淮南新建矿井井筒冻结工程常见问题浅析
井筒冻结法施工工艺和风险分析
井筒冻结法施工工艺和风险分析【摘要】冻结法具有适应性强、支护结构灵活、隔水性好等特点，在深厚表土层中井筒施工主要采用冻结法。
本文介绍冻结法的施工工艺进行介绍，为深厚表土层冻结施工提供经验。
【关键词】井筒冻结设计；冻结施工；冻结原理【Abstract 】Freezing method has strong adaptability and flexible support structure ，impermeable and good features，in deep alluvium Shaft Construction mainly freezing method. This article describes the method to freeze the construction process will be introduced to freeze the construction of deep topsoil provide experience.【Key words 】Freeze wellbore design；Freeze construction；Freeze principle1.引言由于我国地层条件比较复杂，在华东、华北、西北地区井筒建设无法采用普通凿井法凿井，需要采用冻结法、沉降法和盾构法等特殊凿井技术进行建设。
当建设井筒地层为不稳定厚表土层时，采用的施工方法主要以冻结法为主。
并且煤矿向深部开采延伸，其井筒往往要穿过特殊地层，如过含水丰富或碎破的基岩，都要采用冻结法施工。
因此，冻结法施工是广泛采用行之有效的技术方法之一。
2.冻结原理在地下工程施工之前，采用人工技术制冷，将地下工程周围的含水或者含有松散碎石岩层冻结，形成冻土结构物一一冻结壁，用来承受来自地层中压力和隔绝砂子和地下水涌入，然后在形成冻土结构中进行开挖、支护的特殊施工方法称为人工冻结法(简称冻结法) 。
3.冻结设计在深厚表土层采用冻结法建设井筒，冻结壁设计是关键问题之一。
矿井井筒冻结施工
井筒冻结工程一、冻结方案由于本矿井主、副、风井井筒净直径均较大，且冻结深度大，根据其实际地质情况并参照附近龙固、赵楼等矿井冻结设计、施工情况，三个井筒均采用三圈孔加辅助孔冻结方案。
其主要优点为冻结效率高，综合工期短，适于早日开挖、快速施工，且安全可靠。
二、冻结设计1、冻结深度的确定本矿井井筒冻结深度分别为：主井井筒894m，副井井筒840m，风井井筒840m。
2、冻结壁设计（1）冻结壁设计原则按两种极限状态设计，一是冻结壁的极限承载能力；二是冻结壁极限允许变形状态。
前者对砂层较合适，因为砂层冻结壁由于冻砂具有脆性断裂的特性，因此其承载能力必须得到满足，否则可能出水冒砂。
后者适用于深厚粘土层，因为对于粘土层最终决定冻结壁厚度的是必须满足变形条件，在隔水粘土层中不会涌砂冒水，但过大的变形会导致冻结管断裂，从而影响冻结壁安全。
（2）基本设计计算参数冻结壁基本设计计算参数见表3-2-1。
表3-2-1 冻结壁基本设计计算参数表注：※掘砌荒半径不含壁后泡沫塑料板厚。
（3）冻结壁厚度设计根据现有公式计算、有限元分析及经验工程类比并结合万福实际工程情况，确定万福矿井各控制层冻结壁厚度见表3-2-6。
表3-2-6 万福矿井主、副、风井各控制层冻结壁厚度表（4）冻结壁（强度）平均温度校核结合国内现有冻结制冷工艺，立足现实，在确保安全运转的前提下，盐水温度在-30～-37℃之间较为合适，在龙固、丁集等矿井已经实现-36℃的盐水温度，若达到-40℃不但制冷设备的效率大大降低，由此带来的冻结管及制冷系统的管道材质问题将很难解决，即便解决费用也难以承受。
