深立井凍結孔施工工法

《深立井凍結孔施工工法》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、李慶功、黃文學、馬萬昌；適用範圍是地層條件複雜，地層鬆散，有流沙及淤泥等特殊不穩定的地層的凍結施工，也部分適用於岩石注漿，地質檢查鑽孔等工程。

《深立井凍結孔施工工法》主要的工法特點是凍結孔施工是凍結施工的重要前提；凍結孔施工的地層越來越複雜化；凍結深度不斷增加，增加了造孔難度；凍結孔數量不斷增多。

2008年1月31日，《深立井凍結孔施工工法》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：深立井凍結孔施工工法
• 工法編號： YJGF225-2006
• 完成單位：中煤第一建設公司
• 主要完成人：梁洪振、郭永富、李慶功、黃文學、馬萬昌
• 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

凍結法施工在礦山開採中是一種最有效、最可行、最普遍的方法，凍結法施工第一步就是凍結孔施工。中國礦產資源，埋藏深度比較淺的大部分已被開採，未被開採的資源大都埋藏在較深且地質條件複雜的地層中，開採時一般多採用凍結法施工。隨著礦井凍結深度的增加，中煤第一建設公司不斷更新設備和採用新技術，通過多年凍結造孔實踐，總結了《深立井凍結孔施工工法》。

工法特點

《深立井凍結孔施工工法》的工法特點是：

1.凍結孔施工是凍結施工的重要前提

凍結孔施工是凍結措施工程中的重要環節，是一種隱蔽項目，質量好壞不能單憑肉眼判斷，必須通過專項的陀螺儀測試定向儀定向技術通過計算分析判斷，才能評價鑽孔施工質量。凍結孔施工質量的好壞關係到凍結製冷的成敗，所以凍結法施工中的重中之重是抓好凍結造孔質量。

2.凍結孔施工的地層越來越複雜化

隨著經濟的發展，礦產能源不斷開發，中國礦產資源埋藏地質條件好的、好開發的井田多已開發，新開發的井田大多埋藏在地質條件複雜的地層中。

3.凍結深度不斷增加，增加了造孔難度

最近新開發的煤田大多埋藏較深，凍結深度已從400多米躍跨到500米、600米、700多米。凍結深度增加，給凍結造孔施工造成了很大困難，迫使中煤第一建設公司不得不採用新技術、新工藝、新設備。中煤第一建設公司項目部承擔的山東魯能郭屯煤礦凍結深度702米，採用的是新技術、新工藝、新設備。

4..凍結孔數量不斷增多

隨著凍結深度的增加，要求凍結壁有一定的厚度，因凍土發展速度有限，再有業主要求建井周期短，這就迫使中煤第一建設公司不得不增加凍結孔圈數，增加凍結孔數量，用以滿足業主凍結井需要。凍結孔的數量及布置參數一般如表1。

表1 凍結孔參數表

凍結深度		400米以內	400~500米	500~600米	600米以上
布孔圈數		1圈孔	2圈孔	3圈孔	4圈孔
布孔	主孔	1.2~1.3米	1.2~1.3米	1.2~1.3米	1.2~1.3米
間距	輔孔	0.5~1.5米	1.5~2米	1.5~2.5米	1.5~3米
布孔	最內圈	>1米	1~1.5米	0.5~1米	0.5~1米
圈徑	外圈孔	保證凍結壁有效厚度滿足設計要求

操作原理

適用範圍

《深立井凍結孔施工工法》主要套用地層條件複雜，地層鬆散，有流沙及淤泥等特殊不穩定的地層的凍結施工，也部分適用於岩石注漿，地質檢查鑽孔等工程。

工藝原理

《深立井凍結孔施工工法》的工藝原理敘述如下：

利用鑽機設備帶動鑽具鑽頭機具迴轉，不斷切割擠壓破碎底下岩石，利用泥漿泵，通過鑽具往地下岩石破碎空間注入黏土泥漿，循環置換充填破碎的岩石空間。鑽機帶動鑽具鑽頭迴轉期間不斷接長鑽具，同時按要求測斜糾斜定位。如此循環直至達到凍結造孔深度，下置凍結管，完成一個凍結孔施工工藝，然後鑽塔搬遷移位，轉入下一個凍結孔施工。

