中煤华晋集团晋城能源有限公司 山西晋城 048000
摘要：斜井冻结一般采用分段冻结，根据掘进速度，在合适的时间提前开冻下一个冻结段，达到满足井筒连续掘进的要求。本文通过对里必矿井主斜井第一段进行优化及开冻时间调整，达到井筒提前开挖及安全连续掘进的目的，为以后斜井冻结提供了新的思路。
关键词：斜井冻结；提前开挖；明槽段；最大孔间距；
1.工程概况
里必煤矿隶属于中煤华晋集团晋城能源有限公司，工程位于晋城市沁水县东部约7km处，行政区划为沁水县龙港镇的马邑-里必-郑庄镇陈家南-小老君一带，行政隶属沁水县龙港镇管辖。
主斜井冻结工程由河南煤炭建设集团有限责任公司（以下简称河南煤建）承建，并编制施工组织设计。主斜井井筒冻结钻孔施工于2013年10月份开始，2014年7月份施工完成后因故停工。2016年9月国投煤炭公司煤炭板块整体划归中煤集团，2018年10月河南煤建退出里必煤矿主斜井冻结工程项目施工。2019年1月份里必煤矿又进行邀请招标，由中煤邯郸特殊凿井有限公司中标承揽了该项工程，主斜井冻结站安装LG25L250/20S220-YZ型冷冻机6套，总装机容量1038万kcal/h。
2.井筒概况
里必矿井主斜井井心坐标：X=3952626.852m，Y=37616706.220m，Z=+769.00m，井筒倾角16°，井筒斜长1770.807m，井筒水平长1703.289m，井筒采用局部冻结法施工，井筒技术参数见表1：
表1 主斜井井筒技术参数表
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3、设计优化情况
（1）明槽段钻孔设计优化：
原设计第1、2段采取全断面冻结，第一段最大斜距3.73m，最大边排距2.4m，计算开冻至开挖需冻结75天。为保证井筒明转暗开挖的安全顺利施工。在原设计第1段钻孔基础上，以进入地表3m划分为明槽段，水平距离为16.006m，斜长为16.651m，另施工封头孔、封尾孔及两侧孔，以确保明槽段开挖的安全。
1）冻结孔：距离原外排孔1m，两侧各布置1排，每侧11个孔，孔间距1.601m，孔深超过井筒荒底9m，孔深13.34~17.93m，共22个孔。
2）封头/封尾孔：在端头和进入地表3m位置，在原有冻结孔孔间距较大处各增设4个冻结孔，1-F1~F4孔深10m，1-F5~F8孔深14m。
3）测温孔：冻结孔两侧各布置1个测温孔，距离冻结孔1.3m，孔深均为14.748m。
4）明槽冻结段共增加30个冻结孔、2个测温孔，冻结孔工程量439.970m，钻孔工程量469.466m。。
优化前后冻结孔示意图如下（黑色为补打冻结孔）：
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（2）开冻方式优化
原钻孔设计情况：
经冻结孔偏斜检测、复测，终孔偏斜检测，原设计施工的部分冻结孔大于设计最大孔间距，详细如下：
第I段：终孔大于设计最大孔间距75个，边排终孔最大孔间距为2534mm，中排终孔最大孔间距为3296mm，斜距（排间相邻孔间距）终孔最大孔间距为4013mm；
第II段：终孔大于设计最大孔间距72个，边排终孔最大孔间距为3028mm，中排终孔最大孔间距为3646mm，斜距（排间相邻孔间距）终孔最大孔间距为4529mm；
第III段：终孔大于设计最大孔间距10个，边排终孔最大孔间距为4110mm，防导水孔超过设计终孔最大孔间距4个，其中最大空间距为4636mm，封尾孔最大空间距为2885mm；
第IV段：终孔大于设计最大孔间距10个，边排终孔最大孔间距为3053mm，封尾孔最大空间距为3129mm。主斜井冻结孔终孔偏斜最大孔间距统计（部分），见表2：
优化解决方式：
因为第二段之后的盐水循环系统尚未形成，可能采取的优化措施，一是在最大孔间距处重新施工补孔，二是铺设简易单独盐水循环系统，对孔间距较大的第二段冻结孔进行提前开冻（因施工工期，第三段、第四段孔间距较大的冻结孔提前开冻时，主盐水系统已形成，可用阀门控制提前开冻）。
