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摘 要 冻结法自施工以来，已成功在我国开凿井筒460多个，立井粘土层施工一直是冻结法施工一大难题，尤其是粘土层厚且土层性质复杂，极易造成地层蠕变从而断管。本文主要结合杨村煤矿主井井筒在409.15 m～443.65 m处的34.5 m巨厚粘土层，了解其地层特性，从冻结管断裂机理出发，找出防冻结管断裂的技术方案及措施，并严格冻结及掘砌两大过程控制，最终顺利完成了该段粘土层顺利施工，未出现一次断管事故，实属罕见，为立井冻结法过厚粘土层施工防断管提供了技术参考。
关键词 巨厚粘土；防断管；施工技术
中图分类号：TD265 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）031-079-02
1 工程概况
国投新集能源股份有限公司杨村煤矿，位于安徽省淮南市凤台县杨村乡，矿设计年生产能力5.0MT/a。主井井筒深986.7 m，设计净直径Ф7.5 m，最大开挖荒径12.256 m，冻结深度723 m，表土厚度为538.25 m，属于特厚表土层，且地质条件复杂，施工技术难度较大。
2 地质条件
杨村煤矿主井井筒共含有三段厚粘土层，尤其在409.15 m～443.65 m处存在34.5 m巨厚粘土层，粘土层冻土单轴抗压强度偏低，蠕变量大，主要含有高龄土，且含有一定量的蒙脱石，另外还有珍珠陶土、地开石等矿物成分，遇风、水易膨胀，同时该粘土层含水率低，不易冻结，试验土层的冻结温度较低，最低达-2.7℃，试验各个土层最大冻胀力为0.86 Mpa，土层最大冻胀率为5.49%。并且该矿区地温较高，根据长期观测资料纪录显示，恒温带深度为30 m，温度为16.8℃，地温中性点的温度为32.9℃（620 m），地温梯度为2.47℃/100 m。
3 冻结管断裂原因分析
3.1 冻结管断裂机理及现象
冻结管事故多发生在强化冻结积极期，一般分三个阶段：首先发生断管的是内圈管，在井筒表土段掘砌施工过程中，靠近井帮的冻结管发生断裂，并伴随冻结壁发生位移，这是因为内排冻结孔距离井筒较近，加之井筒掘砌施工，井帮出现片帮现象，造成冻结壁位移，使冻结管受力不均匀，产生拉、弯、扭等应力，进而冻结管产生裂缝，泄漏盐水。
冻结管出现断裂后，在井筒掘进工作面、冷冻站房内盐水箱、冻结沟槽内均会有反常的现象，现象主要有：工作面底鼓量大，井帮位移量增大；迎头空气温度下降明显；井帮或井壁出盐水，盐水味道苦涩而浑浊；冻结站盐水箱内盐水水位下降明显，报警器报警；冻结沟槽内，盐水流动的声音明显，有咚咚的响声；断裂的冻结管头部塑料管受大气压作用而发生变形。
3.2 冻结管断裂原因
归纳起来冻结主要有冻胀力、温度、抗压强度、地层蠕变、施工材料、条件等因素综合作用的结果，主要有几方面原因：1）冻结初期盐水应该逐渐降温，减少由于盐水降温过快引起的温度应力导致冻结管断裂。2）冻结壁厚度偏薄。3）冻结壁实际温度偏高。4）冻结粘土强度低。5）冲积层埋藏深度大。冲积层的地压大小与埋藏深度成正比，埋藏越深地压越大。6）掘进段高大。较大的掘进段高必然延长空帮时间和增大冻结壁变形。7）钻孔及冻结管质量差。
4 井筒粘土层施工技术方案
4.1 冻结技术方案
采用外排孔+中排孔+内排孔+防片帮孔冻结方式，以满足冻结壁厚度及平均温度的要求。其中防片孔主要起420 m以上防片帮的作用；内排孔起上部降低冻结壁平均温度、420 m以下降低井帮温度、防底鼓的作用；外排孔主要起增加冻结壁厚度、降低冻结壁平均温度、增大冻结壁稳定性的作用；中排孔为主冻结孔，主要保证冻结壁厚度和强度，降低冻结壁平均温度的作用。
为顺利通过粘土层位，积极采取以下措施：1）严格控制冻结参数，要求粘土层冻土平均温度：-18℃，冻结壁厚度E=10.7 m；冻结井帮温度：400 m以上最低-8℃，400 m以下-8℃～12℃。2）合理安排各圈冻结孔投入运行的顺序和时间，尽可能减少内部冻胀力对冻结管的影响。（3）冻结壁形成后，厚度和强度都满足设计和施工要求，及时调整盐水温度，尽量减少冻结器在超低温（≤-32℃）条件下的运行时间。4）加强冻结管去回路盐水温度监测，防止盐水在冻结管某部位形成短路而削弱下部冻结壁厚度，影响其强度，进而造成冻结管受力大，甚至断裂。5）保持冻结站运行稳定，防止盐水温度起伏波动，使冻结管因热胀冷缩产生温度应力，沿管壁形成纵向拉应力，使焊接薄弱处产生拉裂，导致冻结管泄漏盐水。
