复杂地质条件下超深冻结立井井筒快速施工关键技术研究_田伟.pdf

1492023 年第 2 期田 伟等：复杂地质条件下超深冻结立井井筒快速施工关键技术研究田 伟等：复杂地质条件下超深冻结立井井筒快速施工关键技术研究收稿日期 2022-06-27作者简介 田伟（1980），男，山东济南人，2017 年毕业于山东科技大学采矿工程专业，大专本科函授，工程师，现从事矿井建设管理技术工作，主要研究方向：矿井建设及煤矿巷道掘进技术。田 伟等：复杂地质条件下超深冻结立井井筒快速施工关键技术研究田 伟等：复杂地质条件下超深冻结立井井筒快速施工关键技术研究复杂地质条件下超深冻结立井井筒快速施工关键技术研究田 伟 毕 博 甄逢俊（山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918）摘 要 针对深大立井井筒断面大、粘土层深厚、地质条件不稳定等问题，以山能集团新巨龙公司东副立井井筒施工为研究对象，采用冻结法施工，通过井筒冻结设计、监测，井筒机械化配置及工艺研究，井筒信息化施工技术，高标号混凝土管控技术等措施，大大加速了冻结表土段掘砌施工。关键词 超深；冻结法；立井井筒；快速施工中图分类号 TD265.3+4 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.053Research on Key Technology of Rapid Construction of Ultra-deep Frozen Shaft Under Complex Geological ConditionsTian Wei Bi Bo Zhen Fengjun(Shandong Xinjulong Energy Co.,Ltd.,Shandong Heze 274918)Abstract:In view of the problems of large cross section,deep clay layer and unstable geological conditions of deep and large vertical shaft,taking the shaft construction of east auxiliary shaft of Xinjulong Company of Shandong Energy Group as the research object,the freezing method is adopted,through shaft freezing design and monitoring,shaft mechanization configuration and technology research,shaft information construction technology,high-grade concrete control technology and other measures,greatly accelerate the excavation and construction of frozen topsoil section.Key words:ultra-deep;freezing method;shaft;rapid construction新巨龙东副立井冻结深度 958 m，为目前国内最深的冻结井，表土厚度631 m。立井井筒的特点是：井筒深度大，断面积大，表土层厚，水文地质条件复杂，施工难度大，工期长，施工技术复杂。因此，提高施工机械化装备水平，采用先进的施工技术，是加快凿井速度、缩短凿井时间的有效措施。1 工程概况山东新巨龙能源有限责任公司东副立井井口标高+44.8 m，井筒净直径为 7.0 m，净断面积 38.5 m2。井筒全深1 041.8 m（井口至车场水平1 011.8 m，水平以下深度 30 m），冻结深度 958 m，为全国冻结深度最深的井筒。