对比施工工期及经济效益，现场第二种优化方式，采取铺设单独循环管路对孔间距较大的冻结孔进行延长冻结时间的方式，弥补各冻结段局部最大孔间距大造成冻结交圈滞后问题。
提前开冻时间确定：
1）第2段：中排最大孔间距4.530m，冻结73天交圈（4530mm÷31mm/d÷2=73天），中排较大孔间距3.888m，冻结62天交圈（3888mm÷31mm/d÷2=62天）；边排最大孔间距3.4m，冻结80天交圈（3400mm÷21mm/d÷2=80天），较大孔间距2.53m，冻结72天交圈（2530mm÷21mm/d÷2=60天），第2段开冻至试挖75天。对中排孔间距超过3.888m和边排孔间距超过2.5m附近冻结孔提前20天开冻。
2）第3段：最大孔间距为3.08m，冻结73天交圈（3.08mm÷21mm/d÷2=73天）。考虑较大孔间距2.65m，冻结63天交圈（2650mm÷21mm/d÷2=63天），第3段开冻至试挖75天，对孔间距超过2.65m的附近冻结孔提前20天开冻。
3）第4段：最大孔间距为3.130m，冻结75天交圈（3130mm÷21mm/d÷2=75天）。考虑较大孔间距2.68m，冻结64天交圈（2680mm÷21mm/d÷2=64天），第4段开冻至试挖75天。对孔间距超过2.680m的附近冻结孔提前20天开冻。
表2 主斜井冻结孔终孔偏斜最大孔间距统计表（部分）
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明槽段与第1段同时冻结；第2、3、4冻结孔最大孔间距处附近的67个冻结孔，铺设单独盐水循环系统，较该段正常开冻时间提前20天进行盐水循环，其中第2段41个冻结孔，第3段10个冻结孔，第4段18个冻结孔，共计69个冻结孔须提前进行盐水循环，具体提前开冻的冻结孔编号详见表3：
表3 冻结孔孔号汇总表
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4.优化效果
（1）通过对明槽段钻孔设设计进行优化，将原设计第一冻结段划出明槽冻结段后，剩余部分作为第一冻结段，全断面冻结段中排孔冻土发展速度一般为31 mm/d左右，边排孔发展速度一般为21mm/d左右。
根据各段最大孔间距，依据公式τ=L/2V计算冻结交圈时间。
式中τ——冻结交圈时间/d，L——最大孔间距/mm，V——冻土发展速度/mm/d。
冻结壁交圈后，需再冻结7~10天左右，冻结壁厚度和强度达到设计要求开挖，明槽段交圈及开挖时间计算如下：中排最大孔间距为3.311m，冻结53天交圈（3311mm÷31mm/d÷2=53天）；边排最大孔间距为1960mm，冻结47天交圈（1960mm÷21mm/d÷2=47天），明槽段开冻至试挖55天。
（2）通过开冻方式优化，在第二段之后的盐水干管尚未安装的情况下，实现了对孔间距较大的冻结孔的提前冻结，解决了因孔间距大而影响该段整段冻结时间的难题，确保了井筒掘进的安全连续施工。
主斜井于2019年4月1日开始冻结，冻结55天后进行试挖，安全通过明槽段及后续冻结段，事实证明优化非常成功，现将优点总结如下：
1）缩短了井筒建设工期，较原设计提前20天开挖。
2）提高了明挖段冻结壁厚度和强度，有效预防了明挖期间的冻结壁倾覆。
3）减低了施工成本，采用该优化方案，投入各类费用共计22.1万元，积极冻结期，冷冻机全部满负荷运转，6套机组每天耗电10800KWh，电费单价按0.7元/kwh计算，20天冷冻机运转电费约90.7万元。极大的降低了施工成本。
4）通过对开冻方式的调整优化，解决了部分孔间距较大对整个施工工期的影响问题。
参考文献：
[1]《里必煤矿主斜井、副立井井筒检查孔地质报告》（2018.08）；
[2]煤矿安全规程》2016；
[3]《矿山斜井冻结法施工及质量验收标准》2018；
[4]《杨村煤矿副井超深冻结孔施工技术》-科技创新导报2011年12期，作者：韩文镇
作者简介：
韩文镇，1984.03，采矿工程师，现任中煤华晋集团晋城能源有限公司安全管理部经理。