——国内第一个软岩冻结深井施工纪实

汪 鹏

2007年9月26日，55岁的安徽淮北人张世顺，背着背包从徐州坐火车直奔大西北，来到陕西省长武县冉店乡，在黄土高原一个普通的山沟里，负责打钻施工，这是胡家河煤矿正式建设的第一道工序。

胡家河煤矿是国家“十一五”重点工程，总投资30亿元，是当时陕西省最深最大的立井。矿井由主井、副井和风井3个立井组成，其中，主井施工最大的直径在9米以上，均属超大断面施工，矿井瓦斯含量居全省煤矿之最；设计年产1100万吨煤炭，矿井深568米，采用基岩全井筒冻结法施工，当时在全国尚属首例。

一

“冻结施工”是利用人工制冷技术使地下水结冰稳固，然后从中挖掘建井的一种施工工法。

资料显示，我国自1955年首次使用冻结法凿井以来，已累计建造了700多个立井，总延米达到150千米，成为世界上应用冻结法凿井最多的国家。该项技术在我国中东部深厚表土层中广泛应用，技术和理论都很成熟，但是在西部软岩地层应用，胡家河煤矿建设还是第一次。

“过去常用的方法基本上已不适用，当时，软岩冻结的理论研究处于空白状态。”我国知名冻结专家、中煤特凿总工程师王宗金介绍。同时，他提出了软岩冻结施工几个亟待解决的难题，“低温岩石力学研究、温度场分布研究、软岩冻土强度和稳定性检验等技术在国内都是空白。”

“虽然有所准备，但是遇到施工难题时，还是有些措手不及。”冻结工程处胡家河项目部经理林桂皖说。

“2007年11月3日，我们9台钻机相继开钻，几个小时后，钻孔全部漏浆。”张世顺回想起当天施工的情况时说，“进尺慢、断钻杆、卡钻具、掉钻头、难纠偏等问题接踵而至，1台钻机12小时只能钻进几米，多台钻机被迫停钻。”

为此，冻结工程处及时会同西安科技大学、煤炭设计研究院西安分院等单位的专家开展联合攻关。杨更社教授是西安科技大学省级博士点重点学科——岩土工程学科带头人，他提出：“软岩在没有水时稳定性较好，强度也较高，但是遇水就像泥一样软化甚至溶解。”

与此同时，张世顺等施工人员制订了针对软岩特征的施工方案：调整钻杆和钻头配备，跟踪测量，及时纠正偏斜；采用大比重优质化学泥浆，保护施工孔壁，防止软岩溶解、砂岩缩颈导致的塌孔和砾石层掉块导致的卡钻，也避免了多含水层之间串水扰动地层带来的打钻困难。

钻孔打成以后要及时下放冻结管，冻结管下放成功后还要使用水泥把泥浆置换出来，使冻结管与孔壁之间的环形孔间得以充分充填。

“国外矿井出现过因环形孔间涌水高达200立方米/小时而停产的悲剧。”林桂皖告诉施工人员。

二

2008年初，在黑河河滩雪地里，建起了一座由14组机组组成的大型现代化冷冻站。

“打钻难题攻克后，更多的冻结施工难题开始出现。”项目部技术负责人彭承说，“水、煤层瓦斯和高温是3只最大的‘拦路虎’。”

“首先是水，该地区地下水资源非常丰富，共有13个含水层，每个含水层单层涌水量就达1500立方米/小时，总涌水量每小时上万立方米。”

地下水流速达到一天20米，“一般情况下，地下水流速达到一天6米以上就严重影响冻结效果了。”彭承说道，“可以想象冻结难度有多大了。”

本来强度就不高的井筒围岩，因水浸泡会更软，使施工难度倍增，冻结效果会相应变差。

“其次，井筒要穿越一段20多米厚的煤层，煤层自身强度较低，且含水率小，传热系数小，不易结冰冻结。”

煤层里赋存着大量的水和瓦斯等成分，特别是瓦斯绝对涌出量达到61立方米/分钟，在陕西省煤矿中是最高的。

“瓦斯在地下和煤共生了几亿年，释放时容易发生爆炸的危险。在这种情况下，只有强化冻结，使冻结帷幕密封性能增强，才能确保安全施工。”

高温是冻结的天敌，而该处的地层地温将近40摄氏度。“井底坐落在软泥岩上，由于地层地温高，为了防止井筒掘进到底时不出现井底涌水，部分冻结孔在设计要求的基础上又延伸了6米，以确保井筒施工安全。”

优质的冻结效果创造了良好的掘进环境，当年主井井筒施工创造了全国特大断面全深冻结井筒月进120米的施工纪录。

三

在施工进展的同时，中煤特凿公司联合了西安科技大学、煤炭设计研究院西安分院等单位开展了《深厚富水软岩井筒冻结关键技术研究》，利用冻土工程国家重点实验室设备完成了项目中的部分试验，使该工程成为集施工生产和科研试验于一体的项目。

“特别是采用了先进的温度传感器，掌握了每根冻结管的工作状况，以便及时采取措施，确保冻结壁得以均衡发展。”王宗金表示，“我们还采用了新型压力传感器，对冻结过程中不同位置、不同深度、不同土层的冻结壁内部压力进行现场实测研究，这些都为深厚岩层井筒冻结设计和施工提供了科学依据。”

2012年2月6日，国家一级科技查新单位——安徽省科学技术情报研究所给出了结论：“该项目的成功实施，不仅能够确保胡家河煤矿冻结方案安全可靠、技术经济合理，还将开创我国深井全软岩冻结工程的先河。”

2012年，《胡家河矿井560米深厚软岩层全深冻结凿井技术攻关与快速施工》项目获得中国煤炭工业协会科学技术成果二等奖，获得国家能源科学技术进步奖二等奖。

中国煤炭建设协会会长安和人2012年4月到胡家河矿视察，非常感慨地说：“胡家河矿建设的成功，标志着我国井工矿井建设已经达到了世界领先水平，为我国以后建设同类型矿井提供了成功的经验。”

此外，该工程还实现了较高的经济效益和社会效益。中煤特凿冻结工程处陆续承建了胡家河煤矿主井、副井、风井冻结工程，孟村煤矿主井、风井冻结工程。

2012年8月10日，孟村煤矿风井冻结施工的冷冻机停止运转，标志着在该矿区的冻结施工圆满结束。

“前后5年，我参与了5个井筒的建设。”林桂皖谈起这几年很是自豪。而令冻结工程处自豪的是，在胡家河矿区方圆百里内，他们负责承揽了核桃峪风井、高家堡风井等10余个项目，工程累计造价近7亿元。

“这都得益于冻结工程处在胡家河项目中的出色表现。”林桂皖道出了“干一项工程、拓一方市场”的原因。

四

5年后，张世顺已经60岁了，他在退休之前又去了一趟胡家河，这次从淮北坐汽车只用了8个多小时，福银高速直达矿区。

远远望去，矿区附近黑河上的大桥如游龙一般，气势恢宏，桥的西边一座亚洲最大的火电厂已经建成，桥的东边有3座高大壮观的井架。

“5年间，这条山沟里发生了翻天覆地的变化，在矿井建设中，我们攻克了最大的施工难题，有特殊凿井队伍付出的艰辛。”张世顺在一篇工作日记中这样写到。□