２０１０年第７期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｏ矿业论坛。科技信息 神华集团塔然高勒煤矿风井 普通法转基岩冻结法凿井施工实践 （１，３．中国矿业大学【摘江苏朱邦永’盛小飞 褚衍坡。 徐州 ２２１００８；２．兖矿新陆建设发展有限公司 山东邹城２７３５００） 要】塔然高勒煤矿风井井筒采用普通法施工过程中井筒大量涌水，导致淹井，后采用冻结法施工。文章介绍了井筒冻结设计、冻结施 工及井筒掘砌情况，并对已有井壁破损的问题作了简要探讨。 【关键词】立井井筒；涌水；基岩冻结；井壁破损 １ 工程概况 塔然高勒矿井为神华集团杭锦能源公司正在建设中的首座年产 定冻结孔数。由Ｎ＝￣Ｄ／Ｌ计算得：外圈孔Ｎ＝２８个。冻结管２５０ｍ以上 采用ｑ￣１３３ｘ５ｍｍ，２５０ｍ以下采用ｔｐ１５９ｘ７ｍｍ２０＃优质低碳钢无缝管 （国标ＧＢ一８１６３），内管箍连接。适当减小上部冷量的散失，减小上部冻 千万吨级立井。位于内蒙古杭锦旗塔然高勒乡。根据矿井设计．工业广 土的发展速度；下部采用直径较大的冻结管，加大冻土的发展速度，起 场布置“主、副、风”三个立井井筒，均采用普通法施工。风井井筒设计 到既保护已施工井壁，又可以加大下部冻土的发展的作用。 深度５６９米．净直径６米，井筒上段６７．５ｍ为钢筋砼段，井壁厚度 ３．５测温孔布置布置原则：地下水流上方、冻结壁外侧最大孔间距 ５５０ｒａｍ，６７．５—２５３．８ｍ井筒段采用素砼支护，支护厚度４５０ｒａｍ．砼强度 处：冻结壁内侧界面处；冻结壁外侧主面、界面处；尽可能均匀布置。为 等级Ｃ５０。井深２５３．８ｍ以下由设计变更调整为钢筋砼结构，支护厚度 加强对冻结壁温度场的监测，设计４个测温孔，其中３个外测孔，深度 ５５０ｍｍ，砼强度等级Ｃ４５。施工至４８３ｍ时，井筒涌水量加大，无法继续 均为５７９ｍ；内测孔设置１个５６０ｍ，测温孔采用￣１０８ｘ４．５ｍｍ优质低 掘进．采用工作面预注浆等措施无法止水后改用冻结法凿井。 碳钢无缝管，内管箍连接，管底密封，不试压、不灌水，确保不渗水。 ３．６水文孔布置由于两井筒已施工，在井筒内无法施工水文孔，可 ２水文地质概况 根据井筒水位变化情况判断冻结壁交圈与否。 根据内蒙古自治区煤田地质局ｌ１７勘探队提供的井筒检查钻孔 ３．７冻结制冷系统设计 成果资料，井筒依次穿过白垩系下统志丹群（Ｋｌｚｈ）、侏罗系中统（Ｊ２）、 井筒高负荷期需冷量 侏罗系中下统延安组（Ｊ１—２ｖ）。 公式：Ｑｒ＝＇ｒｒｘｄ，ｘＨｏｘｎ，ｘＫ， 志丹群含水层厚度２７０．０２～２７５．２０ｍ。平均２７２．６１ｍ。地下水位埋 深６．５０～６．５６ｍ，水位标高１４８８．４４～１４８８．５０ｍ，侏罗系中统（Ｊ２）含水层 计算得：２２５．７ｘ１０４ｋｃａｌ／ｈ。 冻结站最大制冷量经过热工计算得出冻结站实际制冷效率为 厚度１５０．０６ｍ，地下水水位埋深：３３．６５ｍ，水位标高１４６１．３５ｍ，最大降 ３３％。低温工况：盐水一３Ｏ一３２℃，蒸发温度一３５—３７℃，冷凝温度３Ｏ℃。 深Ｓ＝ｌ１５．７６ｍ，延安组（Ｊｌ一２ｙ）含水层厚度５７．