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摘要：结合某煤矿中央回风立井冻结表土段凿井施工工程, 该井筒深1005m, 其中冻结段深618m。介绍了在冻结法施工中所采用的综合机械化配套方案和多项新技术、新工艺、新设备, 实现了快速施工。
关键词: 冻结法；立井井筒；机械化配套设备；快速施工
中图分类号: TD262 文献标识码: A文章编号:
近年来，冻结法凿井施工技术应用越来越广泛，尤其对于冲积层较厚的煤矿建井施工能有效起到安全快速的作用。所谓冻结凿井法（freeze sinking method），即是采用制冷技术暂时冻结加固井筒周围不稳定地层并隔绝地下水后再进行凿井的特殊施工方法。1862年英国首先将人工制冷方法用于基础工程，1883年德国最早用人工冻结法开凿立井，我国是1955年首次在开滦林西煤矿开凿风井中开始应用。冻结法是特殊凿井的主要方法之一，虽然需用设备较多，工期较长，成本较高，但安全可靠，施工技术较成熟。现结合工程实例，就实现快速施工所采取的相关技术措施作简要探讨。
該煤矿中央回风立井, 井筒净直径7.5m, 深度1005m, 其中冻结段深度618m, 基岩段深度387m。冻结段为双层钢筋混凝土井壁, 混凝土强度等级C50～C75。井筒冻结段穿过第四系表土层, 主要以粘土和砂土为主。
1 凿井施工综合机械化配套方案
井筒冻结表土段快速施工的关键环节是掘进、提升运输和砌壁；应根据井筒表土层实际情况和合同要求，合理选用能满足相应工序要求的施工设备。
选用综合机械化配套设备如下：CX55型挖掘机掘进，多台风镐、凿岩机、铁锹等刷帮,HZ-6型中心回转式抓岩机装矸。主提升为2JK-4.0×2.1(Ⅱ)E型提升机，配单钩5.0m3 吊桶提升。副提升为JKZ-2.8/15.5型提升机，配单钩4.0m3吊桶提升，座钩式自动翻矸；矸石落地后，铲车装载，自卸式汽车排矸。设置3 层吊盘, 采用4台德国产JZ-25/1300 型稳车悬吊, 提落集中控制。另外, 根据需要, 布置了多台2JZ-25/1300和JZ-16/1300 型稳车。矿供商品混凝土, HID-3.0型底卸式吊桶下料,3.6m高液压伸缩整体金属模板砌壁。采用2×30kW对旋式扇风机通风( 压入)。地面配备5台GA110-7.5型螺杆式空压机供压气。
2 凿井施工中新技术、新工艺、新设备的应用
2.1 凿井稳车集中控制技术
在井口信号房安装了一套稳车起落集中控制系统, 将集控开关打到“通”的位置, 集控指示灯亮,悬吊吊盘或模板的几台稳车即可同时提落。操作过程中, 井上信号工与井下信号工保持联系, 并观察提落微电脑指示仪, 了解各台稳车升降的高度差, 及时做出调整, 保证作业安全。
2.2 采用轮胎固定装置稳定吊盘
凿井吊盘为3层，层间距4m。1层盘和3层盘各设置4对轮胎作稳盘装置，既简化了提落吊盘的操作程序，又保证了安全；同时在抓岩机抓岩时，还可缓冲上下冲击力，保护井壁。
2.3 自动化混凝土集中搅拌站
自动化混凝土集中搅拌站安设2台JS-1000型双卧轴强制式搅拌； 搅拌好的混凝土由输送车运往井口卸料台, 经溜槽直接卸入底卸式吊桶。配备PL-1200 型配料机和ZN-1型称重配料仪各1 台。砂、石、水泥、外加剂等均采用电子秤累计计量方式配料, 配料精度高, 操作简便。配料过程借助电脑实现自动控制。
2.4 高压胶管与环形供气系统
采用3.6m高液压伸缩整体金属模板砌壁。为便于使用多台风镐、凿岩机配合掘进，在模板工作台下方安设了高压胶管，配20 组阀门， 每组2个，形成环形供气系统，可满足40台风镐、凿岩机同时作业的需要。
2.5 抓岩机抓头的改造
