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[摘 要] 李粮店煤矿副井冻结深度800m，为我国目前冻结最深的冻结井，也是深厚冲积层和含水基岩全井深冻结穿过冲积层最厚的冻结井，此类冻结条件的冻结方案及及井壁设计尚无成熟的经验可供借鉴；该矿通过开展技术研究，提出了适合矿井特点的井壁结构和冻结方案设计、冻结段掘砌施工工艺等，实现了安全、快速施工。简要介绍了技术研究的相关情况和效果，对我国深厚冲积层和含水基岩全井深冻结井壁设计施工等问题进行了探讨。
[关键词] 深冻结井 深厚冲积层 深厚含水基岩 井壁设计 快速施工
1、工程概况
李粮店矿井位于新郑市八千乡。设计生产能力为240万t/年，采用立井開拓方案，主、副井布置在同一个工业广场内，北冀布置一个风井，主、副、风井筒净直径分别为Ф5.0m、Ф6.5m、Ф6.0m，井筒深度原设计分别为755.5m、780.5m、546.0m。根据井检孔揭露的岩层柱状分析，主、副、风井分别穿过479.2m、481.5m、460.9m冲积层，选用冻结法施工，主、副井一次冻全深，主、副、风井冻结深度分别为772m、800m、513m，该矿井副井冻结深度居国内第1位和国际第3位。下面以副井为例对该矿冻结凿井技术研究情况进行说明。
2、对副井筒地质水文地质条件的评价
2.1对井筒第四系、新近系松散沉积岩组的评价
副井第四系、新近系松散沉积岩组主要由粘土、砂质粘土和细、中、粗砂组成，厚度481.49m，上部粘土、砂质粘土中含少量石英岩小砾石和钙质结核，砂层多且层厚；下部砂层较薄且石英岩砾石少，粘土中钙质结核数量减少，力学强度低。
新近系松散沉积岩组在井筒开凿时都容易软化膨胀引起井壁凸裂，井筒围岩压力大，使井壁失稳坍塌，围岩分类属Ⅴ类不稳定岩层，在施工中应采用快速短段掘砌的方式迅速通过，避免开挖段暴露太久。本次施工共取冻土样1组进行冻土试验，试验结论如下：
2.1.1冻土单轴抗压强度与温度关系线性规律好，回归相关系数大于0.98。
2.1.2冻土弹性模量随冻结温度的下降而增大，在76.29-355.54Mpa，平均增大7-22Mpa/℃。
2.1.3冻土泊松比总体上随冻结温度的降低而减小，约在0.17-0.29之间,温度的变化对冻土泊松比值的影响较少，温度每下降一度，其值平均减少0.008-0.012。
2.1.4从冻土单轴应力试验表明：在应力水平较低时（0.3σ-0.5σ），冻土蠕变为稳定性蠕变；当应力水平较高（0.7σ）时，则为非稳定性蠕变。
2.1.5冻土的冻胀力在0.98-1.28Mpa之间，冻胀率在0.94-1.23%之间。
2.1.6从冻土三轴试验结果表明，冻土抗剪强度随冻结温度的降低而明显增大。
2.2对井筒基岩风化带沉积岩组的评价
副井风化带地层为二叠系下统下石盒子组，起止孔深481.49～518.58m，起止标高-380.44～-417.57m；其中孔深481.49～493.83m，厚度12.34m，为强风化带：岩石破碎，颜色变浅，多呈灰黄色，轻击即碎，透水性增强，为Ⅳ类碎裂状结构，围岩分类为Ⅴ类不稳定岩层；孔深493.83～518.58m，厚度24.75m，为中等-弱风化带，风化带岩石仍具有原岩的一般特征，但风化裂隙发育，透水且含水，物理力学性质变弱，为Ⅳ类散块状结构，围岩分类属Ⅳ类弱稳定岩层；井筒开凿至此时，要注意防水和掉块，必须进行加固处理。
3、李粮店矿深厚冲积层与含水基岩冻结凿井技术研究
3.1技术研究目标
3.1.1选用适宜的全井深冻结井壁结构；
3.1.2制定全井深冻结方案；
3.1.3建立冻结壁形成特性定量计算、分析方法和工程预报与调控机制；
3.1.4制定切实可行的全井深冻结段安全快速施工方案。
3.2科技研究的主要内容
3.2.1结合深厚冲积层和深厚含水松软岩层的地质和水文地质特征，对我国现行冻结井壁结构形式、受力特点、施工工艺进行分析，借鉴国外深井冻结的成功经验和井壁结构、施工工艺，选用适合李粮店矿深厚冲积层和含水基岩全井深冻结的井壁结构。
3.2.2在总结国内深深厚冲积层和含水基岩冻结凿井经验的基础上，结合李粮店矿地质和水文地质特征，通过对冻结壁形成特性的动态分析，提出深厚冲积层和含水基岩全井深冻结设计。
3.2.3在总结国内深厚冲积层和含水基岩冻结井快速施工经验的基础上，结合李粮店副井800m全井深冻结方案制定切实可行的全井深冻结安全快速施工方案，并与冻结壁形成特性分析、工程预报、科学调控有机地结合，既要实现深厚冲积层段浅部不片帮深部少挖冻土，又要做到深部含水基岩冻结段快速掘进，确保全井深冻结段安全快速施工。