５２ｍ，地下水水位埋深： 冻结站需要配备标准冷量为：６８４ｘ１０４ｋｃａｌ／ｈ，实际配备冻结设备标准 １４４．４６ｍ，水位标高１３５０．５４ｍ．最大降深ｓ＝２９．１３ｍ．根据井筒检查孔抽 制冷能力：８４４×１０４ｋｃａ 。设备的富裕系数为１．２３倍。螺杆机（ＰＬＧ２５ 水试验提供的井筒涌水量如下表。 ⅢＴＡ）４台。螺杆机（ＨＬＧ２０ＩＩＡ）６台。盐水泵前期采用１２ＳＨ一６型运转， 根据业主提供的实际揭露资料显示：风井井筒在２００ｍ以上涌水 等到冻结壁交圈后改为１２ＳＨ一９型运转。从而实现适当减小盐水流 量较小．只有局部岩层有水渗出，２３３．１ｍ以下砾石层出现明显涌水， 量．盐水温度保持不变，冻结壁的强度不降低的情况下控制冻土的发 且随着井筒掘进深度增加涌水量不断增大．在井深２３３．１ｍ测得井筒 展．起到保护已施工井壁的作用。冷凝器循环水量： 涌水量为１１．３ｍ ，２７１ｍ测得井筒涌水量为６５．２９ｍ３／ｈ，２８７．９ｍ测得井 Ｗ２＝５０ｍ３／ｈ 筒涌水量为７１．９ｍ３／ｈ，３０６．３ｍ测得井筒涌水量为７５．５７ｍ３／ｈ，４９０．０ｍ测 得井筒涌水量为６８．７ｍ 。 选用２００ＱＪ３２－－５２（３２ｍ３／ｈ、扬程５２米）潜水泵２台，ｌ台向冻结 站蒸发冷供水，１台备用。水源井选用２００ＱＪ３２—５２（３２ｍ３／ｈ、扬程５２ 米）潜水泵２台．１台使用，１台备用。 ３井筒冻结方案 ３．１冻结方式根据井筒水文地质情况及井筒开挖中实际揭露的情 ４冻结运转及井简掘砌 况，风井井筒冻结采用一次冻全深方式。 ４．１冻结运转及掘进施工风井自２００９年５月１０日开机，２００９年 ３＿２冻结深度据检查孔资料，地表下０～８．５ｍ为表土层；８．５～５６０ｍ ５月１４日对井内水位监测。７月８ １３至７月１４ １３井筒水位每天有规 大部分由砂岩、砂砾岩及砾岩组成；５６０～５６４ｍ为煤层。煤层含水量较 律上升８ｍｍ，说明整个冻结壁已经交圈，２００９年７月１５ １３开始试抽 小且硬度高，可视为稳定的不透水基岩。根据《矿山井巷工程施工及验 水（１ｍ／ｄ）７月２７ １３正式抽水，９月２１ １３抽水完毕，开始破４８３米处止 收规范》规定（冻结深度必须深入不透水的稳定基岩１０ｍ以上），结合 浆垫，并掘进，采用短掘砌混合作业施工方式，最大段高３．７ｍ。２０１０年 实际地质情况．确定风井井筒冻结深度为５７９ｍ。 １月８ １３，掘进到底，深度为５７４．５ｍ，接着进行井筒二次套壁。整个掘 ３＿３冻结壁设计风井井筒冻结地层大部分为岩层；由于岩石强度 进期间，冻结壁的强度、温度和厚度都达到了设计要求，没有出现断 较高．且井筒已施工到４８０多米深，因此冻结的目的主要是封水。 管、盐水渗露、井壁开裂、井筒底鼓等影响井筒掘进施工安全的因素。 ３＿３．１ 地压计算 采用水土悬浮公式：Ｐ＝０．０１３Ｈ（ＭＰａ），为安全期间 ４．２监测系统情况全方位多角度的立体式动态监测分析：（１）冻结 控制层深度Ｈ均取最大表土深度，即风井５７９ｍ，Ｐ＝７．５２７ＭＰａ。 孔施工过程监测：（２）冻结制冷系统运转指标监测；（３）监测冻结器工作 ３＿３．２冻结壁厚度计算冻结壁的主要作用是封水，荷载由冻结壁和 状态及其热负荷，对数据统计分析，及时发现和处理出现的问题，确保 外部岩体来共同承担，设计风井冻结壁厚度为３．