为提高抓岩机抓土能力，对抓头进行了改造。即将原抓片尖部去掉1层，焊上用30mm 厚钢板加工的尖三角形片。改造后的抓岩机破土抓土能力提高了2～3倍，有效地避免了砂土从抓头中间漏掉，提高了装土速度。
2.6 小型挖掘机的应用
CX55型小型挖掘机功率43kW, 机身质量2.6t，运行半径3.5m, 挖斗容积0.15m3，能很好地挖、装“溏心”和低强度的冻土。采用该小型挖掘机掘进和刷帮, 大大降低了工人的劳动强度, 提高了工作效率, 加快了掘进速度, 减少了井帮暴露时间, 有利于实现冻结表土段安全快速施工。
2.7 新型混凝土外加剂的应用
混凝土中掺入2.5%的FS特制型抗冻减水剂, 加速混凝土初凝，提高混凝土井壁早期强度，可缩短脱模时间和有效抵抗早期冻结压力， 防止外壁早期被压坏。
2.8 通过深厚膨胀粘土层的几项技术措施
（1）根据土层情况, 合理确定掘进段高, 控制井帮位移量; 并在掘进过程中, 将荒半径适当扩大30～50mm，以保证井帮位移后的掘进规格和井壁厚度。
（2）与冻结单位密切配合，控制冻结盐水温度和冻土扩展速度， 防止冻实而给掘进带来不便。
（3）在井帮上均匀开挖12道竖向“V”形卸压槽，释放压力。
（4）在外层井壁与井帮间敷设50mm厚的起缓压和保温隔热作用的聚苯乙烯泡沫塑料板, 并用竹笆固定, 既预留了一定的井帮变形量, 又改善了混凝土井壁养护条件, 可有效地防止外层井壁早期被压坏, 保证了外层井壁质量。
2.9 井下照明系统
井下照明系统选用了投光距离远、照明度高、能耗小、防震性能好、安全性能好的隔爆投光灯,既保证了工作面有足够的照明, 又满足了安全要求。
2.10 电视监控系统
在井口、翻矸台、吊盘等处安装有线电视监控设备, 显示屏设在提升机房和井口调度室, 便于提升机司机和调度观察井口、翻矸台及吊盘上的情况, 提高了提升安全性和调度指挥的直观性。
2.11 井筒测量系统
井筒施工定向采用垂线法, 中心垂线为Φ2mm 的碳素弹簧细钢丝绳, 通过封口盘导向轮下放。井筒掘砌过程中, 要定期校检中线。特别是每段砌壁前, 必须检查1 次, 确保井筒中心位置偏差不超过5mm。
3 劳动组织和管理
实行项目法管理, 综合施工队组织形式, 班组按专业配备。井下工“四六制”滚班作业, 地面辅助工“三八制”作业。此外, 还采取了一系列激励措施, 充分调动工人的劳动积极性。
（1）实行设备包机制管理, 按影响时间长短确定机电辅助人员的工资和奖金, 促使维修人员充分利用机械间歇时间对挖掘机、抓岩机及提升机等设备进行维护保养, 最大限度地减少机械设备维护保养及设备故障影响时间, 提高施工效率。
（2）在确保安全的前提下, 充分利用时间和空间, 最大限度地安排平行作业, 加快施工速度。如井上接长管路与井下绑扎钢筋平行作业, 装土与刷帮平行作业, 处理井壁接茬与掘进平行作业等。
（3）利用经济杠杆, 奖优罚劣。项目部按不同工序出台了效益与进度、质量及安全挂钩的小指标奖励办法, 并对执行过程中发现的问题及时加以解决, 对加快施工速度, 保证工程质量和施工安全起到了积极的推动作用。
4 冻结法施工效果
2009年5月，我钻井工程处在该煤矿中央回风立井冻结表土段凿井共完成井筒冻结段掘砌外壁施工循环46个, 最短循环时间13.5h, 创造了冻结表土段月进172m 的两淮矿区新纪录, 并且工程质量优良。接着在6 月、7月施工中, 又均创下了月进尺超100m的佳绩, 实现了快速施工。
参考文献：
[1]沈季良，崔云龙，王介峰.建井工程手册（第四卷）[M].北京：煤炭工业出版社，1986
[2]陈明和.地层冻结工程技术和应用. 北京：煤炭工业出版社，2007