施工工藝

• 工藝流程

《深立井凍結孔施工工法》的工藝流程是：

1.鑽孔施工控制程式見圖1。

圖1 鑽孔施工工藝流程圖

2.鑽孔施工順序是：施工準備→（鑽場基礎施工、臨建施工）→鑽機安裝及定位、調製泥漿→確定孔位→開孔鑽進→正常鑽進→測斜、糾斜、終孔測斜→下管→凍結管試壓→鑽孔驗收。

操作要點

《深立井凍結孔施工工法》的操作要點如下：

1.灰土盤施工

以井筒中心位置測量灰土盤大小範圍放線定位，平整場地。回填300毫米三七灰土，分層夯實，待三七灰土夯實到設計要求厚度時，進行凍結孔測量放線定位，並預留鑽孔位置和砌築泥漿循環溝槽，報監理及業主驗收。合格後澆築混凝土，混凝土厚度因凍結孔深度和地層情況而定，一般如表2所示。

2.鑽機安裝

必須保證天輪中心、鑽機轉盤中心、孔位中心三點一線，並墊平鑽機底盤，保證鑽機穩固。

3.開孔鑽進

安裝好機電設備配套好泥漿設施，接通水、電，安裝夜間照明，檢查鑽具，做好各項準備工作後，進行試鑽開孔。開孔時一定要平穩周正，鑽進20米時及時進行測斜。

4.正常鑽進

鑽機採用Φ89毫米鑽桿，Φ150毫米加重桿，Φ190.5毫米、Φ171.4毫米牙輪鑽頭組成的鑽具組合，迴轉式鑽進泥漿護壁的方法，分班連續作業方式。

5.泥漿配製

選取優質黏土，並經實驗確定其中各項指標。正常鑽進時，泥漿性能為1.10~1.15，含砂量不超過4%，失水量不超過25毫升，膠體率不小於95%。施工中，加強對泥漿性能的監測，經常測定泥漿指標，根據沖積層和基岩的地層特點，調整泥漿指標，以保證鑽孔護壁效果。泥漿性能參數見表3。

6.孔位

嚴格按設計要求開孔施工，開孔孔位與設計偏差不得超過50毫米，成孔後孔位與設計孔位偏差不大於100毫米。

7.孔徑

一般採用Φ170毫米或Φ190毫米鑽頭配Φ89毫米鑽桿、Φ159毫米加重桿鑽進。

8.孔深

各類鑽孔必須確保設計下管深度，不得有負值，不大於設計深度0.5米，在深孔鑽孔施工時，考慮到孔深、徑大、孔內沉澱、鑽孔偏斜等因素，鑽孔深度應比設計深度增加1米。

9.鑽進參數

鑽進時，立軸平穩旋轉不晃動，按鑽孔深度及地層情況合理選擇鑽進參數，鑽進中嚴格控制鑽機轉速，以防止鑽孔偏斜（表4）。

10.鑽孔測斜

為檢查鑽孔偏斜情況，按規範和設計要求每20米測斜一次。此規範是以前在比較淺的凍結井、使用千米鑽機設備63.5鑽桿的基礎上編寫的。若按此要求施工嚴重影響施工效率，實踐證明，表5測段比較理想：

表5 理想測段表

開孔測斜	鑽機開孔後，一般20~30米燈光測斜一次
鑽進中測斜	砂層、砂質黏土層測段50~100米，黏土層測段50~70米，基岩測段50米
糾斜後測斜	根據鑽孔偏斜決定是否糾斜，糾斜後一般鑽進20~50米測斜一次
終孔測斜	鑽到孔底後進行終孔測斜一次
竣工測斜	全盤鑽孔結束前進行凍結孔內測斜驗收