4.2 掘砌施工技术方案
在施工409.15 m～443.65 m粘土层过程中，采取了一系列技术措施：1）加强对井帮位移量、底鼓进行检测，并严格控制，即施工每段高总底鼓量≤100 mm、井帮总位移量≤50 mm，要加大施工过程中的变形检测次数，特别要注意观察“变形量/小时”变化趋势，若揭露时的瞬时变形量大于额定值，则立即停止施工，并按预案及时采取相应的处理措施。2）合理选择掘砌段高，缩短井帮暴露时间，采用短掘短砌施工方案，整体下行钢模板砌壁，掘进有效段高2.2 m；每段高作业循环时间不得超过24小时，井帮暴露时间不得超过18小时。3）铺设聚苯乙烯泡沫板，在泡沫板外侧铺设塑料薄膜，阻止砼中的水份渗入井帮粘土层。4）砼（C75）配合比由具有资质的单位进行试配，材料质量严格把关，可适当增加NC—H系列高强砼复合剂，提高混凝土初期强度，保证砼入模温度在20℃以上。
409.15 m～443.65 m粘土层施工过程中，加强各段高井帮温度、井帮位移及底鼓量观测与控制，具体情况如表1。
表中可以看出：（409.15 m～443.65 m）粘土层施工过程中，井帮温度基本在-8℃～12℃，最低达到-14.3℃，井帮总位移量均小于50 mm，底鼓总量基本不超过100 mm。
5 结束语
杨村煤矿主井从冻结与掘砌两方面着手，冻结方面强化冻结，降低冻结壁温度，提高冻结壁厚度及强度；掘砌方面合理控制掘砌段高，缩短循环时间，加强井帮温度、井帮位移及底鼓量观测与控制，最终顺利完成了地质极其复杂的巨厚粘土层施工，未出现一次断管事故，克服了井筒施工难题。
参考文献
[1]孙贵.国投新集杨村煤炭勘探报告[M].安徽：安徽煤田地质局第一勘探队，2005.
[2]陈湘生，汪崇鲜，吴成义.典型人工冻结粘土三轴剪切强度准则的试验研究[J].建井技术，1998（04）.
[3]刘瑾，谢绍颖.冻结管断裂因素分析及防破裂措施[J].煤矿安全，2003（06）.
[4]经来旺，程三友，郭奕娣.冻结管断裂位置的确定[J].西安科技学院学报，2000（02）.
关键词 巨厚粘土；防断管；施工技术
中图分类号：TD265 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）031-079-02
1 工程概况
国投新集能源股份有限公司杨村煤矿，位于安徽省淮南市凤台县杨村乡，矿设计年生产能力5.0MT/a。主井井筒深986.7 m，设计净直径Ф7.5 m，最大开挖荒径12.256 m，冻结深度723 m，表土厚度为538.25 m，属于特厚表土层，且地质条件复杂，施工技术难度较大。
2 地质条件
杨村煤矿主井井筒共含有三段厚粘土层，尤其在409.15 m～443.65 m处存在34.5 m巨厚粘土层，粘土层冻土单轴抗压强度偏低，蠕变量大，主要含有高龄土，且含有一定量的蒙脱石，另外还有珍珠陶土、地开石等矿物成分，遇风、水易膨胀，同时该粘土层含水率低，不易冻结，试验土层的冻结温度较低，最低达-2.7℃，试验各个土层最大冻胀力为0.86 Mpa，土层最大冻胀率为5.49%。并且该矿区地温较高，根据长期观测资料纪录显示，恒温带深度为30 m，温度为16.8℃，地温中性点的温度为32.9℃（620 m），地温梯度为2.47℃/100 m。
3 冻结管断裂原因分析
3.1 冻结管断裂机理及现象
冻结管事故多发生在强化冻结积极期，一般分三个阶段：首先发生断管的是内圈管，在井筒表土段掘砌施工过程中，靠近井帮的冻结管发生断裂，并伴随冻结壁发生位移，这是因为内排冻结孔距离井筒较近，加之井筒掘砌施工，井帮出现片帮现象，造成冻结壁位移，使冻结管受力不均匀，产生拉、弯、扭等应力，进而冻结管产生裂缝，泄漏盐水。
