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[摘 要]为保证建井顺利通过含水量较大的冲积层段，通常采用冻结法。北阳庄矿井风井井筒冻结采用单圈插花布置冻结孔、低温大流量快速冻结方案，并采用可视监测、监控信息化施工技术，创造了蔚州矿区第一个优质冻结井。
[关键词]单圈插花冻结孔、低温大流量、可视监测监控、优质
中图分类号：TF549+.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0370-01
北阳庄矿井风井采用冻结法施工，根据《风井井检孔柱状图》井田内覆盖有较厚的第四系：古生界寒武系上统与奥陶系下统；中生界侏罗系中下统下花园组；中统髫髻山组及后城组；新生界第四系下更新统泥河湾组、上更新统马兰组及全新统。其中新生界第四系构造复杂，地层变化较大，主要由粘土、亚粘土组成，夹砂、砂砾石及卵石。该地层地下水流速不大、地温正常、含水丰富。地层浅部有一2.2m厚的砂层，表土层含砾多，砾石层厚度累计达22.62m。在上述松散地层中，随深度增大固结程度增高。粘土质砂成份仍以粘土为主，砂质含量较低，具有较强的吸水膨胀性。
一、冻结设计技术成果
根据所提供地质情况，认真研究、吸取蔚县地区冻结井未成功的教训，结合国内外最先进的科研成果和冻结施工经验，本设计采取单圈插花布置冻结孔、低温大流量快速冻结方案，其要点如下：
由于本地区地下水流速小、地温变化正常且温度偏低，采用单圈插花布置冻结孔可以有效的提高冻结壁交圈速度和保证一定的冻结壁强度。在保证快速交圈的情况下，还能保证整个冻结段的施工安全。同时，本方案采取低温大流量的盐水方案也进一步加强了快速冻结设计思想，为施工成功做了最充分的准备。具体设计成果如下：
（1）单圈插花布置冻结孔：在有效缩短冻结壁交圈时间的同时可以保证冻结壁的厚度，使快速施工与安全生产完美结合。
（2）低温盐水。盐水温度取-30℃，比普通浅冻结井（盐水温度一般高于-25℃）降低15%，据研究冻结壁扩展速度能提高约9%。
（3）单孔盐水流量取10m3/h，比普通浅冻结井提高20%，这样可进一步加快冻结速度。
（4）具体参数：风井井筒设计直径6米，冲击层厚度175米，井深465米，冻结深度202米，长腿圈径11米，短腿圈径10.6米，各15个。水文孔一个，测温孔两个。
（5）运用动态冻结设计方法，通过合理设计和在施工过程中调整冻结施工参数，使冻结壁形成与掘进施工相协调，在确保施工安全的前提下为快速掘进创造条件。
二、创新技术
1、可视监测、监控信息化施工技术
安装北京天地科技公司开发的一套总线可视监测、监控系统可实时监测冻结制冷系统运转参数、盐水流量、盐水温度和測温孔温度，发现不利工况可及时报警、调控，并可实现冻结系统运转和冻结壁形成的可视化和监测数据的远程通讯，便于有关方面及时、准确、直观地获取工程施工信息， 以加强监督管理。此外，在冻结壁交圈过程中，对水文孔水位、水温、冒水量变化进行全面监测，在开挖过程中，对冻结壁井帮温度和井帮位移进行监测，并采用信息化施工技术，通过对监测数据的分析、反馈，指导施工。从而，提高施工的安全性和可靠性。
2、采用天地科技公司提出的冻结孔靶域钻进指标体系，运用先进的冻结孔测斜、纠偏技术，严格控制冻结孔偏斜，尤其是控制向钻孔井心的偏斜和最大成孔间距，以保证冻结壁的形成质量。
3、安装盐水箱水位监测报警装置，发现盐水漏失等不正常情况，及时报警并处理。
三、实施内容
1、造孔及测斜：冻结造孔施工使用TSJ-1000/2000型钻机各一台，配备BW-850/50型泥浆泵各2台。冲积层采用三翼刮刀钻头钻进，基岩用三牙轮钻头钻进。采取了螺杆定向纠偏措施，来准确预报并控制冻结管的偏斜，按照钻机开钻前保证三心（钻盘中心、钻孔木桩十字中心、钻机提升系统中心）对正，少打勤测，及时纠偏，终孔全程偏斜复测，测斜设备采用CXY-5型陀螺测斜仪。
