[建筑]冷冻凿井法在竖井中的应用.doc

冷冻凿井法在田兴铁矿1#副井的研究与应用 吕斌 孟军良（河北钢铁集团矿业公司司家营田兴铁矿）摘 要：司家营田兴铁矿1#副井井筒直径6m，井口标高+19.5m,深706m，外壁350mm内壁400m,基岩段平均厚度126m。通过采用技术成熟的冷冻法凿井技术，不破坏第四系含水层的情况下，安全有效的通过了该地层、并对基岩段风化岩裂隙水的流动得到了很好的控制。也为此类的地层冷冻法凿井提供了宝贵的经验。关键词：冷冻凿井技术；冷冻孔；交圈；TheResearch and Application of FreezingShaft SinkingMethod Using in TianXingIron# 1Auxiliary ShaftLvBin Ming Junliang (Mining Company of HebeiIron and Steel Group,Si JiayingTianXingiron ore)Abstract: In the # 1auxiliary shaft of Si JiayingTian Xing Iron Ore, the shaftdiameter is 6m,the elevationof wellhead is +19.5m,the depthis 646m, the outerwall is 350, the inner wall is400m,the averagethickness of therock sectionis 126m. Through the use ofmature technologyoffreezingshaft sinking techniques, thestrata can be get through safely and effectively, also the weathered rocksection ofbedrockfissure waterflowhas beenalso well controlled in the case of not destroy theQuaternaryaquifer. Besides, this technologyhas provided valuableexperience for such groundfreezingshaft sinking.Keywords: Frozendrillingtechnology, Frozenhole, Cross-ring引言随着我国钢铁工业的高速发展，国内铁矿石资源日益紧张，可利用的铁矿资源日益减少。现已探明的铁矿石资源得到进一步开采，但地质条件复杂、含水丰富的矿山在当时现有的技术条件下没有得到开采。随着地下矿建井及铁矿开采技术的进步，此类矿山开采技术已日趋成熟。司家营田兴铁矿第四系地层较厚，含水量较大，如何安全、快速的通过此种地层，是当前加快建井速度的一项重要课题。本研究以冀东地区所特有的地形图地貌，特殊的地质条件，利用特殊掘井法中的冷冻法进行竖井的施工，在积极冷冻期及冷冻维护期缩短冷冻工期取得了良好的效果。1 工程概况司家营田兴铁矿隶属河北钢铁集团矿业有限公司，属黑色冶金特大型地下矿山，设计采选规模1500万t/a，采用阶段空场嗣后充填自下而上的开采顺序采矿方法。共建竖井12条，1条斜坡道。竖井掘砌采用技术较先进的冷冻凿井法进行施工。1#副井是该矿山在建竖井中的1条，直径6m，井深706m，采用冷冻特殊凿井法进行施工，冷冻深度230m，地面标高+20m，冷冻段采用双层井壁支护。2 区域地质概况2.1 地质条件1#副井勘察孔布置在竖井的北面，距井筒中心13.82m，第四系平均厚126m，中上部有近60m左右的圆砾和卵砾层，126m以下为基岩段，岩石破碎，裂隙十分发育。第四系全新统（Q4）洪冲积成因的粉土、圆砾；中部为上更新统（Q3）洪冲积成因的粉土、卵石；下部为中更新统（Q2）洪冲积及残积成因的中砂、圆砾、粘土、粉质粘土；底部为太古界单塔子群白庙子组（Arb）混合花岗岩岩、伟晶岩、混合岩化黑云变粒岩、绿泥石化黑云变粒岩。