冻结管出现断裂后，在井筒掘进工作面、冷冻站房内盐水箱、冻结沟槽内均会有反常的现象，现象主要有：工作面底鼓量大，井帮位移量增大；迎头空气温度下降明显；井帮或井壁出盐水，盐水味道苦涩而浑浊；冻结站盐水箱内盐水水位下降明显，报警器报警；冻结沟槽内，盐水流动的声音明显，有咚咚的响声；断裂的冻结管头部塑料管受大气压作用而发生变形。
3.2 冻结管断裂原因
归纳起来冻结主要有冻胀力、温度、抗压强度、地层蠕变、施工材料、条件等因素综合作用的结果，主要有几方面原因：1）冻结初期盐水应该逐渐降温，减少由于盐水降温过快引起的温度应力导致冻结管断裂。2）冻结壁厚度偏薄。3）冻结壁实际温度偏高。4）冻结粘土强度低。5）冲积层埋藏深度大。冲积层的地压大小与埋藏深度成正比，埋藏越深地压越大。6）掘进段高大。较大的掘进段高必然延长空帮时间和增大冻结壁变形。7）钻孔及冻结管质量差。
4 井筒粘土层施工技术方案
4.1 冻结技术方案
采用外排孔+中排孔+内排孔+防片帮孔冻结方式，以满足冻结壁厚度及平均温度的要求。其中防片孔主要起420 m以上防片帮的作用；内排孔起上部降低冻结壁平均温度、420 m以下降低井帮温度、防底鼓的作用；外排孔主要起增加冻结壁厚度、降低冻结壁平均温度、增大冻结壁稳定性的作用；中排孔为主冻结孔，主要保证冻结壁厚度和强度，降低冻结壁平均温度的作用。
为顺利通过粘土层位，积极采取以下措施：1）严格控制冻结参数，要求粘土层冻土平均温度：-18℃，冻结壁厚度E=10.7 m；冻结井帮温度：400 m以上最低-8℃，400 m以下-8℃～12℃。2）合理安排各圈冻结孔投入运行的顺序和时间，尽可能减少内部冻胀力对冻结管的影响。（3）冻结壁形成后，厚度和强度都满足设计和施工要求，及时调整盐水温度，尽量减少冻结器在超低温（≤-32℃）条件下的运行时间。4）加强冻结管去回路盐水温度监测，防止盐水在冻结管某部位形成短路而削弱下部冻结壁厚度，影响其强度，进而造成冻结管受力大，甚至断裂。5）保持冻结站运行稳定，防止盐水温度起伏波动，使冻结管因热胀冷缩产生温度应力，沿管壁形成纵向拉应力，使焊接薄弱处产生拉裂，导致冻结管泄漏盐水。
4.2 掘砌施工技术方案
在施工409.15 m～443.65 m粘土层过程中，采取了一系列技术措施：1）加强对井帮位移量、底鼓进行检测，并严格控制，即施工每段高总底鼓量≤100 mm、井帮总位移量≤50 mm，要加大施工过程中的变形检测次数，特别要注意观察“变形量/小时”变化趋势，若揭露时的瞬时变形量大于额定值，则立即停止施工，并按预案及时采取相应的处理措施。2）合理选择掘砌段高，缩短井帮暴露时间，采用短掘短砌施工方案，整体下行钢模板砌壁，掘进有效段高2.2 m；每段高作业循环时间不得超过24小时，井帮暴露时间不得超过18小时。3）铺设聚苯乙烯泡沫板，在泡沫板外侧铺设塑料薄膜，阻止砼中的水份渗入井帮粘土层。4）砼（C75）配合比由具有资质的单位进行试配，材料质量严格把关，可适当增加NC—H系列高强砼复合剂，提高混凝土初期强度，保证砼入模温度在20℃以上。
409.15 m～443.65 m粘土层施工过程中，加强各段高井帮温度、井帮位移及底鼓量观测与控制，具体情况如表1。
表中可以看出：（409.15 m～443.65 m）粘土层施工过程中，井帮温度基本在-8℃～12℃，最低达到-14.3℃，井帮总位移量均小于50 mm，底鼓总量基本不超过100 mm。
5 结束语
杨村煤矿主井从冻结与掘砌两方面着手，冻结方面强化冻结，降低冻结壁温度，提高冻结壁厚度及强度；掘砌方面合理控制掘砌段高，缩短循环时间，加强井帮温度、井帮位移及底鼓量观测与控制，最终顺利完成了地质极其复杂的巨厚粘土层施工，未出现一次断管事故，克服了井筒施工难题。
参考文献
[1]孙贵.国投新集杨村煤炭勘探报告[M].安徽：安徽煤田地质局第一勘探队，2005.
[2]陈湘生，汪崇鲜，吴成义.典型人工冻结粘土三轴剪切强度准则的试验研究[J].建井技术，1998（04）.
[3]刘瑾，谢绍颖.冻结管断裂因素分析及防破裂措施[J].煤矿安全，2003（06）.
[4]经来旺，程三友，郭奕娣.冻结管断裂位置的确定[J].西安科技学院学报，2000（02）.