓縮機壓縮後，將這部分熱量傳遞給冷卻水，最後由冷卻水把熱量散發到大自然中。這樣通過三大循環，逐步地將地層降溫並凍結，形成所需之凍結壁（圖1）。

圖1 凍結法鑿井工藝流程圖

施工工藝

• 工藝流程

《斜井井筒凍結工法》的工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程圖

操作要點

《斜井井筒凍結工法》的操作要點如下：

1.斜井凍結孔布置

斜井凍結時，邊排孔是主體凍結孔。從開始凍結直至井筒全長施工結束，全部凍結孔均不停地工作。依據井筒通過的土層性質和掘進尺寸，中排孔可以為雙排或局部雙排（圖3）。所以中排孔有兩個作用：一是加快斜井頂部的凍結速度縮短形成封閉凍結圈的時間。二是提高頂部凍土強度，為保證凍結範圍內全部封閉，必須在斜井凍結起始端部和尾部設定3~4個封頭孔。

圖3 斜井凍結孔布置示意圖

2.斜井凍結的區段劃分

採用垂直孔凍結範圍大的斜井。凍結孔數量多，需冷量大。如採用分段順序凍結時，可以減少總裝機容量，縮短維護凍結時間。其劃分區段的原則，應能保證斜井連續施工，各區段的需冷量均衡。也就是當第一區段進行積極凍結時，第二段供給適當冷量；第一段開坑轉維護凍結時，第二段進入積極凍結，第一段內層井壁套壁結束停止凍結，而第二段進行開挖轉入維護凍結，而第三段轉入積極凍結，這樣直至全部凍結段掘砌完畢。此外，斜井進入深部時，凍結孔上段無需工作，可採用局部凍結減小冷量消耗。凍結區段劃分見圖4。

圖4 斜井凍結孔區段劃分示意圖

3.設計施工要點

1）根據地質及水文地質資料，全面掌握井筒所穿過的地層特性、地下水的流速與流向、凍結段終止位置的地層特點。根據地層結構、地下水流速大小及凍結終止部位的地層含水狀況等資料編制施工組織設計。對於地下水流速較大的地層，可分別採取減少凍結孔間距、加大凍結管直徑或布置雙圈孔等措施以克服水流的冷量散失。對於凍結段終止的地層必須是不透水的穩定基岩，否則會使凍結段下部出水，造成透水事故。

2）凍結孔施工要重點把握凍結孔開孔位置準確，各水平鑽孔偏斜率及間距不許超過設計值。

3）凍結管打壓試漏合格，深度達到設計要求，並根據測斜情況繪製各水平凍結交圈圖以備後用。

4）凍結站各設備管路安裝完畢後，進行氨系統、鹽水系統、冷卻水系統的打壓試漏工作，做到不滲不漏，設備單台及聯合試運行正常。

5）根據地下水流向，確定好凍結水源井的位置，以水井抽水不影響井筒凍結為原則，要求凍結水源井應距井筒水流上游300米以上。鹽水比重應達到設計要求。首次充氨量宜適量，隨著鹽水溫度的降低，系統液氨須不斷地加以補充。

6）試運轉開機時要掌握系統中各壓力、溫度的變化應在正常指標的範圍之內，如有異常要及時加以處理。

7）隨著製冷系統的運行，鹽水溫度逐漸降低，地層溫度也隨之而降，此時應加強凍結器及測溫孔溫度的監測。凍結器應檢查每根凍結管的鹽水流量及去、迴路溫度，查看凍結器結霜情況，了解凍結器的運行。測溫孔應每天測量記錄，收集原始溫度數據，掌握各地層凍結髮展狀況，及時分析異常數據。