２ｍ。 冻结器工作正常；（４）井筒水位观测；（５）井帮温度及位移监测；（６）盐水流 ３．４冻结孔布置 ３．４．１冻结孔偏斜率量、盐水温度监测；（７）盐水漏失报警。 根据规范要求及实际地质情况，要求冻结孔按 靶域施工．靶域不大于８００ｒａｍ，向井心不大于５００ｍｍ。冻结孔最大孔 ５井壁破损原因探讨、分析 问距３米。 ３．４．２冻结孔布置圈径随着抽水的进行，风井井壁自２００９年７月２３ １３开始出现裂缝， 井简净直径６．０ｍ，掘砌荒径８．０ｍ，冻结孔布 裂缝随后逐渐变大，较严重的部位，出现表层井壁剥落的现象。分析其 置圈径Ｄ＝Ｄ荒＋２．３ｘ２＝１２．６ｍ。 可能原因主要有以下几方面： ３．４．３冻结孔个数从冻结时间、钻孔工程量、冻结装机容量、工程造 ５．１ 由于井壁施工时存在淋水现象，浇筑的混凝土（下转第３６０页） 价等几方面综合考虑，在保证安全的前提下选择开孔间距１．４１３ｍ，确 ２０１０年第７期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｏ环保论坛。 科技信．１｜ 物链是指动物体吞食含有微量残留农药的作物或生物后，农药在生物 在牧场区内或粪池内。粪尿产生的恶臭性气体，释放于空气中。粪尿中 体问进行转移的现象。生物富集是指生物体从生活环境中不断吸取低 的部分水自然流到低凹处，形成臭水塘，或经雨水冲刷排人河流。污水 剂量的农药，并逐渐在其体内进行累积浓缩，使体内的农药含量越来 中含大量腐败性有机物，在细菌作用下，大量消耗水中的氧，水体变成 越高。生物富集和食物链连锁反应可使农药残留浓度提高几十倍，甚 厌氧分解，使水体变黑变臭。自然堆放的畜禽类便除使堆放场所空气 至几十万倍。由于生物对农药有积累、浓缩、富集作用，虽然大多数农 恶臭以外，并招致蚊蝇的孳生。据有关资料记载，牧场污染水中含大量 药在环境中能逐渐分解成无毒的化合物．但有的农药化学物质稳定． 病原微生物。１毫升牧场污水中有３３万个大肠杆菌，６９万个肠球菌． 能较长期的残留在作物或土壤中，有的农药能代谢为更毒或致癌的化 １７５０个产气菜膜杆菌、伤寒、鼻疽．布氏杆菌等致病菌。病菌在粪水中 合物，如杀虫脒水解产生四氯磷甲苯胺，代森锌代谢为乙撑硫脲，直到 存活期一般较长，成为疾病的传染源。 农产品收获时还会有残留的农药及其有毒代谢物。若人类长期食用这 ４＿３秸秆燃烧污染大气。 些体内农药含量很高的粮食、肉、禽、蔬菜，也会使有毒物质在人体内 由于农村经济的发展，秸秆已不是主要燃料，而农业连年丰收，秸 富集。美国禁止使用有毒农药ＤＤＴ已经２Ｏ多年，但还能在今天的青 秆越来越多，但其综合利用滞后，秸秆相对过剩。另外。由于复种指数 年、孕妇的乳汁中检验出ＤＤＴ的成份，这便是农药在生物体富集的恶 提高，农民为抢农时不得不就地燃烧秸秆。过度施用化肥使土壤中有 果。由此可见，即使自然界存在的农药极其微量，但因人类处在食物链 机质不断下降．而大量焚烧秸秆又使大量的有机养分以气体的形式失 末端，农药对人类的健康具有很大的威胁性。 