因此计算最低盐水温度按-36℃。
多圈孔冻结施工国外及国内均没有现成的公式可以计算，冻结壁平均温度计算采用四种方法计算：①采用单排孔冻结壁平均温度计算公式——成冰公式，加修正值；②采用作图法计算；③采用有限元分析方法；④工程类比法。
冻结壁平均温度计算结果见表3-2-7。
表3-2-7 万福矿井冻结壁平均温度计算结果表经过校核可知，冻结壁平均温度均能达到设计要求，强度可以满足施工安全。
浅谈潘北矿副井冻结施工技术
表 １ 潘北矿副 井冻结技术参数表
本井 田总体形 势 为一走 向约东西 ， 向北 东 的不完 倾 整背斜构造 。根据“ 钻孔柱状图” 及有关资料 ， 粘土及砂 质粘 土 共 有 ３ １层 ， 厚 度 １６ ３ｍ， 层 最 厚 为 总 ５． ８ 单
４ 结束 语
Байду номын сангаас
华 南 下 庄 地 区花 岗 岩 型 铀 矿 ， 矿 化 严 格 受 东 西 铀
向、 北北东向含矿构造带 和北东东 向储矿构 造带控制 ； 补体、 中基性岩脉 、 碱交代岩和含炭石英砂岩是成矿 的 基性岩脉和构造复合部位。是矿田主要矿化类型。 碱交代 岩 主要 产在构 造 带附 近 ， 炭石 英 砂 岩 主要 有 利围 岩 ； 成矿 热 液 作 用 分 为 两期 ， 液 活 动 作 用 中 含 铀 热 分布在岩体外围， 当成矿期构造与之复合时 ， 铀矿化富 心在 矿 田中北 部 。 集作用 比较 明显 ， 由于规 模 小 ， 但 分布 零星 ， 体规 模 较 矿
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９ ６
西部探矿工程
２０ 年第 ２ ０７ 期
年６ ２ 月 ５日停冻 ， 历时 ２ ９ ， ５ ｄ顺利完成冻结施工 任务，
未 出现断管 、 漏盐水 等 情况 ， 评 为优 良工程 。 并
２ 地质概 况
（） ５加强掘砌管理。严格控制砼的配合 比， 掌握好 砼 的质量 （ 的塌 落度 、 模温 度等 ）砼 振捣 到位 ， 理 砼 人 ， 合
３４８ 深度和表土段厚度都没有什么特别之处 ， ４．ｍ， 但是 潘北矿井地质结构较为复杂 ， 阐述了冻结具体措施 情 况， 科学客观 的分析并结合 当前 国内冻结施 工技术 现 状， 优化设计 ， 的把经济效益与技术结合在一起。 较好
井筒冻结法施工的常见问题及防治措施
井筒冻结法施工的常见问题及防治措施xxx xxx xxx（中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州221116）摘要：在不稳定表土层中施工井筒时，冻结法具有大量的优点，主要包括：适应性强；支护结构灵活、易控制；隔水性好；对环境影响小等。
因此，冻结法在井筒的特殊施工中被大量应用。
我国煤矿于1955年在开林西风井首次使用冻结法凿井，此后，冻结法凿井技术逐渐推广。
现在，我国已是世界上用冻结法凿井穿过表土层最厚的国家之一，但是井筒在冻结法施工中，仍然存在很多的问题，这些问题必须引起我们的高度重视。
本文主要是介绍了冻结法施工的原理及共存在的主要问题，并提出了相关的防治措施。
岩土工程冻结法通常是利用物质气化过程的吸热现象来达到将主体中的水冷却、结冰的目的。
其制冷系统多以氨作为制冷物质。
为了使氨由液态变成气态，由气态又变为液态，如此循环进行，整个制冷系统由三大循环构成：氨循环系统、盐水系统、冷却水循环系统。
在井筒开挖之前，在欲开井筒的周围打一定数量的冻结孔。