11.鑽孔偏斜要求

①凍結孔偏率一般表土段≤3‰，基岩段≤5‰，相鄰孔間距必須符合設計要求。

②測溫孔偏率≤3‰。

③水文孔各水平落點不得超出井筒淨斷面。

12.下管

①所有管材均採用20號低碳鋼無縫鋼管，下管前要重新丈量鑽具全長和校驗孔深，確保下管深度符合設計要求。

②配管

應對凍結管內壁進行除銹及清理雜物，保證管內通暢然後根據每個孔的深度、規格進行配管，對管子逐跟進行丈量、編號、配組、標識，並做好原始記錄。

③底錐

凍結管、測溫管、水文管須設密封底錐和加強隔板，要求底錐鋼板和加強隔板厚度不小於各類管壁厚，材質與各類管材相同。

④焊接

焊接時，要求管材、管箍、焊條材質必須一致，焊接厚度不小於各類管壁厚度，焊接必須嚴密無砂眼，無裂紋，並要求管端必須對正焊三遍以上，採用內接箍連線時，在焊接前必須按設計要求打坡口焊接。

⑤每個鑽孔完成下管之前應向礦方、監理方報驗下管通知單，內容包括鑽孔深度、鑽孔便斜、凍結管配管單等有關資料。

13.凍結管耐壓試驗

凍結管下管完成後，必須按“規範”要求進行水壓耐壓試漏，試驗時達到設計壓力，試壓穩定30分鐘壓力不變，或壓力下降值小於0.05兆帕，再延續15分鐘，其壓力保持不變為合格。打壓要設專人並做好原始記錄，打壓合格後，加蓋密封管口。

14.鑽孔複測

全部凍結管下完竣工後，有凍結單位組織進行成孔複測，不合格的凍結孔要增打補孔。

• 勞動組織

《深立井凍結孔施工工法》的勞動組織如圖2、表6、表7所示。

圖2 現場施工組織機構圖

材料設備

《深立井凍結孔施工工法》所用的材料及設備明細如下：

打鑽設備主要採用DJZ-500/1000型TSJ-2000E型鑽機，與之配套的泥漿泵有TBW-850/50型TBW-120/TB型，測井設備有燈光測斜儀和陀螺測斜儀，陀螺測斜儀主要有JDT-3型、JDT-5A型。

質量控制

隨凍結深度增加對凍結孔質量要求更高，《深立井凍結孔施工工法》的質量要求完全高於國家規範，在較深凍結孔施工偏斜質量都實行靶域控制。在偏斜孔段採用陀螺儀測斜、定向儀定向、螺桿鑽具糾斜措施，保證鑽孔質量。

一、鑽孔測斜

為檢查鑽孔偏斜情況，按規範和設計要求每鑽進20米測斜一次，並每隔30~50米繪製鑽孔實際偏斜方點陣圖以指導施工。

二、鑽孔偏斜要求

1.凍結孔

凍結鑽孔偏斜率必須嚴格控制，相鄰孔間距必須符合設計要求。防片幫孔向井心偏斜不大於200毫米。孔間距嚴格按設計要求施工。

2.測溫孔

偏斜率按不大於3‰控制。位置嚴格按設計要求布置。

3.水文孔

各水平落點不超出井筒淨斷面，花管位置要控制在設計的層位，按設好止水位，按放好凍結管後要按設計要求充分進行洗孔。

三、下管

1.所有管材均選用（GB/T 8163-1999）20號低碳鋼無縫鋼管，下管前要重新丈量鑽具全長和校驗孔深，確保下管深度符合設計要求。

2.配管：應先對凍結管內壁進行除銹及清除雜物，保證管內暢通，然後根據每個孔的深度進行配管，並對管子逐根進行準確丈量、編號、配組，並做好原始記錄。

3.底錐：凍結管、測溫管、水文管設密封底錐和加強隔板，凍結管的底錐焊接必須是雙層，焊接後必須在地面打壓合格後，方可使用。要求底錐鋼板和加強隔板厚度不小於各類管壁厚，材質與各類管相同。焊接採用與管材材質相符合的J422焊條，焊接厚度不得小於各類管壁厚，焊接必須嚴密。