岩石基本质量等级。2.2水文条件第四系抽水孔位于1#副井南侧约12m，实验结果为S=0.71m，O=1328.14m/d时，渗透系数K=38.7m/d，单位涌水量q=21.65L/s.m，水质类型为HCO3+SO4Ca+Mg型水。PH=8.46，矿化度0.54g/L。属极强富水性含水层。第一隔水层：在埋藏深度22.033.7m，厚度11.7m，岩性为粉土，含少量砾石。该层属同时期形成的代表性土层，将上部第四系孔隙潜水分为上下两段，属矿区第隔水层，但该层厚度分布不稳定，且含有砂粒或砾石，隔水作用有限，可视为弱隔水层（段）。第二隔水层：在埋藏深度69.0-127.6m，厚度58.6m，岩性为粉质粘土、粘土夹中-薄层中砂及圆砾（总厚度20.0m）组成；勘察孔分别在98.3126.7m、119.2127.6m层段残积成因的粘土及粉质粘土胶结程度较高，该层直接覆盖于基岩之上，未发现天窗，是良好的隔水层。3 方案设计3.1 设计参数1）冻结盐水温度：ty=-26-28 （积极冻结期）。2）冻土长时强度：根据简明建井手册，-6时冻土瞬时极限抗压强度参考值10.0MPa。取安全系数：2.5，则冻土计算强度：4Mpa，控制层地压： 1.0569MPa。3）冻结壁厚度计算R井筒掘进荒半径，m；P控制层地压，MPa；冻土计算强度，MPa；E冻结壁厚度，m。计算得： =1.649m。解析计算的结果井冻结壁厚度：E= 1.7m。4）冻结孔布置圈径的计算：D1井筒掘进荒径，m；E冻结壁厚度，m；H表土层底深，m；A表土段钻孔径向内偏值，0.3m。计算得：， =10.52m。5）考虑放炮安全间距： D1井筒掘进荒径，m；L放炮安全间距，m；A基岩段钻孔径向内偏值，0.35m。计算得： =11.15m。经计算的结果，确定冻结孔布置圈径： D = 11.0m。6）水文孔、测温孔布置设计暂定每井设计2个水文观测孔。水文管采用1335mm低碳钢无缝钢管，外管箍对焊联接。设计布置2个测温孔，测温孔内下放894.5mm无缝钢管，外管箍焊接，底端封实，管内不需灌水和试压，但不得渗漏水 7）冻结孔参数统计表冻结孔布置参数表项目名称单位1号副井备注布置圈径m11.0冻结孔深度m137/230孔数个14/14开孔间距m1.23测温孔m/个230/2水文孔m/个15/1，40/1冻结管mm1335内箍焊接连接供液管mm756测温管mm894.5外箍焊接连接水文管mm1335外箍焊接连接盐水干管mm2196钻孔工程量m56533.2 施工参数 1）施工参数布置图2） 造孔设备的选取根据冻结钻孔设计要求和工期安排之需，拟投入2台套DZJ-500/1000钻机进行施工。该钻机转盘扭矩大，提升能力高，是理想的冻结孔施工设备。每钻机配套TBW850/50型泥浆泵2台，实行1台工作，1台备用制度，以保证工期，防止孔内事故发生。该型泥浆泵额定压力高，排量大，可满足冻结孔供浆需要。同时又是井下动力钻具纠偏的动力设备。3）测斜、纠偏设备冻结钻孔使用最先进的JDT-5A型陀螺测斜定向仪测井，配备1台套，该仪器还用于井下动力钻具定向纠偏。4）钻具选择和组合本工程选用8910外加厚组合系统。正常钻进组合108108四方钻杆+89钻杆+177.8石油钻铤（约30m/4根）+190mm三牙轮钻头。5） 施工供配电接6KV临时电源，选1台SJ-1250/10/6/0.4型箱式变压器供电。 DZJ500/1000型钻机 2台75KW台150KW TBW850/50泥浆泵2台75KW台150KW 电焊机 2台50KW台100KW 合计 400KW6）钻场施工本工程质量要求高，为保持钻塔整体稳定性，扩大承载面积，设计采用C20砼结构基础，钻场水平误差不超过5.0mm。底层采用三七灰土铺垫压实，高出自然地坪300mm。7）泥浆系统每机设置1个泥浆池，另外，再共建一个优质泥浆储备池和一个清水池；泥浆沟长度不少于50m，中间设沉淀池，安装砂泵旋流器净化泥浆。8）泥浆性能参数以清水、膨润土、纯碱、聚丙烯晴和聚丙烯酰胺为原料，根据地层不同，调配不同性能的化学泥浆以充分发挥其作用，保护好孔壁，泥浆性能参数见表2-4。