低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围地层之热量，形成冻结圈。
冻结圈并逐渐扩大连接成封闭不透水的冻结壁，用于抵抗地压、隔绝地下水。
然后，在其保护下进行崛砌施工，待掘砌到预计的深处后，停止冻结，进行拔管和填充工作。
井筒冻结法施工主要工艺过程包括冻结孔施工、井筒冻结和井筒掘砌等主要工作。
由于地下空间的不确定性，冻结法在井筒井筒的施工中还存在很多的不确定性，从而引起了很多问题，像冻结管的断裂问冻结井壁的破裂问题、工作面底冻结壁的变形问风动机具的冻结堵塞问题和地表冻融危害问题等。
冻结法井筒施工中的常见问题及防治措施。
在冻结井筒掘进中，冻结管断裂现象时有发生。
近年来，由于冻结深度逐年增加，遇到厚粘土层的机会越来越多，冻结管断裂的现象也就会越来越严重。
究其问题，主要有：冻结壁的变形过大，冻结孔偏斜大，冻结管接头焊接质量差或丝扣连接时扣形不适。
其防治措施有：合理确定冻结孔布置圈直径。
立井井筒施工容易出现的问题以及预防措施
一、膨胀黏土层施工中常出事故:黏土层膨胀,易片帮、抽帮，钢筋绑扎、模板固定后，黏土层膨胀快造成混凝土支护厚度、强度不能达到设计要求，冻土掉入模板钢筋内影响混凝土质量和支护厚度.如井帮位移量过大,造成冻结管断裂,盐水泄漏,冻结壁破坏，导致混凝土井壁抵挡不住冻土冻胀力而浮现井壁掉皮、脱落、开裂、漏水、淹井等事故.预防措施加强冻结,应保证井筒深部黏土层内井帮温度符合相关设计要求规定，以提高冻结壁自身强度1、先让后抗原则(1)在掘进周边荒径中，开切竖向卸压槽,长度为一模段高，在井帮均匀开挖卸压槽(槽宽×槽深×槽间距=300×200×500~700mm)，其内充填芦苇笆当黏土膨胀时，其膨胀土流入槽内空间，体现出“卸压”的效果.(2)加强支护强度 ,加密钢筋布置，同时提高混凝土的强度，体现出“抗”的原则,使黏土浮现膨胀时，能抗住膨胀压力。
2、减少井壁暴露时间(1)在掘进方式上组织足够人力、物力、机械强行快速台阶式掘进。
先挖超前小井，使井筒中心超前小井低于工作面 1m 以上,防止井筒空气与井帮温差，然后进行刷帮，释放部份压力。
(2)在支护上采用短段掘进，小段高快速掘砌,段高控制在 2m 以内，先掘出刃脚槽坑，提前立模筑壁(中间高出的 0.5~0.8m 挖掘与筑壁平行作业) ,缩短冻土井帮暴露时间，减少位移量。
3、表土冻结段外壁混凝土中掺入抗冻高效减水剂，提高混凝土早期强度，使砼的强度 24 小时内达到设计值的50％以上， 72 小时内达到设计值的 80％以上内壁套砌时掺放防裂密实剂，增强抗渗性能,提高封水效果。
4、掘进时井帮遇到异物要剔除 ,确保不因异物挤占空间导致砼井壁厚度不够。
5、调节冻结方式 ,加强井筒外排冻结孔的流量，减少内排孔冻结的流量，使总冻结流量不变,使井帮冻结温度有所下降，减少黏土层的冻胀力，且不降低总冻结壁的厚度。
6、加强已暴露井壁位移量的观测 ,掌握黏土层膨胀速度。
井筒施工中冻结基岩段底部处理技术
含水量较大的矿区大都采取此法 ， 如淮南矿业集 团
丁集 矿 井 、 能菏 泽煤 电公 司郭 屯 矿井等 。 鲁 ３ 冻结 段 底部 与注浆 段 上 部 交 错 一定 长 度 。 ） 是指把 注浆 段上 限 放 在 冻结 段 内 ， 过 注 浆 在 风 化 通 含 水层 底部 形成 一 隔 水 岩 帽 ， 断 了上 下 含 水 层 的 切 水力联 系 ， 以阻隔 上部 的水通 过 裂隙进 入井 筒 ， 用 一 般 情况 冻结 底部 与注 浆段 交 错长 度 为 ｌ ５—２ ０ｍ便 可达 到预期 的效 果 。在 国投新 集能 源股 份有 限公 司