散到大气中，既造成了空气的污染，又造成了宝贵资源的严重浪费。我 ４其他环境污染 国目前年产秸秆约６．５亿ｔ，还田的只有１亿多ｔ．还田面积只占全国 耕地面积的１／３，像农业大省河南，每年几乎有一半的秸秆被烧掉。 ４．１水田中产生的甲烷污染大气。 总之，农业污染已经成为我国不可忽视的环境问题之一。“民以食 水田、沼泽地、低湿地及土壤中草木腐烂，经微生物活动可以产生 为天”，农业环境问题不仅是关系到人们的生存大计；同时，农业环境 甲烷。据研究计算，在释放进大气中的甲烷当中 来源于水田的约占 问题的实质也是农村发展问题．关系着农村发展的全面协调和可持续 １４～３９％。此外，施用无机肥也污染大气。据日本农业环境技术研究所的 性，关系着全面建设小康社会的大局。因此，保护和治理农业环境，是 研究，一氧化二氮是由土壤中微生物的活动而生成，通过无机氮肥的施 当前我们发展农业要解决的首要问题，必须引起人们的重视。因此，无 用以及有机废弃物的燃烧而释放出来。一氧化二氮释放量根据土壤及 论是从人类的生存还是从经济发展的角度来看，解决农业污染对我们 作物的种类及施肥管理的好坏而异，但是施肥中的氮大致有０．０１％变 而言都已经成为了迫在眉睫的问题。尽管解决农业环境污染问题，是 成一氧化二氮释放进大气之中，污染了大气。 个复杂的系统工程，任重而道远，不是一朝一夕能实现的，但只要我们 ４．２农业废弃物也会对大气和生态平衡造成危害。 共同努力，着眼环保、着眼健康、着眼生命，我们的目标就一定能实现。 我国农业废弃物资源是十分丰富的。但是近年来农业有机肥的利 用率不高，据调查目前上海市郊区有２５％的畜禽粪便未被利用，堆放 ［责任编辑：王静】 （上接第３４４页）中的水泥被淋水带走，剩下沙子、石子等粗骨料，胶结 ６．３对于已有井壁出现的破损问题，可以通过加大冻结圈径、在冻结 程度不好，存在孔隙，没有到达设计强度，且有部分水存在孔隙中，水 圈内布置泄压孔来减小冻结对现有井壁的影响。 结冰后体积发生膨胀，井壁开始出现裂缝： ６．４整个冻结过程中，采用信息化施工，密切关注井筒内水位、测温 ５．２由于井筒内有大量水存在，在冻结条件下，内外温差较大，井壁 孔、盐水温度等情况．并对冻结壁发展情况进行推算，确定抽水、开挖 内产生温度应力： 时间。 ５＿３由于地层中某些部分含水较丰富，采用冻结法施工，随着其中的 水冻结成冰产生冻胀，对井壁产生压力．导致井壁开裂： 【参考文献】 ５．４井壁结构在设计阶段是按照常规施工方法的井壁结构进行设计 ［１］吕强．立井井筒基岩冻结施工实践．建井技术，２００７，２８（３）：６－８． 的，由于地质条件的变化，施工方法改为冻结法，对原来的井壁也带来 了一定程度的影响。 作者简介：朱邦永（１９８４），男，在读硕士生，现主要从事人工地层冻结方 面的研究Ｉ作 ６结语 盛小飞（１９８２一），男，助理工程师，２００６年毕业于山东师范大学，现从事人 Ｉ地层冻结工程施Ｉ及设计工作 ６．１ 由于冻结过程中井筒内存在积水，带走一部分冷量，延长了冻结 褚衍坡（１９８４一），男，在读硕士生，现主要从事人Ｉ地层冻结方面的研究Ｉ 壁交圈时间。 作 ６．２井筒内积水应按一定的规律缓慢抽出．