中煤邯郸特殊凿井有限公司河北邯郸056003
摘要：煤矿井筒采用斜井开拓具有井筒装备简单，易于延伸、改扩建和多水平生产等特点。同时，斜井开拓可实现连续运输的方式，保证了矿井高产高效。福城煤矿基于此优点，在原有矿区北翼增加了一条新副斜井——北翼副斜井，使矿井提升能力达到4Mt/a的提升能力。本文通过福城煤矿北翼副斜井冻结施工技术的研究，为今后内蒙、宁夏矿区采用斜井冻结提供可借鉴的经验成果。
关键词：福城斜井；冻结施工；异径管冻结；局部冻结
冻结法凿井自1883年德国工程师波茨舒发明到目前为止，已经成为建设通过含水不稳定地层井筒的有效手段。在上世纪70年代我国开始把冻结法应用于斜井。当前我国对斜井冻结采用打斜钻孔施工的技术尚不成熟，因此斜井冻结方案一直采用的是垂直冻结孔冻结。斜井井筒和立井井筒开拓方式不同，导致了斜井冻结和立井冻结方案及冻结施工方案也不同。
福城煤矿北翼副斜井冻结设计为保证冻结壁的强度和厚度，采用五排孔布置，墙两侧各二排，拱顶一排。冻结钻孔布置沿斜井井筒的走向布置，如图1冻结孔布置多条带平面示意图，图2冻结孔布置条带立面示意图所示。
1工程概况
福城北翼新副斜井井筒净断面15.7㎡，冻结深度垂深90m-195m。冻结斜长247.36m，冻结段净宽4.6m，掘进宽度6.3m，净高3.9m，掘进高度6.898m。跟据斜井井筒穿过地层及冻结深度深的特点，该井筒冻结设计方案选择如下：
(1)采用在地面打直孔方案，钻孔深度由浅入深，最浅孔孔深为97.007m，最深孔孔深为200.921m。
(2)采用局部冻结方式，斜井顶板冻结壁厚度以上为非冻结段，采用异径冻结管以节省冻结制冷量。
(3)中排孔穿入井筒断面段，采用局部冻结措施，减少冷量向井筒内扩散，使井筒尽量少挖冻土，创造良好的掘砌施工条件。
(4)根据工期要求将整个冻结段分为9段，分段确定所需的冻结壁厚度及冷量，以确保井筒能够安全、连续顺利施工。
(5)采用分段打钻、分段冻结工艺，确保造孔、冻结、掘砌连续施工。
(6)设计积极冻结期盐水温度为-28～-30℃，各冻结器盐水流量：不小于5.0m3/h，并根据井筒冻结发展状况和掘砌施工速度，适时调整开机台数和盐水流量以及冻结孔运行数量，在冻结壁保证掘砌安全的条件下，为井筒施工创造良好环境。
(7)为了掌握冻结温度场变化规律，采用我单位研发的冻结站远程自动监测、监控系统和应用OC-1010单总线温度采集仪，实时监测冻结站运行和冻结壁发展状况，以可靠的冻结温度数据指导斜井冻结施工。
(8)选用新型螺杆氨压缩机及EXV-Ⅱ-340型蒸发式冷凝器等先进设备，确保制冷效果，满足各冻结区段井筒需冷量要求。
2施工方案的确定
福城煤矿北翼副斜井冻结施工兼顾工期、施工效果、及施工成本等多方面因素，冻结方案选用分段打钻、分段冻结、局部冻结的施工方案，具体方案如下：
(1)因为冻结段起始深度深因此井筒上部地层非冻结壁采用异径管冻结。
(2)井筒内部掘砌部分采用聚胺脂隔热保温措施的冻结方法，降低冷量向井筒内扩散量。
(3)为了保证施工工期，冻结工程施工采用分段冻结，整个井筒分九段顺序冻结。即：第一段冻结30天后第二段开始积极冻结，第一段冻结45天井筒掘砌开工，第二段冻结25天后第三段开始积极冻结。以此类推，能够确保井筒连续掘砌施工。
(4)冻结站采用双级压缩制冷，冻结站按冻结区段最大需冷量配机，安装HJLG25ⅢTA250型螺杆冷冻机8台作为低压机，安装HLG20ⅢDA185型螺杆冷冻机8台作为高压机。同时安装相匹配的附属设备。