３０ Ｃｏ ２ ０ ａｌ ４／ ０ ６
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员 素质 好 ， 斜仪 器 性 能 良好 就能 造 出高 质 量 的钻 测
孑 ， 则 ， 孑 质 量 就很 难 保 证 ， 至 出现 钻 孑 预计 Ｌ否 钻 Ｌ 甚 Ｌ 偏 斜 轨迹 与实 际有 很 大 偏 差 的可 能性 。再 者 ， 测斜
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实 用技 术
井 筒 施 互 中 游 苍 岩 缇 废 部 处 理 技 术
付 杰
（ 枣庄矿 业集 团公 司 第五工程处 ， 山东 枣庄 ２７０ ） ７ １ １
摘
要： 主要介绍在矿井建设 中风化基岩含水层 的危害 、 处理措 施 以及各种措 施 的特点及 实际效 果 ， 各 在
井筒 开挖 前利 用浆 液封 填岩 层裂 隙 ， 堵 过水通 道 ， 封 在井 筒周 围形 成有 效 的隔水 帷幕 实体 是最 行之 有效 的措 施 ， 能达 到一 劳永 逸 的效 果 。如 淮 南 矿业 集 团
丁集 矿 副井 表土 深度 为 ５ ４ ｍ， ２ 注浆 上 限为 ５ ５ ｍ， ３
矿井井筒冻结法施工过程中的常见问题与处理
face bottom heave, and freezing wall deformation may occur, which seriously affect the shaft construction. These are also common problems
in the construction process of shaft freezing method, which are discussed in this article.
作者简介院张星宇（1986-），男，河北黄骅人，本科，现任中煤邯郸 特殊凿井有限公司丁家梁项目部技术部长。
环、氨循环三个循环系统构成。在井筒开挖之前，首先需要 在井筒开凿处的周边根据冻结范围的需要，打出一定数量 的冻结孔，然后在冻结孔内安装冻结器。低温盐水以循环 泵为动力在冻结器内循环流动，不断吸收周围土体热量使 其降温冻结并形成多个冻结圈，最后冻结圈逐渐扩大连接 在一起形成坚固稳定且不透水的冻结壁，以防止开凿区域 土体变形。在冻结圈的保护下可进行井筒及砌衬施工，待 掘砌施工到预定深度后并在井筒周围形成坚固砌体后，即 可停止冻结，撤出冻结器和冻结管。
1.2 井筒冻结法施工的技术特点 淤安全性好。冻结形成的坚固稳定的冻结壁，其强度 可达到 10MPa。可有效抵御围岩压力和防止土体变形，还 能隔绝地下水，增强施工区域地层的稳定性，确保施工安 全。于操作灵活。可根据冻结需要合理控制冻结体的形状 和范围，提高冻结效率。盂环保无污染。冻结施工仅通过温 度变化来改变土体形态，不会对施工区域造成污染；土方 施工主要为冻结孔打孔，土方作业量较小，对地层破坏影 响也较小。榆不影响工期。冻结施工可与其它矿井施工项 目平行作业，因此对工期影响较小。 2 矿井井筒冻结法施工过程中的常见技术问题与处理 由于施工区域地层情况的复杂性和地下空间的不确 定性，采用冻结法进行井筒施工时有时会遇到一些技术问 题。比如冻结井壁破裂、冻结管断裂、冻结壁变形、工作面 底鼓等，都是冻结法井筒施工时经常遇到的问题，通过采 取适当的措施即可消除问题隐患，保证顺利施工。 2.1 冻结管断裂 冻结管断裂主要是由于土层冻涨力对冻结管形成的 挤压作用所致，与冻结壁变形过大、冻结孔偏斜和冻结管 连接质量等都有一定的关系。特别是厚粘土层区域施工 时，冻结管断裂的现象更加常见。可采取以下措施予以防