表3-8 泥浆性能参数表地层名称粘度（S）比重（g/cm2）含砂量（）失水量（ml/30min）表土20221.10210风化带20241.152810基岩24281.15215使用井下动力钻具纠偏时19）制冷站的选取井筒冻结需冷量计算d冻结管直径，m； n冻结管数目，个； H冻结深度，m；q冻结管吸热效率，取280Kcal/m2h。Q2主=68.8104 Kcal/h、Q3主=55.7104 Kcal/h、Q1副=69.8104 Kcal/h。装机容量及设备选择 采用两组低压与高压相组合的制冷机，每组高低压冷冻机配有独立的蒸发器、中间冷却器、冷凝器、高压贮液桶、盐水泵、清水泵及电焊机。具体设备型号：序号设备名称型号规格1低压冷冻机HJLG25TA2502高压冷冻机HLG20DA1853装机工况制冷量4附属设备蒸发器LZ-160中间冷却器ZL-8.0冷凝器EXV-340高压贮液桶ZA-3.0盐水泵IS200-150-315(55kw)清水泵IS200-150-315(55kw)电焊机BX-500箱式变电站SJ-1250/10/6/0.44 冷冻法施工过程及效果4.1 冷冻孔施工4.1.1技术规范及要求1） 1#副井在施工冷冻孔开孔前，每台钻机要制备不低于3立方米的优质泥浆备用，保证正常开孔钻进；要对钻机认真找正，使转盘中心、钻孔中心和钻塔提升中心重合，钻机底盘和基础间隙要垫实，确保开孔垂直度。开孔时，先开泵送浆、吊紧钻具，划眼采用低档慢进尺。2） 配置1套泥浆测定仪，定时检测泥浆参数。针对粘土层和风化泥岩层，严格控制泥浆失水量1012ml/30min，防止钻孔缩径。定向纠偏时，控制泥浆含砂量1，延长螺杆钻具使用寿命。3） 操作力求均压匀速钻进，并根据地层情况合理掌握钻压、转速和泵量；砂层中转速快给进；粘土层中转速慢给进、防止快进时泥抱钻头；基岩层高钻压低转速、控制孔底钻压为钻铤在泥浆中总重量的7580，选用球齿或镶齿三牙轮钻头时严禁四档钻进，易用2档钻进，储备一定的好泥浆以备基岩段钻进用。4） 现场制定严格的冷冻孔验收机制，保证每成一个孔，必须达到合格，保证每个孔的偏斜度及试压后的参数都已达到设计要求。4.1.2冷冻孔施工过程1#副井冷冻孔于2009年4月28日开始打钻，历时114天完成冷冻孔的施工，共打钻7075m，通过对测斜数据的研究，40个冷冻孔均已达到设计要求（原设计冷冻深度为167m，前期施工至5个时，根据现场的施工条件，设计院变更冷冻孔深度延深至230m，前期施工的5个孔不作废，作为辅助孔进行积极冷冻。根据地下水的流向及下步偏斜资料的分析认为井筒的北侧及西侧下部背部偏斜窗口较大，布置3个加强孔，加强冷冻）。4.2 积极冷冻冷冻孔完成后开始施工冷冻沟槽，安装冷冻设备，调试完成后 2009年9月14日开始积极冷冻，积极冷冻过程中及时检测冷冻站的氨系统、盐水系统、冷却水系统这三大循环系统中的温度，每824小时监测一次盐水温度，确保安全有效的积极冷冻。积极冷冻45天后盐水温度为去路-32，回路为-30.3，根据两个测温孔的数据及冻土扩张的情况分析，126m处第四系与基岩段交接处的的温度已达到-4，通过计算，此处的温度已维持零下12天以上，通过对水文孔的观察，水文孔内的水位开始逐步有规律的上升，在2009年10月29日水文孔内有水溢出，初步判断冻结壁已初步正常交圈。4.3 冷冻段井筒掘砌本次冷冻法掘砌采用两步法：先掘砌外壁，到达223米后进行二次套壁。井筒进入试掘后，采用先掘井中心，达到一定深度后，再采用小型挖掘机进行扩帮的方法进行掘砌，掘进到模板高度后，根据开挖情况实时监测荒断面暴露时的温度，以观察井帮及冻土进入荒径发展情况。通过验证，此施工方法高效的通过了此地层的第四系，于2010年5月7日掘砌到冷冻段底部，开始进行套内壁工作， 2010年7月16日完成227m的套内壁工作，在掘砌过程中均未出现涌水现象，保证了高效的施工进度，也为冻结壁解冻节省了大量时间，缩短了整个冻结工期。5 结论5.1对于在含水层多且厚的复杂地层进行竖井掘砌，采用冻结法施