矿井冻结法施工常见事故分析及预防措施

摘要：矿井冻结法施工是一种利用氨循环制冷技术，通过在含水土层中钻孔并引入盐水，实现土层冻结，以隔绝地下水并增强地层稳定性的方法。这种技术通过冷却土体，使水结冰形成冻土，从而提高土体的可塑性和抵抗地压、水压的能力。矿井冻结法施工不仅提高了开挖作业的安全性和效率，还具备环保优势，减少了对环境的影响，适用于煤矿和城市地下通道等工程。

关键词： 矿井冻结法， 氨循环制冷， 土层冻结， 环保施工

引言

矿井冻结法施工是一种重要的地下工程技术，广泛应用于煤矿井筒开挖和城市地下通道建设中。其核心原理是利用氨循环制冷技术在含水土层中形成冻结壁，以隔绝水源并增强地层的稳定性。这一方法不仅提高了施工的安全性和效率，也在环保方面表现突出，成为现代地下工程施工中不可或缺的技术之一。

一、矿井冻结法施工基本原理

矿井冻结法施工是利用传统的氨循环制冷技术完成的。在井筒开挖之前，在欲开挖周边的含水土层内进行钻孔并下放钢管，在钢管中导入可循环流动的盐水来吸收地热，在土层中的水被冷却至摄氏零度以下时开始结冰，而后逐渐冻结周边的地层而形成坚硬的冻土，隔绝地下水与井筒之间的联系，并起到抵抗地压、水压的作用，从而增强地层的稳定性和土体的可塑性。矿井冻结施工的制冷站由氨、冷却水和盐水三大循环系统构成，由此制冷三大循环组成热泵。其中氨循环起主导作用，盐水循环负责吸收土层热量，氨在盐水槽中蒸发吸收盐水的热量，冷却水则吸收氨的热量，利用氨的气液转换将地热传递给冷却水，再由水循环系统排向大气。如此循环往复，使土体逐渐降温形成冻结圈。

二、矿井冻结法施工的优势

冻结法施工是一种环保型工法，在煤矿井筒开挖和城市地下通道建设工程中，将待施工区域周围地下含水土层或是含有松散碎石的岩层冻结，提高土层结构的稳定性和可塑性，同时形成冻结壁以抵抗地压冲击和防止地下水涌入，从而为施工提供有利的地质条件，保证井筒构造的安全稳定，保障安全施工。冻结法井筒施工具有对土质适应性强、防水隔水性能好、支护方式灵活、施工过程易于控制以及对周围环境无任何污染等诸多优点，尤其是在特殊土层，如含水基岩、流变质土层等不稳定厚表土层施工中的应用，更能显示出其特有的优势。

三、矿井冻结法施工常见事故分析

矿井冻结法施工常见事故主要有冻结钻孔施工卡钻、埋钻，冻结管断裂和透水淹井三类。

1.冻结钻孔施工卡钻、埋钻

卡钻、埋钻是冻结法钻孔施工过程中的常见事故，卡钻发生的原因主要有地层不稳定、有探头石和缩径现象、孔内掉入异物等，其事故征兆为钻具提升回转阻力大，蹩车或者有蹩泵现象；而埋钻事故发生的原因有泥浆质量差、泵量太小、孔内积累大量岩粉，孔壁坍塌脱落，停泵时间长钻具没有提至安全地带、岩粉沉淀等，其事故征兆为钻下不到底，提升回转有蹩车现象，严重蹩泵，孔口不能返浆。

2.冻结管断裂

冻结管断裂往往首先发生在靠近井帮处，且大多数向井内偏斜。究其事故原因主要有三大类：一是当深度超过150米时遇到厚黏土，我们需要采用分段冻结或差异冻结法，特别容易引起冻结壁或已砌井壁发生较大位移，致使冻结孔因变形挤压断裂；二是钻孔及冻结管材质或焊接箍和丝扣接箍产品质量差引起的冻结管断裂；三是爆破震动过大致使冻结管在基岩中发生断裂。