2、冻结管下放：为保证冻结管达到设计下放深度的要求，钻孔施工中每孔均比设计孔深多打0.5m，用以消除孔内岩粉沉淀对冻结管下放深度的影响。下放连接冻结管时准确记录冻结管的配管长度，保证每根冻结管达到设计孔深要求，每根管下放结束后立即进行打压试漏试验，压力控制为4.0MPa，压力稳定半小时。在所有冻结孔施工完成后，对所有冻结孔进行了复压试验，复压压力4.0MPa，稳压30分钟。
3、冻结站设备安装与监测：装备4台LG120CAB280氨螺杆压缩机组及辅助设备，总装机制冷量为96.8万大卡/h，冻结最大需冷量为69.36万大卡/h。冻结站运转后，采用冻结施工参数实时监测系统，实时自动监测盐水流量、温度，盐水箱内水位、测温孔温度等各项参数。
4、取芯及封孔：施工水文孔时主要对井检孔提供的含水层位进行取芯进一步证实含水层位置。对水文孔下放到各含水层位置上下进行了封孔，阻止不同含水层产生水力联系，避免对凿井施工产生负作用。
5、凿井施工开始后，对冻结壁井帮温度和井帮位移进行监测，并采用信息化施工技术，通过对监测数据的分析、反馈，适时调整冻结施工参数。从而提高施工的安全性和可靠性。
四、良好效果
北阳庄矿井风井冻结采用上述方法，优选合理冻结设计方案，施工水文孔时进行了取芯，对井检孔资料起到了补充作用，准确的判断了含水层位置，对水文孔封孔起到了指导作用。严格控制打钻质量，保证冻结管安全下放，开机运行盐水流量充足，监测到位。通过实际凿井冻结壁形成情况，适时减机进行维护冻结。风井冻结工程2011年11月5日开工，12月27日开机，2012年2月7日仅用42天交圈，2月12日正式凿井进入维护冻结，至2012年5月25日井筒套内壁完成，冻结工程结束。凿井期间冻结壁形成情况良好，井筒无任何出水现象，冻土掘进平均不超过30cm，冻结工程质量优良，创造了蔚州矿区第一个优质冻结井。
冻结工程质量的优劣，直接影响井筒的施工，好的冻结工程所产生的经济效益和社会效益非常显著。北阳庄风井冻结的成功，开挖后即把机组由三台减至一台，后期保持半开半停状态，采用先进制冷技术，每小时节水20 m3，单纯从电耗和水耗计算看，共计节约25.56万元。
与同类冻结井筒相比，工期节约30天，可节约建设投资贷款利息152万元。
冻结的成功保证了风井冲积层段优质快速施工，为风井早日到底、为北阳庄矿井早日建成投产奠定了坚实的基础，经济效益和社会效益十分显著。
[关键词]单圈插花冻结孔、低温大流量、可视监测监控、优质
中图分类号：TF549+.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0370-01
北阳庄矿井风井采用冻结法施工，根据《风井井检孔柱状图》井田内覆盖有较厚的第四系：古生界寒武系上统与奥陶系下统；中生界侏罗系中下统下花园组；中统髫髻山组及后城组；新生界第四系下更新统泥河湾组、上更新统马兰组及全新统。其中新生界第四系构造复杂，地层变化较大，主要由粘土、亚粘土组成，夹砂、砂砾石及卵石。该地层地下水流速不大、地温正常、含水丰富。地层浅部有一2.2m厚的砂层，表土层含砾多，砾石层厚度累计达22.62m。在上述松散地层中，随深度增大固结程度增高。粘土质砂成份仍以粘土为主，砂质含量较低，具有较强的吸水膨胀性。
一、冻结设计技术成果
根据所提供地质情况，认真研究、吸取蔚县地区冻结井未成功的教训，结合国内外最先进的科研成果和冻结施工经验，本设计采取单圈插花布置冻结孔、低温大流量快速冻结方案，其要点如下：
由于本地区地下水流速小、地温变化正常且温度偏低，采用单圈插花布置冻结孔可以有效的提高冻结壁交圈速度和保证一定的冻结壁强度。在保证快速交圈的情况下，还能保证整个冻结段的施工安全。同时，本方案采取低温大流量的盐水方案也进一步加强了快速冻结设计思想，为施工成功做了最充分的准备。具体设计成果如下：
（1）单圈插花布置冻结孔：在有效缩短冻结壁交圈时间的同时可以保证冻结壁的厚度，使快速施工与安全生产完美结合。
（2）低温盐水。盐水温度取-30℃，比普通浅冻结井（盐水温度一般高于-25℃）降低15%，据研究冻结壁扩展速度能提高约9%。
（3）单孔盐水流量取10m3/h，比普通浅冻结井提高20%，这样可进一步加快冻结速度。
