建筑冷凍鑿井法在豎井中的應(yīng)用

1、冷凍鑿井法在田興鐵礦1#副井的研究與應(yīng)用 呂斌 孟軍良（河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司司家營(yíng)田興鐵礦）摘要：司家營(yíng)田興鐵礦1#副井井筒直徑6m，井口標(biāo)高+19.5m,深706m，外壁350mm內(nèi)壁400m,基巖段平均厚度126m。通過采用技術(shù)成熟的冷凍法鑿井技術(shù)，不破壞第四系含水層的情況下，安全有效的通過了該地層、并對(duì)基巖段風(fēng)化巖裂隙水的流動(dòng)得到了很好的控制。也為此類的地層冷凍法鑿井提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：冷凍鑿井技術(shù)；冷凍孔；交圈；The Research and Application of Freezing Shaft Sinking Method Using in

2、 Tian Xing Iron # 1 Auxiliary ShaftLvBin Ming Junliang (Mining Company of Hebei Iron and Steel Group,  Si Jiaying Tian Xing iron ore)Abstract:In the # 1 auxiliary shaft of Si Jiaying Tian XingIronOre,the shaft diameter is 6m, the

3、elevation of wellhead is+19.5m, the depth is 646m,the outer wall is 350, the inner wall is 400m, the average thickness of the rock section is 126m.Through the use of mature technology of freezing shaft sinking techniques,the strat

4、a can be get through safely and effectively,alsothe weathered rock section of bedrock fissure water flow has been also well controlled in the case of not destroy the Quaternary aquifer . Besides,this technology has provided valuable experience f

5、or such ground freezing shaft sinking.Keywords:Frozen drilling technology, Frozen hole, Cross-ring引言隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)鐵礦石資源日益緊張，可利用的鐵礦資源日益減少?，F(xiàn)已探明的鐵礦石資源得到進(jìn)一步開采，但地質(zhì)條件復(fù)雜、含水豐富的礦山在當(dāng)時(shí)現(xiàn)有的技術(shù)條件下沒有得到開采。隨著地下礦建井及鐵礦開采技術(shù)的進(jìn)步，此類礦山開采技術(shù)已日趨成熟。司家營(yíng)田興鐵礦第四系地層較厚，含水量較大，如何安全、快速的通過此種地層，是當(dāng)前加快建井速度的一項(xiàng)重要課題。

6、本研究以冀東地區(qū)所特有的地形圖地貌，特殊的地質(zhì)條件，利用特殊掘井法中的冷凍法進(jìn)行豎井的施工，在積極冷凍期及冷凍維護(hù)期縮短冷凍工期取得了良好的效果。1 工程概況司家營(yíng)田興鐵礦隸屬河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，屬黑色冶金特大型地下礦山，設(shè)計(jì)采選規(guī)模1500萬t/a，采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮钭韵露系拈_采順序采礦方法。共建豎井12條，1條斜坡道。豎井掘砌采用技術(shù)較先進(jìn)的冷凍鑿井法進(jìn)行施工。1#副井是該礦山在建豎井中的1條，直徑6m，井深706m，采用冷凍特殊鑿井法進(jìn)行施工，冷凍深度230m，地面標(biāo)高+20m，冷凍段采用雙層井壁支護(hù)。2 區(qū)域地質(zhì)概況2.1 地質(zhì)條件1#副井勘察孔布置在豎井的北面，距井筒中心1

7、3.82m，第四系平均厚126m，中上部有近60m左右的圓礫和卵礫層，126m以下為基巖段，巖石破碎，裂隙十分發(fā)育。第四系全新統(tǒng)（Q4）洪沖積成因的粉土、圓礫；中部為上更新統(tǒng)（Q3）洪沖積成因的粉土、卵石；下部為中更新統(tǒng)（Q2）洪沖積及殘積成因的中砂、圓礫、粘土、粉質(zhì)粘土；底部為太古界單塔子群白廟子組（Arb）混合花崗巖巖、偉晶巖、混合巖化黑云變粒巖、綠泥石化黑云變粒巖。巖石基本質(zhì)量等級(jí)。2.2水文條件第四系抽水孔位于1#副井南側(cè)約12m，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為S=0.71m，O=1328.14m³/d時(shí)，滲透系數(shù)K=38.7m/d，單位涌水量q=21.65L/s.m，水質(zhì)類型為HCO3+SO4

