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摘要：冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中，已有多年的历史，主要用于煤矿井筒开挖施工。本文主要对冻结施工过程中容易出现问题的施工工艺予以说明，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：煤矿；井筒冻结；施工技术
Abstract: The construction technology of freezing method in the world is widely used in city construction and the construction of coal mines, has many years of history, mainly used in the mine shaft excavation. This paper mainly explains the construction process prone to freeze construction process, in order to strengthen the management of the frozen shaft construction details, improve the quality of shaft freezing construction.
Key words: coal mine； shaft freezing; construction technology
中圖分类号：TU74
前言：作为一种成熟的施工方法，冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中，已有100多年的历史，我国采用冻结法施工技术至今也已有40多年的历史，主要用于煤矿井筒开挖施工，其中冻结最大深度达435m，冻结表土层最大厚度达375m。本文主要分析了煤矿立井冻结法的工艺流程及施工中应注意的问题，以供同行参考。
1.冻结法凿井原理
冻结法起源于天然冻结，随着人工制冷技术的发展和应用，出现了人工冻结。冻结法在矿井建设中多用于立井的开凿，井筒直径大小和深度基本不受限制。通常，当存在不稳定地层或含水极丰富的裂隙岩层，地下水含盐量不大，且地下水流速较小时（常规地下水流速小于10m/d），均可使用冻结法。冻结法凿井就是在不稳定含水地层中进行施工时，利用人工设置的冻结管，在冻结管内循环冷媒剂，将井筒周围岩层的热量带走，冻结形成封闭的圆筒——冻结壁，抵抗地压、承受水压力和隔断地下水，在冻结壁的保护下进行开挖地层和砌筑井壁的一种特殊施工方法。冻结法凿井在煤矿特凿法建井中具有明显的优势，既能用于不稳定的含水层,又可用于基岩含水层，既可应用于立井，又可应用于斜井及风道口工程，适应性强，安全可靠。
2.冻结法施工技术特点
经过多年来国内外施工的实践经验证明冻结法施工有以下特点：
2.1 可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，对于含水量大于10%的任何含水、松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术；
2.2 冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达5-10Mpa，能有效提高工效；
2.3 冻结法是一种环保型工法，对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构；
2.4 冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。
3.冻结法工艺流程井筒冻结施工工艺：首先在井筒周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结器，冻结器由带有底锥的冻结管和底部开口的供液管所组成。冷冻站的低温盐水（－30℃左右）经去路盐水干管、配液圈到供液管底部，沿冻结管和供液管之间的环形空间上升到集液圈、回路盐水干管至冷冻站的盐水箱，形成盐水循环。低温盐水在冻结管中沿环形空间流动时，吸收其周围岩层的热量，使周围岩层冻结，逐渐扩展连成封闭的冻结圆筒（冻结壁）。随着盐水循环的进行，冻结壁厚度逐渐增大，直到达到设计厚度和强度为止（积极冻结）。然后进行井筒的开挖和衬砌。在掘砌期间进行维护冻结（消极冻结），直至井筒永久结构完成停止冻结。
3.1 冻结孔施工。①开孔间距误差控制在±20mm内。在打钻设备就位前，用仪器精确确定开孔孔位，以提高定位精度。②准确丈量钻杆尺寸，控制钻进深度。③按要求钻进、用灯光测斜，偏斜过大则进行纠偏。钻进3m时，测斜一次，如果偏斜不符合设计要求，立即采取调整钻孔角度及钻进参数等措施进行纠偏，如果钻孔仍然超出设计规定，则进行补孔。 施工流程如下图所示：
3.2 冻结管试漏与安装。①选择无缝钢管，在断管中下套管，恢复盐水循环。②冻结管（含测温管）采用丝扣联接加焊接。管子端部采用底盖板和底锥密封。冻结管安装完，进行水压试漏，经30分钟观察，再延长15分钟压力不降为合格，否则重新钻孔下管。③冷冻站安装完成后要按《矿山井巷工程施工及验收规范》要求进行试漏和抽真空，确保安装质量符合设计要求。
3.3 冻结系统安装与调试。
3.4 积极冻结阶段在冻结试运转过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。
3.5 维护冻结阶段在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层无流动水后（饱和水除外）再进行正式开挖。
3.6 工程监测。①工程监测的目的是根据量测结果，掌握地层的变形量及变形规律，以指导施工。②工程监测的内容为：地表沉降监测，通道收敛变形监测，冻土压力监测。③冻结孔施工监测内容为：冻结管钻进深度；冻结管偏斜率；冻结耐压度；供液管铺设长度。④冻结系统监测。⑤冻结帷幕监测内容为：冻结壁温度场；开挖后冻结壁暴露时间内冻结壁表面位移；开挖后冻结壁表面温度。
4.冻结法施工中应注意的问题
4.1 冻结造孔施工应当注意的问题。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。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。4.2 冻结制冷施工过程中应注意的问题。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。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，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。④厚粘土层施工：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行测量。
综上所述，本文主要介绍了冻结法凿井技术的原理,冻结施工中冻结技术与制冷设备施工关键技术的注意事项，分析了冻结法凿井的关键问题，在施工过程中，对出现的冻结深度、冻结孔偏斜、冻结管断裂、施工监测等问题要特别重视，才能使冻结的效果达到凿井的要求。
关键词：煤矿；井筒冻结；施工技术
Abstract: The construction technology of freezing method in the world is widely used in city construction and the construction of coal mines, has many years of history, mainly used in the mine shaft excavation. This paper mainly explains the construction process prone to freeze construction process, in order to strengthen the management of the frozen shaft construction details, improve the quality of shaft freezing construction.