冻结法凿井常见问题及其预防
冻结法凿井常见问题及其预防介绍了冻结法凿井的原理及冻结法在国内应用概况，对冻结法凿井过程中常见的问题诸如水文观测孔阻塞、冻结孔偏斜、掘进段高的确定、冻结管断裂及冻结井外壁破裂等方面进行了探讨并提出了相應的解决办法。
标签：冻结；凿井；施工；问题一、冻结法凿井原理在开凿井筒前，将井筒周围含水层用人工制冷方法，冻结成封闭的圆筒形冻结壁，以抵抗地压并隔绝地下水与井筒的联系，在冻结壁的保护下进行掘砌作业的施工方法。
二、我国冻结法凿井技术应用概况我国冻结法凿井起源于开滦矿区。
1955年，我国从波兰引进冻结法凿井技术，首次应用于开滦林西风井，获得了成功。
1956年唐家庄风井，自己设计施工，用国产设备，采用冻结法凿井，又获得了成功。
这为我国特殊凿井施工方法的推广应用开辟了新的途径。
随后冻结法凿井技术在全国得到推广应用。
三、冻结法凿井常见问题1、水文观测孔堵塞在井筒开挖前要根据水文观察孔的水位变化情况确定冻结柱是否交圈、交圈是否良好。
当冻结圆柱交圈后，井筒周围便形成一个封闭的冻结圆筒，由于水变成冰后体积膨胀，水文观察孔内水位上升，以致溢出地面，水文观察孔溢水是冻结圆柱交圈的重要标志。
2、冻结孔偏斜冻结孔施工存在偏斜情况，为了达到预期的冻结效果就要对冻结孔偏斜率提出要求：位于冲积层的钻孔不宜大于0.3%，但相邻两个钻孔终孔的间距不得大于3m；位于分化带及含水基岩的钻孔，不宜大于0.5%，但相邻两个钻孔的终孔不得大于5m；对于径向偏斜，均控制在500～800mm范围内。
当相邻两个钻孔的偏斜值超过上述规定时，应补孔，防止冻结壁开窗，涌砂冒泥，造成淹井事故。
3、影响掘进段高的因素掘进段高是指掘进段未经支护的高度。
到目前为止，冻结井筒掘进段高计算理论不少，但还没有公认的可靠的计算方法。
主要原因是影响段高的因素甚多，理想模型不能真实描述复杂的现实施工情况。
目前只能采用工程类比法，按施工经验选取。
由于段高大小直接影响施工速度、施工安全、井壁质量及经济效果，所以，一直为人们所重视。
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淮南新建矿井井筒冻结工程常见问题浅析
发表时间：2009-12-07T10:03:28.390Z 来源：《中小企业管理与科技》2009年11月上旬刊供稿作者：孔伟杰陈清敏李俊华[导读] 井筒冻结深度。
指井筒主冻结孔的深度，若主冻结孔采用差异冻结方案，则指深孔的冻结深度孔伟杰陈清敏李俊华 (河南郑煤矿业建设有限责任公司)
摘要：对冻结施工过程中容易出现问题的施工工序予以说明，以便对井筒冻结施工中的细节加强管理，提高井筒冻结施工质量。
关键词：井筒冻结施工技术现场管理
1 井筒冻结方案的审查应当注意的问题
1.1 井筒冻结深度。
指井筒主冻结孔的深度，若主冻结孔采用差异冻结方案，则指深孔的冻结深度。
合理确定井筒冻结深度，关系到井筒冻结段的施工安全和基岩段施工的连续性，因此在井筒冻结方案中应认真审核井筒冻结深度。
冻结深度主要根据井筒含水层、岩性、渗透系数等地质与水文资料确定，《矿山井巷工程施工及验收规范》规定：井筒的冻结深度，必须深入不透水的稳定岩层10m以上。
当基岩下部30m左右仍有含水层时，应延伸冻结深度。
淮南新建矿井冻结一般穿过基岩风化带，有的井筒穿过基岩段第一含水层，后者较前者好些，具体情况在表一中予以说明。
1.2 冻结机组制冷能力的复核。
为了实现快速冻结，快速交圈的目标，必须确保冻结机组制冷能力满足井筒冻结的实际需要。