8、Ca+Mg型水。PH=8.46，礦化度0.54g/L。屬極強(qiáng)富水性含水層。第一隔水層：在埋藏深度22.033.7m，厚度11.7m，巖性為粉土，含少量礫石。該層屬同時(shí)期形成的代表性土層，將上部第四系孔隙潛水分為上下兩段，屬礦區(qū)第隔水層，但該層厚度分布不穩(wěn)定，且含有砂粒或礫石，隔水作用有限，可視為弱隔水層（段）。第二隔水層：在埋藏深度69.0-127.6m，厚度58.6m，巖性為粉質(zhì)粘土、粘土夾中-薄層中砂及圓礫（總厚度20.0m）組成；勘察孔分別在98.3126.7m、119.2127.6m層段殘積成因的粘土及粉質(zhì)粘土膠結(jié)程度較高，該層直接覆蓋于基巖之上，未發(fā)現(xiàn)天窗，是良好的隔水層。3 方案設(shè)

9、計(jì)3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)1）凍結(jié)鹽水溫度：ty=-26-28 （積極凍結(jié)期）。2）凍土長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度：根據(jù)簡(jiǎn)明建井手冊(cè)，-6時(shí)凍土瞬時(shí)極限抗壓強(qiáng)度參考值10.0MPa。取安全系數(shù)：2.5，則凍土計(jì)算強(qiáng)度：4Mpa，控制層地壓：1.0569MPa。3）凍結(jié)壁厚度計(jì)算R井筒掘進(jìn)荒半徑，m；P控制層地壓，MPa；凍土計(jì)算強(qiáng)度，MPa；E凍結(jié)壁厚度，m。計(jì)算得：=1.649m。解析計(jì)算的結(jié)果井凍結(jié)壁厚度：E= 1.7m。4）凍結(jié)孔布置圈徑的計(jì)算：D1井筒掘進(jìn)荒徑，m；E凍結(jié)壁厚度，m；H表土層底深，m；A表土段鉆孔徑向內(nèi)偏值，0.3m。計(jì)算得：，=10.52m。5）考慮放炮安全間距：D1井筒掘進(jìn)荒徑，m；L放炮安

10、全間距，m；A基巖段鉆孔徑向內(nèi)偏值，0.35m。計(jì)算得：=11.15m。經(jīng)計(jì)算的結(jié)果，確定凍結(jié)孔布置圈徑： D= 11.0m。6）水文孔、測(cè)溫孔布置設(shè)計(jì)暫定每井設(shè)計(jì)2個(gè)水文觀測(cè)孔。水文管采用133×5mm低碳鋼無縫鋼管，外管箍對(duì)焊聯(lián)接。設(shè)計(jì)布置2個(gè)測(cè)溫孔，測(cè)溫孔內(nèi)下放89×4.5mm無縫鋼管，外管箍焊接，底端封實(shí)，管內(nèi)不需灌水和試壓，但不得滲漏水7）凍結(jié)孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)表凍結(jié)孔布置參數(shù)表項(xiàng)目名稱單位1號(hào)副井備注布置圈徑m11.0凍結(jié)孔深度m137/230孔數(shù)個(gè)14/14開孔間距m1.23測(cè)溫孔m/個(gè)230/2水文孔m/個(gè)15/1，40/1凍結(jié)管mm133×5內(nèi)箍焊接連接

11、供液管mm75×6測(cè)溫管mm89×4.5外箍焊接連接水文管mm133×5外箍焊接連接鹽水干管mm219×6鉆孔工程量m56533.2 施工參數(shù) 1）施工參數(shù)布置圖2） 造孔設(shè)備的選取根據(jù)凍結(jié)鉆孔設(shè)計(jì)要求和工期安排之需，擬投入2臺(tái)套DZJ-500/1000鉆機(jī)進(jìn)行施工。該鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤扭矩大，提升能力高，是理想的凍結(jié)孔施工設(shè)備。每鉆機(jī)配套TBW850/50型泥漿泵2臺(tái)，實(shí)行1臺(tái)工作，1臺(tái)備用制度，以保證工期，防止孔內(nèi)事故發(fā)生。該型泥漿泵額定壓力高，排量大，可滿足凍結(jié)孔供漿需要。同時(shí)又是井下動(dòng)力鉆具糾偏的動(dòng)力設(shè)備。3）測(cè)斜、糾偏設(shè)備凍結(jié)鉆孔使用最先進(jìn)的JDT-5A