作者简介：孙蕾蕾（1980—），女，助理工程师。毕业于安徽理工大学土木工程专业，现中煤第三建设集团有限责任公司钻井工程处从事工程项目管理工作，曾获得集团公司两个科研项目三等奖。发表专业论文1篇。
关键词: 冻结法；立井井筒；机械化配套设备；快速施工
中图分类号: TD262 文献标识码: A文章编号:
近年来，冻结法凿井施工技术应用越来越广泛，尤其对于冲积层较厚的煤矿建井施工能有效起到安全快速的作用。所谓冻结凿井法（freeze sinking method），即是采用制冷技术暂时冻结加固井筒周围不稳定地层并隔绝地下水后再进行凿井的特殊施工方法。1862年英国首先将人工制冷方法用于基础工程，1883年德国最早用人工冻结法开凿立井，我国是1955年首次在开滦林西煤矿开凿风井中开始应用。冻结法是特殊凿井的主要方法之一，虽然需用设备较多，工期较长，成本较高，但安全可靠，施工技术较成熟。现结合工程实例，就实现快速施工所采取的相关技术措施作简要探讨。
該煤矿中央回风立井, 井筒净直径7.5m, 深度1005m, 其中冻结段深度618m, 基岩段深度387m。冻结段为双层钢筋混凝土井壁, 混凝土强度等级C50～C75。井筒冻结段穿过第四系表土层, 主要以粘土和砂土为主。
1 凿井施工综合机械化配套方案
井筒冻结表土段快速施工的关键环节是掘进、提升运输和砌壁；应根据井筒表土层实际情况和合同要求，合理选用能满足相应工序要求的施工设备。
选用综合机械化配套设备如下：CX55型挖掘机掘进，多台风镐、凿岩机、铁锹等刷帮,HZ-6型中心回转式抓岩机装矸。主提升为2JK-4.0×2.1(Ⅱ)E型提升机，配单钩5.0m3 吊桶提升。副提升为JKZ-2.8/15.5型提升机，配单钩4.0m3吊桶提升，座钩式自动翻矸；矸石落地后，铲车装载，自卸式汽车排矸。设置3 层吊盘, 采用4台德国产JZ-25/1300 型稳车悬吊, 提落集中控制。另外, 根据需要, 布置了多台2JZ-25/1300和JZ-16/1300 型稳车。矿供商品混凝土, HID-3.0型底卸式吊桶下料,3.6m高液压伸缩整体金属模板砌壁。采用2×30kW对旋式扇风机通风( 压入)。地面配备5台GA110-7.5型螺杆式空压机供压气。
2 凿井施工中新技术、新工艺、新设备的应用
2.1 凿井稳车集中控制技术
在井口信号房安装了一套稳车起落集中控制系统, 将集控开关打到“通”的位置, 集控指示灯亮,悬吊吊盘或模板的几台稳车即可同时提落。操作过程中, 井上信号工与井下信号工保持联系, 并观察提落微电脑指示仪, 了解各台稳车升降的高度差, 及时做出调整, 保证作业安全。
2.2 采用轮胎固定装置稳定吊盘
凿井吊盘为3层，层间距4m。1层盘和3层盘各设置4对轮胎作稳盘装置，既简化了提落吊盘的操作程序，又保证了安全；同时在抓岩机抓岩时，还可缓冲上下冲击力，保护井壁。
2.3 自动化混凝土集中搅拌站
自动化混凝土集中搅拌站安设2台JS-1000型双卧轴强制式搅拌； 搅拌好的混凝土由输送车运往井口卸料台, 经溜槽直接卸入底卸式吊桶。配备PL-1200 型配料机和ZN-1型称重配料仪各1 台。砂、石、水泥、外加剂等均采用电子秤累计计量方式配料, 配料精度高, 操作简便。配料过程借助电脑实现自动控制。
2.4 高压胶管与环形供气系统
采用3.6m高液压伸缩整体金属模板砌壁。为便于使用多台风镐、凿岩机配合掘进，在模板工作台下方安设了高压胶管，配20 组阀门， 每组2个，形成环形供气系统，可满足40台风镐、凿岩机同时作业的需要。
2.5 抓岩机抓头的改造
为提高抓岩机抓土能力，对抓头进行了改造。即将原抓片尖部去掉1层，焊上用30mm 厚钢板加工的尖三角形片。改造后的抓岩机破土抓土能力提高了2～3倍，有效地避免了砂土从抓头中间漏掉，提高了装土速度。
