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【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。

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。

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。

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。

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。

冻结法井筒掘进的施工问题分析及对策研究作者：冯卫军来源：《科技创新导报》2011年第22期摘要:冻结法因其具有的支护结构灵活、适应性强、可控性高、隔水性好等优点,广泛应用于不稳定表土层的井筒施工中,但随着掘进技术的不断发展和作业深度的不断增加冻结法施工的一些技术缺陷也逐渐暴露出来,给提高井筒建设质量带来了不少困难,必须应引起建设者们的高度重视。

本文分析了当前冻结法施工中较为常见问题,并针对其产生原因,提出相应的防治措施。

关键词:井筒施工冻结法施工问题对策中图分类号:TD265 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)08(a)-0072-011 冻结法在井筒掘进中的应用岩土工程冻结法通常是以氨为制冷工质,通过其气化过程吸收热量的物理现象实现冻结井筒周围含水松散、不稳定的冲积层及基岩含水层的目的,以形成达到工程安全标准的冻结壁,并在其临时保护作用下进行掘砌作业的施工方法,其关键工艺分为冻结孔设计及处理、冻结过程和掘砌作业等部分。

其中冻结过程的制冷系统由冷却水循环、氨循环以及盐水循环等三个系统构成,井筒开挖前首先在其周围钻若干冻结孔并在孔内安装冻结器。

使低温盐水在冻结器中流动,吸收其周围地层的热量,形成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。

并在冻结壁的保护下进行掘砌作业,待掘砌到预计的深度后,停止冻结,进行拔管和充填工作。

由于冻结法具有支护结构灵活、适应性强、可控性高、隔水性好等优点,因此广泛应用于不稳定表土层的井筒施工中,但随着掘进技术的不断发展和作业深度的不断增加,地下空间的不确定性也使该方法的技术缺陷逐渐暴露了出来。

技术人员和管理应在施工前对冻结法应用中可能产生的问题给予充分的重视,全面分析这些问题产生的原因及危害,并制定相应的预防和处理措施,保证施工的安全性与作业效率。

2 常见施工问题及原因分析冻结法作业中较常见的施工问题主要包括冻结壁变形、破裂,冻结管断裂,井壁接茬缝滴渗水以及工作面底鼓等现象。

浅谈冻结法与钻井法凿井论文导读：冻结法与钻井法凿井介绍立井井筒工程是矿井建设的关键工程。

在不稳定表土层中施工立井井筒，用普通的施工方法是不可以通过其表土层的，必须采用特殊的施工方法，如冻结法、钻井法、沉井法、注浆法、和帷幕法等。

我国目前主要以冻结法和钻井法为主。

2主要施工设备工作原理分析2.1冻结法人工制冷设备冻结法凿井分为钻冻结孔、形成冻结壁和井筒掘砌三大工序。

关键词：立井井筒，冻结法，钻井法，制冷设备，钻进设备1.冻结法与钻井法凿井介绍立井井筒工程是矿井建设的关键工程。

我国立井井筒的主要特点是井筒深度大、断面积大、表土层厚、水文地质条件复杂，导致其施工难度大、施工技术复杂、施工周期长。

立井井筒表土段施工方法是由表土层的地质及水文条件决定的。

立井井筒穿过的表土层，按其掘砌施工的难易程度分为稳定表土层和不稳定表土层。

在不稳定表土层中施工立井井筒，用普通的施工方法是不可以通过其表土层的，必须采用特殊的施工方法，如冻结法、钻井法、沉井法、注浆法、和帷幕法等。

我国目前主要以冻结法和钻井法为主。

冻结法凿井就是在井筒掘进之前，在井筒周围钻冻结孔，用人工制冷的方法将井筒周围的不稳定表土层和风化岩层冻结成一个封闭的冻结圈。

以防止水或流砂涌入井筒抵抗地压，然后在冻结圈的保护下掘砌井筒。

待掘砌到预计的深度后，停止冻结，进行拔管和充填工作。

钻井法是用钻头刀具破碎岩石，用洗井液进行洗井排渣和护壁，直到将井筒钻到设计直径和深度后，进行支护的机械化凿井方法。

2主要施工设备工作原理分析2.1冻结法人工制冷设备冻结法凿井分为钻冻结孔、形成冻结壁和井筒掘砌三大工序。

首先在未开凿的井筒周围打一定数量的冻结孔，其深度穿过不稳定岩层进入稳定岩层，在孔内安装冻结器。

形成冻结壁是冻结法凿井的中心环节，是岩层冷冻的结果。

人工制冷是通过冻结站的氨循环系统、盐水循环系统、和冷却水循环系统来实现的。

通常使用氨作为制冷剂。

利用氨由液态变为气态吸热的原理达到制冷。