4、李粮店矿副井800m全深冻结设计
4.1冻结段井壁结构设计
4.2冻结方案设计
5、井筒快速施工
5.1提高冻结段凿井机械化装备水平
井筒安全快速施工的关键之一就要提高凿井机械化装备水平，例如配置新型挖掘机、3-5m3大吊桶、大挖斗及相应的提升机等。
5.2副井施工速度
李粮店副井冻结站2009年12月9日正式开机，2010年2月2日试挖，2月12日掘砌至30m深后转入正式挖掘；5月14日掘砌至393m后提前套壁，5月15日-6月23日393m-8m套壁；7月31日掘砌至冲积层底部，8月19日掘至537m深；9月9日-9月19日深520m-393m套壁；2011年1月9日掘砌至原井筒深度780.5m；1月11日停冻，1月12日完成副井井底水窝底界深度延伸至788.5m工程。壁座施工耽误和延伸部位超过冻结壁保护范围造成施工时井底渗水，影响下部施工速度。李粮店副井深厚冲积层和含水基岩全井深冻结井筒掘砌，包括马头门施工，成井速度为70.6m/月。
6、结论
6.1李粮店矿主、副井筒形壁座上部井壁结构采用钢筋混凝土塑料夹层井壁结构和筒形壁座下部采用混凝土单层井壁结构的组合结构型式，能够较好地适应李粮店矿深厚冲积层和含水基岩段全井深冻结的需要，选用最高混凝土强度等级C80井壁，其结构简单、安全可靠，经济效益显著，技术有所创新，居国内先进水平。
6.2深厚冲积层和含水基岩段全井深冻结在我国尚属探索阶段，李粮店主、副井冻深772-800m，为目前我国最深的冻结井，通过冻结孔的合理布置与冻结管深度和直径的优化组合，李粮店冻结方案设计较好地缓解了深厚冲积层冻结与掘进的矛盾，并有效发挥了深厚基岩段冻结效率，为实现安全快速施工奠定了基础，该冻结方案设计居国内先进水平。
6.3李粮店主井和副井全井深冻结的井筒深度分别为771.2m和788.5m，冻结深度分别为772m和800m，外层井壁掘砌最高速度分别为205.1m/月和174.9m/月，主、副井筒形壁座上部和全井深成井平均速度分别为95.2m/月和92.9m/月、70.9m/月和70.6m/月；特别是李粮店主井创深厚冲积层和含水基岩全井深冻结成井平均速度92.9m/月的全国新纪录，取得良好的经济效益，为我国深厚冲积层和含水基岩全井深冻结安全快速施工提供了宝贵的实践经验；李粮店矿主、副井全井深冻结快速施工综合技术居国内领先水平。■
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[关键词] 深冻结井 深厚冲积层 深厚含水基岩 井壁设计 快速施工
1、工程概况
李粮店矿井位于新郑市八千乡。设计生产能力为240万t/年，采用立井開拓方案，主、副井布置在同一个工业广场内，北冀布置一个风井，主、副、风井筒净直径分别为Ф5.0m、Ф6.5m、Ф6.0m，井筒深度原设计分别为755.5m、780.5m、546.0m。根据井检孔揭露的岩层柱状分析，主、副、风井分别穿过479.2m、481.5m、460.9m冲积层，选用冻结法施工，主、副井一次冻全深，主、副、风井冻结深度分别为772m、800m、513m，该矿井副井冻结深度居国内第1位和国际第3位。下面以副井为例对该矿冻结凿井技术研究情况进行说明。
2、对副井筒地质水文地质条件的评价
2.1对井筒第四系、新近系松散沉积岩组的评价
副井第四系、新近系松散沉积岩组主要由粘土、砂质粘土和细、中、粗砂组成，厚度481.49m，上部粘土、砂质粘土中含少量石英岩小砾石和钙质结核，砂层多且层厚；下部砂层较薄且石英岩砾石少，粘土中钙质结核数量减少，力学强度低。
新近系松散沉积岩组在井筒开凿时都容易软化膨胀引起井壁凸裂，井筒围岩压力大，使井壁失稳坍塌，围岩分类属Ⅴ类不稳定岩层，在施工中应采用快速短段掘砌的方式迅速通过，避免开挖段暴露太久。本次施工共取冻土样1组进行冻土试验，试验结论如下：
2.1.1冻土单轴抗压强度与温度关系线性规律好，回归相关系数大于0.98。
2.1.2冻土弹性模量随冻结温度的下降而增大，在76.29-355.54Mpa，平均增大7-22Mpa/℃。
2.1.3冻土泊松比总体上随冻结温度的降低而减小，约在0.17-0.29之间,温度的变化对冻土泊松比值的影响较少，温度每下降一度，其值平均减少0.008-0.012。
2.1.4从冻土单轴应力试验表明：在应力水平较低时（0.3σ-0.5σ），冻土蠕变为稳定性蠕变；当应力水平较高（0.7σ）时，则为非稳定性蠕变。