8）開機20天后，對各個凍結器進行縱向測溫，從而全面掌握每個凍結器的運行狀況及各水平地層的凍土發展情況。

9）開機後應對井內水文孔及井外參考水井的水位進行每日觀測，記錄水文孔水位變化，掌握含水地層的凍結交圈時間。

10）當井內水文孔冒水，並經測溫孔溫度計算，凍結壁厚度、強度達到設計值時，開始井筒掘進。

11）當井筒掘進距設計凍結深度剩5~8米時，停止掘進，進行套內壁作業。當複壁正常，並經測溫孔計算凍結壁可以滿足複壁施工時，即可停止凍結運轉，複壁工作結束後，可以進行下一步凍結站拆除及現場清理工作。

• 勞動組織

《斜井井筒凍結工法》的勞動組織安排見圖5，打鑽管理輔助人員配備情況見表1，凍結人員配備情況見表2。

圖5 一台鑽機勞動組織圖

材料設備

一、材料

《斜井井筒凍結工法》所用的材料主要有：液氨（純度大於99.8%）氯化鈣（純度大於70%）、水（飲用水）、20號低碳鋼管（規格Φ108×5、Φ127×5、Φ133×6、Φ140×7、Φ159×8 GB 8163流體管）、聚乙烯塑膠管（Φ50×5、Φ60×5、Φ75×6）。

二、機械設備

《斜井井筒凍結工法》所用的機械設備明細如下：

1.打鑽設備

2005年前，中國國內常用的打鑽設備，有DZJ-50/1000型、TSJ-2000E型等鑽機，與之配套的有TBW-850/50型、TBW-120/TB型泥漿泵。

2.測斜設備

常用的有燈光測斜儀和陀螺測斜儀。燈光測斜儀適用於淺凍結孔，陀螺測斜儀為2005年前使用的較多的測斜儀。其中JDT-3型、JDT-5A型測斜儀均可實現不提鑽測斜，所測結果可以自動列印。

3.凍結設備主機及附屬設備包括：

（1）主機

主要有氨工質的8AS-12.5、8AS-17、8AS-25等活塞式壓縮機，螺桿機有25CF、KA20C等。

（2）附屬設備

主要有冷凝器、蒸發器、中冷器、油分器、儲液器、鹽水泵、清水泵等設備、管路、閥門。

質量控制

《斜井井筒凍結工法》的質量控制要求如下：

1.鑽孔施工質量要求

（1）鑽孔偏斜：

在沖積層中要求偏斜率<0.3%，基岩段<0.5%。鑽孔孔間距：沖積層<3米、基岩段<5米。

（2）凍結管下置深度誤差<0.5米，開孔誤差<0.05米。

（3）凍結管下置完畢後進行打壓試驗，以確保凍結管不滲不漏。試驗壓力公式為：P=1.5P₁+（d-1）H/10，式中P₁——鹽水泵壓（千克/平方厘米）；d——為鹽水比重；H——為凍結管深度（米）。

2.凍結施工質量要求

（1）凍結站安裝應嚴格按設計圖紙施工。凍結站安裝完畢後，對氨系統進行打壓試漏試驗壓力：高壓系統18千克/平方厘米；中壓14千克/平方厘米；低壓12千克/平方厘米；觀察24小時，壓力降<0.2千克/平方厘米為合格。