井筒表土层厚度 631 m，主要为粘土、砂质粘土、粉砂粘土层，基岩段主要以砂岩、泥岩为主，为深厚冲积层冻结立井施工。2 创新性研究成果2.1 井筒冻结设计及施工、监测2.1.1 深厚粘土层冻结采用多圈孔强化冻结方案：（1）多圈插花冻结孔布置技术；（2）分圈分期控制冻结技术；（3）分圈异径冻结技术；（4）全过程信息化施工检测控制技术。2.1.2 地下水流速采用多圈孔强化冻结措施，增大地层供冷量，抵抗地下水流速较大带来的不利影响。2.1.3 基岩断层、破碎带地层冻结针对该井筒 720900 m 段断层破碎带，首先考虑在钻孔施工过程中采取冻结孔灌浆工艺，对该段进行水泥浆裂隙充填，其次采用双排孔冻结，增加1502023 年第 2 期该段地层的冻结壁厚度与强度。2.1.4 基岩高温地层冻结采取双排孔冻结，一方面强化了基岩高温地层的冻结，另一方面两排冻结管冻结基岩，即使发生内圈管断管现象，仍有一排管冻结保证下部井筒安全。2.1.5 冻结壁及钻孔设计东副井井筒冻结工程设计各类冻结孔 142 个，其中防孔 15 个，孔深 320 m；内圈孔 19/19 个，孔深 636 m/648 m；中圈孔 36 个，孔深 958 m；外圈孔 47 个，孔深 636 m；测温孔 4 个，孔深 641 m/958 m/636 m（2 个）；水文孔 2 个，孔深为 149 m/246 m，钻孔总工程量为 96 842 m。设计冻结壁（控制层）厚 11.9 m，基岩冻结壁厚 8 m。井筒最大需冷量 5383 万 kJ/h，冻结站配备28 套冷冻机组，总装标准制冷能力 20 276 万 kJ/h。设计积极冻结盐水温度-32 左右，维护冻结盐水温度控制在-24-26，设计冻结壁温度（控制层602 m）-20。冻结壁厚度计算确定结果见表1。表 1 冻结壁厚度计算确定结果地层层位/mh/m冻结壁平均温度t0/冻土单轴抗压强度/MPa计算公式计算冻结壁厚度确定冻结壁厚度粘土143.573.2-83.101.8维亚洛夫 E=1.732K1Ph/3.896.0里别尔曼 E=HhK1/4.15强度公式E=1.732（1-）kPh/4.05经验公式 E=0.04aH0.613.77粘土206.973.2-103.131.8维亚洛夫 E=1.732K1Ph/4.727.0里别尔曼 E=HhK1/5.43强度公式E=1.732（1-）kPh/5.78经验公式 E=0.04aH0.615.23砂质粘土302.203.2-122.701.9维亚洛夫 E=1.732K1Ph/7.589.0里别尔曼 E=HhK1/8.71强度公式E=1.732（1-）kPh/8.56经验公式 E=0.04aH0.616.59粘土497.672.5-153.961.8维亚洛夫 E=1.732K1Ph/7.8410.5里别尔曼 E=HhK1/8.80强度公式E=1.732（1-）kPh/8.58经验公式 E=0.04aH0.6110.42粘土602.612.5-203.431.8维亚洛夫 E=1.732K1Ph/10.9611.9里别尔曼 E=HhK1/11.27强度公式E=1.732（1-）kPh/11.54经验公式 E=0.04aH0.6111.712.1.6 冻结情况监测冻结单位与掘砌单位密切配合，既确保井筒安全顺利施工，为井筒掘砌创造有利条件，少挖冻土，又减少开机时间，节约电能。2.2 井筒机械化配置及工艺研究井筒掘砌施工采用综合机械化配套的立井短段1512023 年第 2 期田 伟等：复杂地质条件下超深冻结立井井筒快速施工关键技术研究田 伟等：复杂地质条件下超深冻结立井井筒快速施工关键技术研究掘砌混合作业方式。正常情况下掘砌段高 4.0 m，根据实际揭露地层情况掘砌段高可降为 3.0 m、2.5 m、1.5 m。施 工 中 采 用 CX75 型 挖 掘 机 挖 土、刷 帮，配合 HZ-6 型中心回转抓岩机抓岩、清底；采用XFJD8.12 型 8 臂伞钻凿岩；采用两套独立的单钩提升系统进行提升，主、副提均为 JK-43/18 型提升机，配 7/5 m3矸石吊桶；井口侧设集中搅拌站，站内配 2 台带自动计量装置的 JS1000 型搅拌机，4 m3型底卸式吊桶运送混凝土。