2.6 小型挖掘机的应用
CX55型小型挖掘机功率43kW, 机身质量2.6t，运行半径3.5m, 挖斗容积0.15m3，能很好地挖、装“溏心”和低强度的冻土。采用该小型挖掘机掘进和刷帮, 大大降低了工人的劳动强度, 提高了工作效率, 加快了掘进速度, 减少了井帮暴露时间, 有利于实现冻结表土段安全快速施工。
2.7 新型混凝土外加剂的应用
混凝土中掺入2.5%的FS特制型抗冻减水剂, 加速混凝土初凝，提高混凝土井壁早期强度，可缩短脱模时间和有效抵抗早期冻结压力， 防止外壁早期被压坏。
2.8 通过深厚膨胀粘土层的几项技术措施
（1）根据土层情况, 合理确定掘进段高, 控制井帮位移量; 并在掘进过程中, 将荒半径适当扩大30～50mm，以保证井帮位移后的掘进规格和井壁厚度。
（2）与冻结单位密切配合，控制冻结盐水温度和冻土扩展速度， 防止冻实而给掘进带来不便。
（3）在井帮上均匀开挖12道竖向“V”形卸压槽，释放压力。
（4）在外层井壁与井帮间敷设50mm厚的起缓压和保温隔热作用的聚苯乙烯泡沫塑料板, 并用竹笆固定, 既预留了一定的井帮变形量, 又改善了混凝土井壁养护条件, 可有效地防止外层井壁早期被压坏, 保证了外层井壁质量。
2.9 井下照明系统
井下照明系统选用了投光距离远、照明度高、能耗小、防震性能好、安全性能好的隔爆投光灯,既保证了工作面有足够的照明, 又满足了安全要求。
2.10 电视监控系统
在井口、翻矸台、吊盘等处安装有线电视监控设备, 显示屏设在提升机房和井口调度室, 便于提升机司机和调度观察井口、翻矸台及吊盘上的情况, 提高了提升安全性和调度指挥的直观性。
2.11 井筒测量系统
井筒施工定向采用垂线法, 中心垂线为Φ2mm 的碳素弹簧细钢丝绳, 通过封口盘导向轮下放。井筒掘砌过程中, 要定期校检中线。特别是每段砌壁前, 必须检查1 次, 确保井筒中心位置偏差不超过5mm。
3 劳动组织和管理
实行项目法管理, 综合施工队组织形式, 班组按专业配备。井下工“四六制”滚班作业, 地面辅助工“三八制”作业。此外, 还采取了一系列激励措施, 充分调动工人的劳动积极性。
（1）实行设备包机制管理, 按影响时间长短确定机电辅助人员的工资和奖金, 促使维修人员充分利用机械间歇时间对挖掘机、抓岩机及提升机等设备进行维护保养, 最大限度地减少机械设备维护保养及设备故障影响时间, 提高施工效率。
（2）在确保安全的前提下, 充分利用时间和空间, 最大限度地安排平行作业, 加快施工速度。如井上接长管路与井下绑扎钢筋平行作业, 装土与刷帮平行作业, 处理井壁接茬与掘进平行作业等。
（3）利用经济杠杆, 奖优罚劣。项目部按不同工序出台了效益与进度、质量及安全挂钩的小指标奖励办法, 并对执行过程中发现的问题及时加以解决, 对加快施工速度, 保证工程质量和施工安全起到了积极的推动作用。
4 冻结法施工效果
2009年5月，我钻井工程处在该煤矿中央回风立井冻结表土段凿井共完成井筒冻结段掘砌外壁施工循环46个, 最短循环时间13.5h, 创造了冻结表土段月进172m 的两淮矿区新纪录, 并且工程质量优良。接着在6 月、7月施工中, 又均创下了月进尺超100m的佳绩, 实现了快速施工。
参考文献：
[1]沈季良，崔云龙，王介峰.建井工程手册（第四卷）[M].北京：煤炭工业出版社，1986
[2]陈明和.地层冻结工程技术和应用. 北京：煤炭工业出版社，2007
作者简介：孙蕾蕾（1980—），女，助理工程师。毕业于安徽理工大学土木工程专业，现中煤第三建设集团有限责任公司钻井工程处从事工程项目管理工作，曾获得集团公司两个科研项目三等奖。发表专业论文1篇。