由于井筒需冷量计算，在选定相关参数时，受经验数据的局限性和各参数选定误差及人为因素的影响和对施工环境气候条件的忽视，井筒需冷量计算结果偏小，导致冻结站实际装机能力不足。
因此，冻结站装机容量应按照井筒实际需冷量的3.5~4.0倍配备冻结制冷机组，设备选型应优先选用安全高效的螺杆机组。
下面以表二中朱集矸石井与谢桥箕斗井井筒冻结实例予以说明： 1.3 积极冻结期盐水温度。
为实现快速冻结交圈目的，应在经济实用和安全可靠的基础上尽可能降低盐水温度，一般在积极冻结期，盐水温度应尽快降至-32℃以下，强化冻结期盐水温度可保持在-32~-34℃之间，根据井筒冻结深度可作相应调整 1.4 水文孔位置的确定。
通过观测水文孔含水层的水位变化，可直观了解井筒不同深度冻结壁交圈时间，以便确定井筒开挖时间。
因此在井筒冻结段合适的含水层合理布置水文孔的位置，就显得至关重要。
表土段水文孔孔深应进入冲积层中最下部的含水层，布置在距井筒中心1m远的位置，以不影响井筒提升和测量为宜。
水文观测孔报导方式一般有单孔单层报导和单管分层报导各含水层情况两种。
在淮南矿区冲积层一般有3~4含水层，水文观测孔正常布置2个，报导2~3个主要含水层。
1.5 深厚膨胀粘土施工段高与井帮暴露时间的确定。
根据淮南矿区新井建设井筒冻结施工经验，认为段高不超过
2.5m，井帮暴露时间不超过20h，施工是安全的。
谢桥矿以前施工副井及矸石井在过239~300m之间的厚粘土层时发生多根冻结管断裂淹井事故，且该地区深厚粘土层位移量明显，建议在此地区段高宜控制在2m以内，井帮暴露时间不超过16h，同时保证井帮温度保持在低于-3℃。
2 冻结造孔施工应当注意的问题
2.1 钻场基础必须保证有足够的承载能力和平整度，以保证钻孔正常施工钻孔的竖直度和方便平移钻机。
一般钻场基础厚度在700mm 左右（三七灰土厚度300m，砼基础厚400mm，砼强度不宜小于C20）。
谢桥矿二副井冻结钻场基础回填不实，打钻时，砼基础不均匀沉降，影响冻结孔的偏斜，造成冻结管不能下放到设计位置。
2.2 冻结孔深度的检查，在终孔测斜时，由于陀螺一般放置在距离孔底5~7m的位置，因此，终孔测斜应和钻具丈量记录结合起来检查冻结孔深度。
2.3 冻结管配管总量的复核、下管实际深度的确认、冻结孔测斜、冻结管焊接质量与打压，在施工中都应予以重视，本文在此不再赘述。
3 冻结制冷施工过程中应注意的问题
3.1 溶化氯化钙必须搅拌均匀，可根据盐水温度确定盐水浓度，预防临时停电，防止氯化钙溶液出现析冰、析盐现象。
3.2 冷却水水源井位置在冻结法施工中至关重要，水源井位置选择不当，将直接影响到冻结效果。
因此，为避免人为加大地下水流通，影响冻结壁交圈，水源井应布置在冻结井筒在其降水漏斗影响范围以外、地下水水流的上游，距离冻结井筒300m以上，二水源井间距应大于150m。
对矿井附近500m以内的其它水源井也应派人调查登记，监测其水位变化及冻结井筒水文孔水位变化，分析二者是否有联系，以免影响井筒冻结交圈。
3.3 地沟槽施工：冻结单位在确定地沟槽施工时，应与掘砌单位协商确定地沟槽建筑结构形式，以满足后期井筒掘砌岀矸和通风的需要。
地沟槽地面应做防水处理，避免地表水流入地沟槽渗入井筒；作好流水坡度和泵窝，以便沟槽积水能够排净。
3.4 厚粘土施工：为保证井筒掘砌施工能安全通过深厚粘土层，特别是膨胀粘土层，井筒冻结单位应加强冻结运行系统管理，预防断管事故的发生，盐水温度与盐水流量必须满足井筒安全施工的需要，确保井帮温度在-3~-5℃，控制井帮位移量。
在过深厚膨胀粘土层时，冻结单位应加强冻土入荒、井帮位移量及工作面底鼓进测量。