防止由于井筒抽水过快 导致井筒内泄压过快，破坏原有的应力平衡状态，对井壁产生不良影 ［责任编辑：翟成梁］ 响。 （上接第３６３页）５结语 １９８４．２３：６０—６４． ［３］ＬＩＴＩ￣ＯＨＮ Ｄ．ＣＨＡＮＧ Ｓ Ｇ．Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｒｒｏｕｓ ｃｈｅｌａｔｅ ｎｉｔｒｏｓｙｌ ｃｏｍｐｌｅｘｅｓ 近年来．微波化学异军突起．新技术、新成果不断涌现。已有在催 ｗｉｔｈ ＳＵｍｔｅ ａｎｄ ｂｉｓｕｌｉｆｔｅ ｉｏｎｓ【ＪＪ．Ｉｎｄ Ｅｎｇ Ｃｈｅｍ Ｒｅｓ，１９９０，２９：１０—１４． 化剂作用下直接用碳在微波场中还原ＮＯ的报道，因此，这也可能是 ［４］ＬＩＴｌｑ￣ＪＯＨＮ Ｄ．ＣＨＡＮＧ Ｓ Ｇ．Ｕｓｅ ｏｆ ｆｅＩＴＯＵＳ ｃｈｅｌａｔｅｓ ｏｆ ｓｈ－ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ａｍｉｎｏ 今后研发的方向：随着生物科学的发展，一些生物技术在环保领域中 ａｃｉｄｓ ａｎｄ ｐｅｐｔｉｄｅｓｆｏｒｔｈｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆＮ ｏｌ ａｎｄ Ｓｏ２ｆｒｏｍｆｌｕｅ ｇａｓＩＪＪ．Ｉｎｄ Ｅｎｇ ｃｈｅ朋 也逐步得到了应用。采用生物方法来治理ＮＯ 也将是今后研究的重要 Ｒｅｓ，１９８８，２７：２１５６—２１６１． 课题之一；如果无氮燃烧技术获得成功，那将会从根本上根除ＳＯｘ和 ［５］马乐凡，童志权，李钦武．亚铁螯合剂液相脱除烟气中ＮＯ。明．环境污染治理 ＮＯ 。相信随着ＮＯ 的排污收费以及脱硝工艺技术的成熟，我国脱硝 技术与设备，２００４，５（８）：６７—７１． 工业将进入一个崭新的发展时期。 ［６］ＳＨＩ Ｙ，ＬＩＴＦＬＥＪＯＨＮ Ｄ．Ｒｅｍｏ￣ｒｌａ ｏｆ Ｎｉｔｒｉｃ Ｏｘｉｄｅ ｆｒｏｍ ｎｕｅ Ｇａｓ ｗｉｔｈ Ｉｒｏｎ Ｔｈｉｏｃｈｅｌａｔｅ Ａｑｕｅｏｕｓ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ Ｃｏｎｔａｃｔ Ａｂｓｏｒｂｅｒ【ＪＪ．Ｅｖｉｍｎ Ｐｒｏｇｒ， 【参考文献】 １９９６（３）：１５３—１５８． ［１］张琳，张秀玲，代斌，等．催化脱除大气污染物ＮＯｘ研究进展ＩＪＪ．低温与特气， 作者简介：高洁，女，硕士，主要从事大气污染与控制的研究。 ２０００，ｌ８（４】：７－１０． ［２］ＳＡＤＡ Ｅ，ＫＵＭＡＺＡＷＡ Ｈ．Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅａｃｔｉｏｎ ａｃｃｏｍｐａｎｙｉｎｇ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ＮＯ ｉｎ ａｑｕｅｏｕｓ ｍｉｘｅｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｉｒｅ ￣ＥＤＴＡ ａｎｄ Ｎａ２ＳＯ３［Ｊ１ｌＩｎｄ Ｅｎｇ Ｃｈｅｍ Ｆｕｎｄａｍ， ［责任编辑：张慧］