Key words: coal mine； shaft freezing; construction technology
中圖分类号：TU74
前言：作为一种成熟的施工方法，冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中，已有100多年的历史，我国采用冻结法施工技术至今也已有40多年的历史，主要用于煤矿井筒开挖施工，其中冻结最大深度达435m，冻结表土层最大厚度达375m。本文主要分析了煤矿立井冻结法的工艺流程及施工中应注意的问题，以供同行参考。
1.冻结法凿井原理
冻结法起源于天然冻结，随着人工制冷技术的发展和应用，出现了人工冻结。冻结法在矿井建设中多用于立井的开凿，井筒直径大小和深度基本不受限制。通常，当存在不稳定地层或含水极丰富的裂隙岩层，地下水含盐量不大，且地下水流速较小时（常规地下水流速小于10m/d），均可使用冻结法。冻结法凿井就是在不稳定含水地层中进行施工时，利用人工设置的冻结管，在冻结管内循环冷媒剂，将井筒周围岩层的热量带走，冻结形成封闭的圆筒——冻结壁，抵抗地压、承受水压力和隔断地下水，在冻结壁的保护下进行开挖地层和砌筑井壁的一种特殊施工方法。冻结法凿井在煤矿特凿法建井中具有明显的优势，既能用于不稳定的含水层,又可用于基岩含水层，既可应用于立井，又可应用于斜井及风道口工程，适应性强，安全可靠。
2.冻结法施工技术特点
经过多年来国内外施工的实践经验证明冻结法施工有以下特点：
2.1 可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，对于含水量大于10%的任何含水、松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术；
2.2 冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达5-10Mpa，能有效提高工效；
2.3 冻结法是一种环保型工法，对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构；
2.4 冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。
3.冻结法工艺流程井筒冻结施工工艺：首先在井筒周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结器，冻结器由带有底锥的冻结管和底部开口的供液管所组成。冷冻站的低温盐水（－30℃左右）经去路盐水干管、配液圈到供液管底部，沿冻结管和供液管之间的环形空间上升到集液圈、回路盐水干管至冷冻站的盐水箱，形成盐水循环。低温盐水在冻结管中沿环形空间流动时，吸收其周围岩层的热量，使周围岩层冻结，逐渐扩展连成封闭的冻结圆筒（冻结壁）。随着盐水循环的进行，冻结壁厚度逐渐增大，直到达到设计厚度和强度为止（积极冻结）。然后进行井筒的开挖和衬砌。在掘砌期间进行维护冻结（消极冻结），直至井筒永久结构完成停止冻结。
3.1 冻结孔施工。①开孔间距误差控制在±20mm内。在打钻设备就位前，用仪器精确确定开孔孔位，以提高定位精度。②准确丈量钻杆尺寸，控制钻进深度。③按要求钻进、用灯光测斜，偏斜过大则进行纠偏。钻进3m时，测斜一次，如果偏斜不符合设计要求，立即采取调整钻孔角度及钻进参数等措施进行纠偏，如果钻孔仍然超出设计规定，则进行补孔。 施工流程如下图所示：
3.2 冻结管试漏与安装。①选择无缝钢管，在断管中下套管，恢复盐水循环。②冻结管（含测温管）采用丝扣联接加焊接。管子端部采用底盖板和底锥密封。冻结管安装完，进行水压试漏，经30分钟观察，再延长15分钟压力不降为合格，否则重新钻孔下管。③冷冻站安装完成后要按《矿山井巷工程施工及验收规范》要求进行试漏和抽真空，确保安装质量符合设计要求。
3.3 冻结系统安装与调试。
3.4 积极冻结阶段在冻结试运转过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。
3.5 维护冻结阶段在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层无流动水后（饱和水除外）再进行正式开挖。
3.6 工程监测。①工程监测的目的是根据量测结果，掌握地层的变形量及变形规律，以指导施工。②工程监测的内容为：地表沉降监测，通道收敛变形监测，冻土压力监测。③冻结孔施工监测内容为：冻结管钻进深度；冻结管偏斜率；冻结耐压度；供液管铺设长度。④冻结系统监测。⑤冻结帷幕监测内容为：冻结壁温度场；开挖后冻结壁暴露时间内冻结壁表面位移；开挖后冻结壁表面温度。
4.冻结法施工中应注意的问题
4.1 冻结造孔施工应当注意的问题。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。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。4.2 冻结制冷施工过程中应注意的问题。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。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，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。④厚粘土层施工：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行测量。
综上所述，本文主要介绍了冻结法凿井技术的原理,冻结施工中冻结技术与制冷设备施工关键技术的注意事项，分析了冻结法凿井的关键问题，在施工过程中，对出现的冻结深度、冻结孔偏斜、冻结管断裂、施工监测等问题要特别重视，才能使冻结的效果达到凿井的要求。