2.3 井筒深厚表土施工关键技术研究2.3.1 试挖段施工试挖段前期采用短段掘砌施工，掘砌段高控制在 1.2 m，砌壁时采用 9.4 m 金属装配式模板。待进入粘土层 10 m 后采用整体液压模板，掘砌段高 2 m，主要以人工配合一台CX-75小型挖掘机装土出渣。试挖段施工采用吊盘的下层盘做为临时封口盘使用。2.3.2 表土段外壁施工试挖段 25 m 施工完成后下放吊盘、吊挂管线、安装锁口盘，待一次装备完成后，进行井筒的正式掘砌施工。正式施工后，采用整体金属模板，整体金属模板全高 3.0 m。井筒冻结表土段外壁段施工采用一台 CX-75 型挖掘机配合人工风镐进行挖掘，并利用一台HZ-6型中心回转抓岩机进行井筒装土工作。2.3.3 冻结表土爆破施工技术当井筒掘进至井深-600 m 时，井帮温度平均为-9，井帮变形极少。该段地层主要以砂质粘土、粉砂、粘土为主，粘土层里面含有粒径 16 mm 不等的砾石，粉砂中可见钙质粘土和不规则石膏晶体，砂质粘土中含黑褐色铁锰结核。该段地层经冻结后强度很高，采用 CX-75 挖掘机和 D-46 型强力风镐挖掘难度较大，掘进段高 3 m，循环时间增加至 58 h。为确保安全，减轻工人劳动强度，加快掘进速度，决定采用钻爆法掘进。2.3.4 冻结管分析为保证爆破掘进安全顺利进行，详细分析了爆破作业区冻结管的偏斜情况。经计算井帮距冻结管5200 mm，满足煤矿安全规程安全距离要求。2.3.5 设备选型及改进伞形钻架采用 XFJD-8.12 型，钻具采用 MQT-130 型锚杆钻机。将锚杆钻机用螺栓固定在钢板衬座上，并用 16 mm 圆钢制作 U 型卡子加以固定，防止锚杆钻机在运转期间因转动造成脱落。衬座用螺栓固定伞形钻架动臂上，利用伞形钻架动臂推进器扩展进行钻眼。2.4 井筒信息化施工技术2.4.1 表土段冻结效果信息化施工技术冻结运转期间，采用信息化施工监测手段，实现了盐水温度、测温孔温度自动采集和整理，定期开展冻结分析，准确掌握了表土段各地层冻土发展规律和冻结壁的形成情况。冻土扩展速度是确定冻结壁厚度的关键参数，对了解掌握冻结壁的发展性状、冻结管交圈时间，推测施工时的井帮温度，指导冻结法安全施工等都具有十分重要的意义。各测温孔计算获得的不同深度冻土发展速度如图 1 图 4 所示。图 1 C1 中圈孔向外冻土发展速度图 2 C2 内圈孔向内冻土发展速度图 3 C3 外圈孔向外冻土发展速度图 4 C4 外圈孔向外冻土发展速度1522023 年第 2 期分析上述测温孔计算的冻土发展速度，群孔冻结条件下，如测 1 布置在外圈孔和中圈孔之间，测2 布置在内圈孔和防孔之间，冻土发展速度 1620 mm/d，冻土发展速度正常；但测 3、测 4 显示的外圈孔向外冻土发展速度则较为缓慢，特别是在350500 m 段中冻土向外发展速度仅 810 mm。这一方面验证了本工程中新近系膨胀性粘土地层冻结施工难度大，也说明了采取多圈孔冻结方案的科学性。2.4.2 表土段外壁施工信息化监测在东副立井外壁实施过程中，在 160665 m 段埋设了 9 层传感器，开展了冻结壁和外层井壁的温度、混凝土应变、钢筋应力、冻结压力等监测，进行了预测预报，获取了全面、充分、真实的井壁受力、变形等监测信息，为东副井井筒安全、高质量施工提供了重要的决策依据。2.5 高标号混凝土管控技术2.5.1 原材料选择中国矿业大学与建设单位在井筒投标前对井筒施工期间所需用的原材进行了试配，出具了研究报告。材料进场后必须经建设、监理、施工单位三家共同验收合格后方可卸车，再经实验室检测合格后方可用于工程实体。C60 及以上混凝土采用邹平地区的玄武岩、沂南的中粗砂进行施工，确保了井筒施工质量。2.5.2 施工过程控制严格执行验收制度，井壁开挖、钢筋绑扎、模板组校、混凝土搅拌等每一道工序经自检合格后报建设