(5)冻结器确定。深立井井筒冻结施工时，由于井筒深冻结壁厚度和强度要求高，因此冻结孔结构设计一般采用多圈孔冻结。同时为有效降低井筒的冻结成本，设计方案中经常采用在外圈孔冻结设计为盐水隔离式局部冻结的方法。外圈冻结孔上部冻结管采用φ168×6mm的无缝钢管，管内下置一根长供液管和一根短供液管，其中短供液管的长度即为非冻结段的长度。通过短供液管四周的非循环盐水达到冻结管上部的局部冻结情况。
福城斜井冻结钻孔孔数多，达到693个，冻结孔钻孔工程量大，达到103901.74m，若采用盐水隔离式局部冻结其冻结成本高，因此采用了异径管冻结技术。具体施工方法如图3局部冻结冻结管结构示意图所示。即井筒上部非冻结段采用Φ89mm无缝钢管，井筒冻结段采用Φ133mm无缝钢管，穿过井筒冻结管采用聚氨酯保温局部冻结。
3冻结施工
福城煤矿斜井冻结工程于2012年10月20日开钻，2013年4月28日钻孔施工结束。2012年12月31日冻结站开机冻结，2014年1月9日，福城斜井冻结站停止运转。2013年2月16日第一段冻结段正式开挖。井筒正式开挖后，冻结单位根据井筒冻结壁发展情况和井筒掘砌计划合理确定第2-9冻结段开机数量及调整盐水温度。
4冻结施工经验
福城煤矿北翼副斜井冻结工程在确保各冻结段冻结壁强度和厚度的同时保证井筒连续掘进。井筒掘砌期间，技术人员及时下井观测地层情况和测量井帮温度，并在膨胀泥岩地层进行了井帮位移检测，实测数据表明福城斜井井筒冻结壁发展状况全部达到设计要求，冻结壁各项指标甚至高于设计，井筒掘进过程中未发生断管、片帮等情况，冻结工程质量优良。同时积累了如下经验：
(1)斜井井筒冻结工程与立井井筒冻结不同，在人员上要求超过立井。因此井筒冻结一开始，项目部成立了由项目部技术经理负责的冻结工程施工期间冻结器开、关孔及各冻结段冻结分析小组。由项目部生产经理负责的冻结器安装及拆除小组。在人员上做到了专人管理。
(2)冻结工程施工过程中，技术经理负责的小组根据冻结钻孔施工数据，及冻结情况分析和井筒掘砌速度判定各段冻结孔的开关时间，并指派专人进行冻结器的开关，同时记录。
(3)根据冻结井筒的冻结情况，及时调整冻结站内开机参数，同时调整冻结期的盐水流量，以保证冻结冷量的合理利用，从而降低施工成本。
(4)根据冻结工期及井筒掘砌速度，及时拆除已经掘砌过的冻结井筒的冻结器，并及时安装到以后的冻结段，降低了周转材料的使用。
(5)由于斜井冻结是由浅入深的冻结，因此盐水的用量会随着井筒的深入而增加。因此及时回收刚刚关孔的冻结器的盐水以补充后段的盐水，以减少冻结工程的盐水用量。
(6)因为斜井冻结是分段冻结，因此为了防止后段的段首冻结器被前段的段尾冻结器影响，因此在开启前段靠近段尾冻结器前及时将后段段首冻结器内清水置换成盐水，防止冻结器内结冰。
(7)为方便冻结站内冻结开机配比和条件盐水温度，冷冻机安装宜采用分组安装，分段控制；盐水系统安装宜采用分段控制。
5结束语
福城煤矿北翼副斜井冻结工程的成功，为今后斜井冻结施工中采用异径管局部冻结技术提供了经验。异径管局部冻结的成功应用降低了冻结工程施工的成本，降低了能源消耗，提高了企业的经济效益。
异径管局部冻结为企业节省了大量能源，达到了节能的目的，同时提高了企业的经济效益，因此异径管局部冻结技术具有很好的推广价值和优良的应用前景。
作者简介：张立刚(1980.3—)，男，河北省保定市人，中级职称，2005年6月毕业于河北工程学院，机械设计制造及其自动化专业，本科。现就职于中煤邯郸特殊凿井有限公司冻四项目部安监站长。