（2）開機前，對三大循環系統從單台設備、單個系統到整體系統進行逐步試運行，確認各系統運行良好後方可進行化鹽水、充氨等最後工序。

（3）凍結站鹽水降溫在0℃以上，每天不得超過5℃，鹽水達到0℃以下時，每天不少於2℃，一般在開機40~60天后，鹽水溫度應達到設計值。

（4）凍結站開機後，其凍結器的檢查工作是凍結工程的重點，為此，加強對凍結器運行狀況的檢查和對測溫孔數據的分析是確保凍結成敗的關鍵。

開機後，應重點檢查：

a.凍結孔各孔流量不小於設計值；

b.凍結孔縱向溫度自上而下，比較均勻無突變點現象；

c.測溫孔溫度應均勻下降，降幅一般為0.2~0.5℃/天。

（5）開機後應對水文孔水位及井筒四周參考井水位進行觀測，掌握地下水位與井筒內水位變化，以及了解凍結壁交圈情況。

（6）凍結壁交圈檢驗：

a.當經過水文孔水位觀察，井筒內水文孔水位有規律上漲，並冒出地面。

b.凍結器檢查沒有發現異常現象。

c.測溫孔推算凍結壁已交圈時，可以認為凍結壁已交圈。

安全措施

《斜井井筒凍結工法》除嚴格遵守《煤礦安全規程》、《礦山井巷工程施工及驗收規範》等規程、規定之外，為保證工法的順利實施，還應注意的主要安全措施有：

1.打鑽部分

（1）安、拆鑽塔要有專人統一指揮，有秩序的進行，嚴禁塔上、塔下平行作業。

（2）高空作業人員要戴安全帽，系安全帶，穿防滑鞋，所用工具要用工具包接送，防止墜物傷人。

（3）鑽孔期間要嚴格按照操作規程作業，並做好防雷、防火等防護工作。

2.凍結部分

（1）加強各種設備、管路的巡查，杜絕氨、鹽水、油的跑、冒、滴、漏現象，各種壓力容器按有關規定進行試驗。

（2）凍結站內要做好防火、防爆、防毒等安全防護工作。凍結製冷操作人員要有防毒面具、橡膠手套等防護用品。

（3）冬期施工不得赤手觸及金屬物件，場地周圍應採取防滑措施，供水管路採用保溫材料包紮，當停止供水時，應及時將設備和管路內的水放淨。雨期施工時，應了解當情況，要安裝避雷針，連線好接地極。

環保措施

《斜井井筒凍結工法》無污染，對周圍環境大氣、土壤、地下水沒有有害影響，是斜井井筒防止水首選的綠色環保施工方法。該工法對冷卻水系統進行改進，相比其他施工法可以節省大量水，同時選用新型高效的冷凍機，可以節省電費，符合國家節能降耗方針。

效益分析

《斜井井筒凍結工法》的效益分析如下：

凍結法鑿井主要用於特殊地層條件下的井筒掘進，在沖積層較深，地層含流砂、淤泥等條件，採用普通施工方法難以通過時採用，它是2005年前煤礦斜井井筒穿過特殊地層的最主要、最有效、最可靠的施工方法。雖然凍結法施工成本較高，但綜合考慮工期、質量、施工速度等因素，凍結法在特殊地質條件下具有明顯的優越性，就2005年前而言，若一個井筒要穿過賦存在100米以下的富水厚砂層，採用其他施工工藝花七、八千萬元可能無法通過，但是採用凍結法施工，就變得不怎么複雜，只需三、四千萬即可完成且施工速度快，效益好，所以斜井井筒凍結法鑿井是解決複雜地質條件下井筒順利掘進的有效工法。

套用實例

《斜井井筒凍結工法》的套用實例如下：

1.榆樹林子煤礦副斜井1983年5月開工，採用明槽、板樁、井點及注漿法施工，均未成功。主斜井於1984年5月開工，成井26.8米。兩斜井均在流砂層施工中發生冒頂，地表塌陷，主斜井陷坑直徑15米。副斜井陷坑直徑26米。最後採用凍結法施工取得了成功。

2.寧夏固源地區王窪煤礦主、風斜井1984年最初採用普通法開工。兩井施工至靜水位29米以下遇到飽和黃土層（粉質黏土）由於黃土層含水量超過塑限，處於流動稀泥狀，後改用井點和板樁法繼續施工。由於水中含泥量高達10%~20%，在排水掘進過程中大量泥土流失，發生冒頂、片幫、地表塌陷。主、風斜井塌陷坑直徑分別為50米和76米，最大陷坑深達9米，井壁開裂下滑無法繼續施工，後改用凍結法施工取得了成功。

榮譽表彰

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》，《斜井井筒凍結工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。