3.透水淹井

冻结段施工过程中，出现冻结壁未冻窗口透水、掘进工作面透水、冻结壁局部破裂处透水和冻结壁局部融化窗口透水，严重的会造成淹井事故。透水原因：一是冻结施工设计不合理；二是冻结钻孔质量不过关；三是冻掘施工配合不到位。

四、冻结法施工卡钻、埋钻事故的处理

1.冻结法钻孔施工中的卡钻事故处理

松散地层钻进极易形成“螺旋体”孔壁而造成卡钻，处理方法是：先迫使钻具降至钻孔钻进原来位置，然后边回转钻具，边上提钻杆。当因缩孔造成卡钻时，立即打反转缓慢地将钻具提出。当卡钻较严重时，可先提打吊锤，振动钻具使其松动。别无选择时只好用倒扣套钻或爆破处理。

2.冻结法钻孔施工中的埋钻事故处理

发生埋钻后首先要加大泥浆的黏度和密度，下套管护住孔壁后再处理事故。可先用钻机卷扬或多轮滑车组强行提拉钻具，如不奏效，可先启动空压机、泥浆泵、抽筒等清除上部沉淀物后再行提拉。

五、冻结管断裂预防措施

1.冻结管断裂的设计预防

当探明深部主要为厚黏土特别是钙质黏土或铝质黏土层时，冻结施工设计尽量不用分段分期或分段局部冻结法；在稳定性较差的第三纪冲积层或第四纪冲积层，冻结施工设计尽量不用差异冻结；在采用双圈冻结管时，设计的辅助冻结管不要距井帮太近。

2.提高冻结钻孔施工质量

提高钻孔时的工程质量，避免钻孔偏斜和突然弯曲，一旦发现偏斜要及时纠正，同时确保终孔间距不大于设计值。冻结管焊接要严格遵守冻结管安装操作规程，下放前要在地面做好管接头的抗滑力和耐压力试验，确保冻结管丝扣接箍的密封性和抗滑力或焊接箍的焊接质量。

3.防止盐水温差过大

制冷冻结初期盐水应缓慢降温，冻结运转要加强冻结孔去、回路盐水温度检测，防止盐水在某部位形成短路而削弱下部冻结壁。六、透水淹井预防措施冻结段施工过程应根据地层特性，制定安全可靠和经济合理的冻结方案。为了防止透水淹井事故的发生，一是要选用专用钻机并严格执行钻机安全操作规程。二是当发生成孔偏斜时，要在合适位置补充孔的数量，确保终孔间距不大于设计值。三是确保制冷冻结系统运转正常，严控不同冻结期的盐水温度和流量。四是严格控制超挖，确保冻结壁有效厚度和强度。五是井筒掘砌时严格控制掘进段高，加快掘砌速度，缩短井帮暴露时间，确保冻结壁的位移值小于设计值，掘砌完成后严格掌握停冻时间。

七、冻结法施工的综合安全管理

1.落实并行工程安全责任

认真贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的方针，让员工对施工组织设计文件中的“安全篇”的内容牢固掌握，对各安全要素熟知在胸，按照并行工程理论在安全要素上的应用，制订规范周密的安全管理制度和安全责任制，结成互联互保对子，明确各自的安全责任。

2.落实“三位一体”体系

建设突出抓好安全风险评估、隐患排查治理、安全生产标准化“三位一体”体系建设，强化现场管理、重大风险管控，对各自在施工过程中可能发生的危害情况进行充分预测，为施工人员提供完好的劳动保护用品和安全防护设施，让安全工作中的危险预知、超前防范与应急救援预案并行前行。科学组织施工生产，努力实现本质安全。

八、结束语

综上所述，矿井冻结法施工通过科学的冷却技术，有效地实现了对地下水的隔绝和土层的加固，确保了施工过程的安全与稳定。同时，其环保特性也使得这一方法在地下工程中越来越受到重视。未来，随着技术的不断进步和应用范围的扩展，矿井冻结法将发挥更大的作用，为地下工程施工提供更安全、高效的解决方案。

参考文献

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