12、型陀螺測(cè)斜定向儀測(cè)井，配備1臺(tái)套，該儀器還用于井下動(dòng)力鉆具定向糾偏。4）鉆具選擇和組合本工程選用89×10外加厚組合系統(tǒng)。正常鉆進(jìn)組合108×108四方鉆桿+89鉆桿+177.8石油鉆鋌（約30m/4根）+190mm三牙輪鉆頭。5） 施工供配電接6KV臨時(shí)電源，選1臺(tái)SJ-1250/10/6/0.4型箱式變壓器供電。 DZJ500/1000型鉆機(jī)2臺(tái)×75KW臺(tái)150KW TBW850/50泥漿泵2臺(tái)×75KW臺(tái)150KW 電焊機(jī) 2臺(tái)×50KW臺(tái)100KW合計(jì) 400KW6）鉆場(chǎng)施工本工程質(zhì)量要求高，為保持鉆塔整體穩(wěn)定性，擴(kuò)大承載面積，設(shè)計(jì)采

13、用C20砼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，鉆場(chǎng)水平誤差不超過±5.0mm。底層采用三七灰土鋪墊壓實(shí)，高出自然地坪300mm。7）泥漿系統(tǒng)每機(jī)設(shè)置1個(gè)泥漿池，另外，再共建一個(gè)優(yōu)質(zhì)泥漿儲(chǔ)備池和一個(gè)清水池；泥漿溝長(zhǎng)度不少于50m，中間設(shè)沉淀池，安裝砂泵旋流器凈化泥漿。8）泥漿性能參數(shù)以清水、膨潤(rùn)土、純堿、聚丙烯晴和聚丙烯酰胺為原料，根據(jù)地層不同，調(diào)配不同性能的化學(xué)泥漿以充分發(fā)揮其作用，保護(hù)好孔壁，泥漿性能參數(shù)見表2-4。表3-8 泥漿性能參數(shù)表地層名稱粘度（S）比重（g/cm2）含砂量（）失水量（ml/30min）表土20221.10210風(fēng)化帶20241.152810基巖24281.15215使用井下動(dòng)力鉆具

14、糾偏時(shí)19）制冷站的選取井筒凍結(jié)需冷量計(jì)算d凍結(jié)管直徑，m；n凍結(jié)管數(shù)目，個(gè)；H凍結(jié)深度，m；q凍結(jié)管吸熱效率，取280Kcal/m2·h。Q2主=68.8×104Kcal/h、Q3主=55.7×104Kcal/h、Q1副=69.8×104Kcal/h。裝機(jī)容量及設(shè)備選擇 采用兩組低壓與高壓相組合的制冷機(jī)，每組高低壓冷凍機(jī)配有獨(dú)立的蒸發(fā)器、中間冷卻器、冷凝器、高壓貯液桶、鹽水泵、清水泵及電焊機(jī)。具體設(shè)備型號(hào)：序號(hào)設(shè)備名稱型號(hào)規(guī)格1低壓冷凍機(jī)HJLG25TA2502高壓冷凍機(jī)HLG20DA1853裝機(jī)工況制冷量4附屬設(shè)備蒸發(fā)器LZ-160中間冷卻器ZL-8

15、.0冷凝器EXV-340高壓貯液桶ZA-3.0鹽水泵IS200-150-315(55kw)清水泵IS200-150-315(55kw)電焊機(jī)BX-500箱式變電站SJ-1250/10/6/0.44 冷凍法施工過程及效果4.1 冷凍孔施工技術(shù)規(guī)范及要求1）1#副井在施工冷凍孔開孔前，每臺(tái)鉆機(jī)要制備不低于3立方米的優(yōu)質(zhì)泥漿備用，保證正常開孔鉆進(jìn)；要對(duì)鉆機(jī)認(rèn)真找正，使轉(zhuǎn)盤中心、鉆孔中心和鉆塔提升中心重合，鉆機(jī)底盤和基礎(chǔ)間隙要墊實(shí)，確保開孔垂直度。開孔時(shí)，先開泵送漿、吊緊鉆具，劃眼采用低檔慢進(jìn)尺。2）配置1套泥漿測(cè)定儀，定時(shí)檢測(cè)泥漿參數(shù)。針對(duì)粘土層和風(fēng)化泥巖層，嚴(yán)格控制泥漿失水量1012ml/30mi