（4）具体参数：风井井筒设计直径6米，冲击层厚度175米，井深465米，冻结深度202米，长腿圈径11米，短腿圈径10.6米，各15个。水文孔一个，测温孔两个。
（5）运用动态冻结设计方法，通过合理设计和在施工过程中调整冻结施工参数，使冻结壁形成与掘进施工相协调，在确保施工安全的前提下为快速掘进创造条件。
二、创新技术
1、可视监测、监控信息化施工技术
安装北京天地科技公司开发的一套总线可视监测、监控系统可实时监测冻结制冷系统运转参数、盐水流量、盐水温度和測温孔温度，发现不利工况可及时报警、调控，并可实现冻结系统运转和冻结壁形成的可视化和监测数据的远程通讯，便于有关方面及时、准确、直观地获取工程施工信息， 以加强监督管理。此外，在冻结壁交圈过程中，对水文孔水位、水温、冒水量变化进行全面监测，在开挖过程中，对冻结壁井帮温度和井帮位移进行监测，并采用信息化施工技术，通过对监测数据的分析、反馈，指导施工。从而，提高施工的安全性和可靠性。
2、采用天地科技公司提出的冻结孔靶域钻进指标体系，运用先进的冻结孔测斜、纠偏技术，严格控制冻结孔偏斜，尤其是控制向钻孔井心的偏斜和最大成孔间距，以保证冻结壁的形成质量。
3、安装盐水箱水位监测报警装置，发现盐水漏失等不正常情况，及时报警并处理。
三、实施内容
1、造孔及测斜：冻结造孔施工使用TSJ-1000/2000型钻机各一台，配备BW-850/50型泥浆泵各2台。冲积层采用三翼刮刀钻头钻进，基岩用三牙轮钻头钻进。采取了螺杆定向纠偏措施，来准确预报并控制冻结管的偏斜，按照钻机开钻前保证三心（钻盘中心、钻孔木桩十字中心、钻机提升系统中心）对正，少打勤测，及时纠偏，终孔全程偏斜复测，测斜设备采用CXY-5型陀螺测斜仪。
2、冻结管下放：为保证冻结管达到设计下放深度的要求，钻孔施工中每孔均比设计孔深多打0.5m，用以消除孔内岩粉沉淀对冻结管下放深度的影响。下放连接冻结管时准确记录冻结管的配管长度，保证每根冻结管达到设计孔深要求，每根管下放结束后立即进行打压试漏试验，压力控制为4.0MPa，压力稳定半小时。在所有冻结孔施工完成后，对所有冻结孔进行了复压试验，复压压力4.0MPa，稳压30分钟。
3、冻结站设备安装与监测：装备4台LG120CAB280氨螺杆压缩机组及辅助设备，总装机制冷量为96.8万大卡/h，冻结最大需冷量为69.36万大卡/h。冻结站运转后，采用冻结施工参数实时监测系统，实时自动监测盐水流量、温度，盐水箱内水位、测温孔温度等各项参数。
4、取芯及封孔：施工水文孔时主要对井检孔提供的含水层位进行取芯进一步证实含水层位置。对水文孔下放到各含水层位置上下进行了封孔，阻止不同含水层产生水力联系，避免对凿井施工产生负作用。
5、凿井施工开始后，对冻结壁井帮温度和井帮位移进行监测，并采用信息化施工技术，通过对监测数据的分析、反馈，适时调整冻结施工参数。从而提高施工的安全性和可靠性。
四、良好效果
北阳庄矿井风井冻结采用上述方法，优选合理冻结设计方案，施工水文孔时进行了取芯，对井检孔资料起到了补充作用，准确的判断了含水层位置，对水文孔封孔起到了指导作用。严格控制打钻质量，保证冻结管安全下放，开机运行盐水流量充足，监测到位。通过实际凿井冻结壁形成情况，适时减机进行维护冻结。风井冻结工程2011年11月5日开工，12月27日开机，2012年2月7日仅用42天交圈，2月12日正式凿井进入维护冻结，至2012年5月25日井筒套内壁完成，冻结工程结束。凿井期间冻结壁形成情况良好，井筒无任何出水现象，冻土掘进平均不超过30cm，冻结工程质量优良，创造了蔚州矿区第一个优质冻结井。
冻结工程质量的优劣，直接影响井筒的施工，好的冻结工程所产生的经济效益和社会效益非常显著。北阳庄风井冻结的成功，开挖后即把机组由三台减至一台，后期保持半开半停状态，采用先进制冷技术，每小时节水20 m3，单纯从电耗和水耗计算看，共计节约25.56万元。
与同类冻结井筒相比，工期节约30天，可节约建设投资贷款利息152万元。
冻结的成功保证了风井冲积层段优质快速施工，为风井早日到底、为北阳庄矿井早日建成投产奠定了坚实的基础，经济效益和社会效益十分显著。