4.焊接

除外圈凍結管250米以上採用外接箍連線外其他凍結管全部採用內襯管連線方式，測溫管和水文管採用外接箍連線方式，接箍長度均為200毫米。

焊接時要求管材、管箍、焊條的材質必須一致，焊接厚度不低於凍結管壁厚，無砂眼，無裂紋，並且要求管端必須對正，保證同心度，焊接要嚴格按焊接工藝進行焊接。

5.下管結束經打壓合格後，管口加蓋封牢固定，才能轉入下一個孔施工。

四、凍結管耐壓試驗

凍結管下置完成後，必須按“規範”要求進行水壓耐壓試漏。試驗壓力不低於設計壓力。試壓時間為30分鐘內壓力不降，或壓力下降值小於0.05兆帕，再延續15分鐘，其壓力保持不變為合格。打壓必須設專人，並做好原始記錄。打壓合格後加蓋密封管口，以防雜物掉入或泥漿灌入管內。

五、水文孔施工

一般布置1~3個水文孔，水文孔布置須躲開井筒主提升線，各水平落點不得超出井筒淨斷面。

1.水文管規格一般為Φ108~159毫米。

2.濾水孔孔徑為Φ20毫米，孔距橫向100毫米，縱向100毫米，梅花形排列，管外焊Φ6毫米墊筋，按管徑不同分別焊3根、4根、6根，外纏22目鋼絲網2層，並用14號鋼絲按5~6毫米間距均勻紮緊，並用8號鋼絲固定。

3.水文孔底部必須加焊底錐。

4.水文管連線處必須焊牢，不滲漏並保證同心度。

5.水文管下置後必須進行認真洗孔，以出清水為準。

六、凍檢孔施工：

為進一步檢驗副井所穿過的地層地質情況，首先施工地層傾斜下方的深凍結孔，對基岩段進行取芯，以便校核地層結構，確保凍結深度合理。副井取芯起止深度均暫定為585~600米。

七、各類鑽孔施工，均要認真做好原始記錄，要求全面、詳細、準確。嚴格按ISO 9001：2000標準，做好各環節、各過程控制，確保施工質量。

八、凍結鑽孔施工竣工後均提交如下資料。

1.鑽孔施工數據總表；

2.鑽孔測斜成果表；

3.鑽孔偏斜總平面圖；

4.凍結檢查孔柱狀圖；

5.水文孔施工結構圖；

6.凍結孔施工竣工報告；

7.各水平凍結壁交圈平面圖。

安全措施

《深立井凍結孔施工工法》除嚴格遵守《煤礦安全規程》《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）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。

環保措施

《深立井凍結孔施工工法》對周圍環境無污染、噪音低、粉塵少，屬於綠色環保施工方法。該工法可以提高鑽孔施工效率，節省大量電費和水資源，有利於企業提高節能降耗的能力。

效益分析

《深立井凍結孔施工工法》的效益分析如下：

凍結孔的施工質量與凍結質量關係重大，凍結孔施工質量好壞直接關係到凍結的成敗，關係到企業的信譽。凍結孔終孔間距如果減小0.1米，凍結時就可以減少5天積極凍結期，就可以節約水電費人工工資十幾萬到上百萬。所以優良的凍結孔是降低成本節約資金的重要環節。

套用實例

《深立井凍結孔施工工法》的套用實例如下：

山東鄆城煤礦副井井筒淨直徑7.2米，表土段埋深536.63米，井筒凍結深度594米。總鑽孔工程74680米，2005年12月29日開工，206年5月24日竣工，歷時147天，平均台月進尺效率2470米/台月，最高效率內5號孔日進尺按302米/台日的最好記錄。下凍結管71790米焊接無一漏孔，受到業主的表彰。

山東郭屯煤礦主井井筒淨直徑5.5米，表土段埋深587.40米，井筒凍結深度702米。總鑽孔工程量78546米，2004年9月30日開工，205年4月24日竣工，凍結管下放7736米焊接無一漏孔，受到業主表彰和獎勵。

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》，《深立井凍結孔施工工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。