16、n，防止鉆孔縮徑。定向糾偏時(shí)，控制泥漿含砂量1，延長(zhǎng)螺桿鉆具使用壽命。3）操作力求均壓勻速鉆進(jìn)，并根據(jù)地層情況合理掌握鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量；砂層中轉(zhuǎn)速快給進(jìn)；粘土層中轉(zhuǎn)速慢給進(jìn)、防止快進(jìn)時(shí)泥抱鉆頭；基巖層高鉆壓低轉(zhuǎn)速、控制孔底鉆壓為鉆鋌在泥漿中總重量的7580，選用球齒或鑲齒三牙輪鉆頭時(shí)嚴(yán)禁四檔鉆進(jìn)，易用2檔鉆進(jìn)，儲(chǔ)備一定的好泥漿以備基巖段鉆進(jìn)用。4） 現(xiàn)場(chǎng)制定嚴(yán)格的冷凍孔驗(yàn)收機(jī)制，保證每成一個(gè)孔，必須達(dá)到合格，保證每個(gè)孔的偏斜度及試壓后的參數(shù)都已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。冷凍孔施工過程1#副井冷凍孔于2009年4月28日開始打鉆，歷時(shí)114天完成冷凍孔的施工，共打鉆7075m，通過對(duì)測(cè)斜數(shù)據(jù)的研究，40個(gè)冷

17、凍孔均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求（原設(shè)計(jì)冷凍深度為167m，前期施工至5個(gè)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，設(shè)計(jì)院變更冷凍孔深度延深至230m，前期施工的5個(gè)孔不作廢，作為輔助孔進(jìn)行積極冷凍。根據(jù)地下水的流向及下步偏斜資料的分析認(rèn)為井筒的北側(cè)及西側(cè)下部背部偏斜窗口較大，布置3個(gè)加強(qiáng)孔，加強(qiáng)冷凍）。4.2積極冷凍冷凍孔完成后開始施工冷凍溝槽，安裝冷凍設(shè)備，調(diào)試完成后2009年9月14日開始積極冷凍，積極冷凍過程中及時(shí)檢測(cè)冷凍站的氨系統(tǒng)、鹽水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)這三大循環(huán)系統(tǒng)中的溫度，每824小時(shí)監(jiān)測(cè)一次鹽水溫度，確保安全有效的積極冷凍。積極冷凍45天后鹽水溫度為去路-32，回路為-30.3，根據(jù)兩個(gè)測(cè)溫孔的數(shù)據(jù)及凍土擴(kuò)張

18、的情況分析，126m處第四系與基巖段交接處的的溫度已達(dá)到-4，通過計(jì)算，此處的溫度已維持零下12天以上，通過對(duì)水文孔的觀察，水文孔內(nèi)的水位開始逐步有規(guī)律的上升，在2009年10月29日水文孔內(nèi)有水溢出，初步判斷凍結(jié)壁已初步正常交圈。4.3冷凍段井筒掘砌本次冷凍法掘砌采用兩步法：先掘砌外壁，到達(dá)223米后進(jìn)行二次套壁。井筒進(jìn)入試掘后，采用先掘井中心，達(dá)到一定深度后，再采用小型挖掘機(jī)進(jìn)行擴(kuò)幫的方法進(jìn)行掘砌，掘進(jìn)到模板高度后，根據(jù)開挖情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)荒斷面暴露時(shí)的溫度，以觀察井幫及凍土進(jìn)入荒徑發(fā)展情況。通過驗(yàn)證，此施工方法高效的通過了此地層的第四系，于2010年5月7日掘砌到冷凍段底部，開始進(jìn)行套內(nèi)壁工作，2010年7月16日完成227m的套內(nèi)壁工作，在掘砌過程中均未出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，保證了高效的施工進(jìn)度，也為凍結(jié)壁解凍節(jié)省了大量時(shí)間，縮短了整個(gè)凍結(jié)工期。5 結(jié)論5.1對(duì)于在含水層多且厚