2.1.5冻土的冻胀力在0.98-1.28Mpa之间，冻胀率在0.94-1.23%之间。
2.1.6从冻土三轴试验结果表明，冻土抗剪强度随冻结温度的降低而明显增大。
2.2对井筒基岩风化带沉积岩组的评价
副井风化带地层为二叠系下统下石盒子组，起止孔深481.49～518.58m，起止标高-380.44～-417.57m；其中孔深481.49～493.83m，厚度12.34m，为强风化带：岩石破碎，颜色变浅，多呈灰黄色，轻击即碎，透水性增强，为Ⅳ类碎裂状结构，围岩分类为Ⅴ类不稳定岩层；孔深493.83～518.58m，厚度24.75m，为中等-弱风化带，风化带岩石仍具有原岩的一般特征，但风化裂隙发育，透水且含水，物理力学性质变弱，为Ⅳ类散块状结构，围岩分类属Ⅳ类弱稳定岩层；井筒开凿至此时，要注意防水和掉块，必须进行加固处理。
3、李粮店矿深厚冲积层与含水基岩冻结凿井技术研究
3.1技术研究目标
3.1.1选用适宜的全井深冻结井壁结构；
3.1.2制定全井深冻结方案；
3.1.3建立冻结壁形成特性定量计算、分析方法和工程预报与调控机制；
3.1.4制定切实可行的全井深冻结段安全快速施工方案。
3.2科技研究的主要内容
3.2.1结合深厚冲积层和深厚含水松软岩层的地质和水文地质特征，对我国现行冻结井壁结构形式、受力特点、施工工艺进行分析，借鉴国外深井冻结的成功经验和井壁结构、施工工艺，选用适合李粮店矿深厚冲积层和含水基岩全井深冻结的井壁结构。
3.2.2在总结国内深深厚冲积层和含水基岩冻结凿井经验的基础上，结合李粮店矿地质和水文地质特征，通过对冻结壁形成特性的动态分析，提出深厚冲积层和含水基岩全井深冻结设计。
3.2.3在总结国内深厚冲积层和含水基岩冻结井快速施工经验的基础上，结合李粮店副井800m全井深冻结方案制定切实可行的全井深冻结安全快速施工方案，并与冻结壁形成特性分析、工程预报、科学调控有机地结合，既要实现深厚冲积层段浅部不片帮深部少挖冻土，又要做到深部含水基岩冻结段快速掘进，确保全井深冻结段安全快速施工。
4、李粮店矿副井800m全深冻结设计
4.1冻结段井壁结构设计
4.2冻结方案设计
5、井筒快速施工
5.1提高冻结段凿井机械化装备水平
井筒安全快速施工的关键之一就要提高凿井机械化装备水平，例如配置新型挖掘机、3-5m3大吊桶、大挖斗及相应的提升机等。
5.2副井施工速度
李粮店副井冻结站2009年12月9日正式开机，2010年2月2日试挖，2月12日掘砌至30m深后转入正式挖掘；5月14日掘砌至393m后提前套壁，5月15日-6月23日393m-8m套壁；7月31日掘砌至冲积层底部，8月19日掘至537m深；9月9日-9月19日深520m-393m套壁；2011年1月9日掘砌至原井筒深度780.5m；1月11日停冻，1月12日完成副井井底水窝底界深度延伸至788.5m工程。壁座施工耽误和延伸部位超过冻结壁保护范围造成施工时井底渗水，影响下部施工速度。李粮店副井深厚冲积层和含水基岩全井深冻结井筒掘砌，包括马头门施工，成井速度为70.6m/月。
6、结论
6.1李粮店矿主、副井筒形壁座上部井壁结构采用钢筋混凝土塑料夹层井壁结构和筒形壁座下部采用混凝土单层井壁结构的组合结构型式，能够较好地适应李粮店矿深厚冲积层和含水基岩段全井深冻结的需要，选用最高混凝土强度等级C80井壁，其结构简单、安全可靠，经济效益显著，技术有所创新，居国内先进水平。
6.2深厚冲积层和含水基岩段全井深冻结在我国尚属探索阶段，李粮店主、副井冻深772-800m，为目前我国最深的冻结井，通过冻结孔的合理布置与冻结管深度和直径的优化组合，李粮店冻结方案设计较好地缓解了深厚冲积层冻结与掘进的矛盾，并有效发挥了深厚基岩段冻结效率，为实现安全快速施工奠定了基础，该冻结方案设计居国内先进水平。
6.3李粮店主井和副井全井深冻结的井筒深度分别为771.2m和788.5m，冻结深度分别为772m和800m，外层井壁掘砌最高速度分别为205.1m/月和174.9m/月，主、副井筒形壁座上部和全井深成井平均速度分别为95.2m/月和92.9m/月、70.9m/月和70.6m/月；特别是李粮店主井创深厚冲积层和含水基岩全井深冻结成井平均速度92.9m/月的全国新纪录，取得良好的经济效益，为我国深厚冲积层和含水基岩全井深冻结安全快速施工提供了宝贵的实践经验；李粮店矿主、副井全井深冻结快速施工综合技术居国内领先水平。■
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