矿井冻结壁破裂原因分析及管理对策

矿井冻结壁破裂原因分析及管理对策

白  乐

（中煤陕西中安项目管理有限责任公司，陕西  西安710000）

内容摘要：立井冻结法凿井技术在我国经60多年实践，目前该技术应用已经成熟。井筒冻结壁会因提前开挖、未完全交圈等冻结技术应用与判断错误出现涌水、透水等事故。现就以某煤矿副立井冻结壁破裂为例进行原因分析及采取的相应管理对策进行论述。

某煤矿副立井设计冻结壁58d交圈，积极冻结期153d。施组设计为58d开挖，实际27d开挖，掘砌至80m处出现了冻结壁破裂出水无法正常掘砌。

关键词：冻结交圈  冒水   环型空间   掘砌

一  原因分析

（一）直接原因

1 井筒按施组设计提前31d开挖

施组设计为58d开挖，实际27d开挖，较施组设计少冻结31d，冻结时间减少一半以上。

2 冻结壁处于未交圈/薄弱交圈状态提前开挖掘砌

开机57d井筒出水，此时外壁已掘砌至-80m处，按施组设计4m/d计算需要冻结78d，少冻结21d，冻结壁处于未交圈/薄弱交圈状态，提前挖到-80m，水压击破未交圈/薄弱交圈冻结壁出水。

（二）间接原因

水文孔被堵，孔内冻胀水可能返流，减缓冻结壁发展。

二  管理对策

（一）应高度关注冻结造孔与下冻结管施工质量问题

1 关于冻结造孔偏斜率

规范要求冻结造孔允许的偏斜率随着冻结深度的加大其有效性正在逐渐降低，该案例其中一个冻结孔附近出水，即该冻结孔成孔偏斜率与相邻钻孔偏斜率之间的相对空间曲线出现了较大的空间距离，致使同样冻结参数与时间上该冻结孔附近冻结壁处于未交圈/薄弱交圈状态而出水。

笔者曾经向有关冻结施工单位建议：按已有各冻结成孔陀螺测斜仪测斜成果曲线，组成一个BIM模型，进而按冻结参数预测冻结壁形成的情况的空间模型，直观地分析其是否处于未交圈/薄弱交圈/交圈/冻实交圈状态，进而杜绝本案例的事故发生。

2 关于冻结管管壁厚度与管材质量问题

曾经发生过深度超过500m的冻结管用5mm厚钢管子发生断管事故，也曾经发生过使用前一项冻结工程剩余的冻结管因其锈蚀发生断管事故，还曾发生厂家原因管材质量不达标发生断管事故等等。断管事故处理难度大，费时、费钱、更要重新确定钻孔位置。

所以，一是要大厂家的钢管；二是用新钢管；三是冻结钢管必须用5mm厚以上钢管，确保400m以深用6mm厚以上钢管，800m以深用7mm厚以上钢管。

3 关于深孔冻结造孔机具选择问题

该副立井井筒冻结深度达750m以上，属于深孔冻结，必须选择保证偏斜率小的重型工程钻机造孔，该项目选择了重型2000型以上工程钻机，还是出现了某些冻结孔垂直度不足引起的二孔空间间距过大，造成冻结壁未交圈/薄弱交圈状态。

曾经出现过轻型造孔钻机冻结造孔，钻孔空间距离过大，冻结壁未交圈/薄弱交圈，引起的重大质量事故。

该矿井井筒检查孔施工过程中出现过安定组地层缩径无法拔出管子进行抽水试验的事件，深孔冻结造孔穿越的地层条件多样，软硬不一，所以深孔冻结造孔必须选择重型钻孔。

（二）应确认冻结壁交圈冻实后才能试挖/开挖

1 施工单位试挖前应认真分析冻结壁交圈资料并完整提供

GB/T 51277-2018、煤矿安全规程（2022），要求冻结施工单位必须提供试挖前相关资料，特别是冻结壁交圈图、试挖通知文件。

本案例副立井冻结壁“开天窗”事故就是冻结壁处于未交圈/薄弱交圈状态，未认真分析完整的冻结壁交圈与否，盲目决策提前开挖所致。

2 冻结施工组织设计确定的开挖时间是硬指标，更是强制性条文

冻结施工组织设计确定冻结开挖时间是科学计算结论，冻结时间不到严禁开挖，这是一条硬性指标，是强制性条文决不允许阳奉阴违。

下达试挖通知后，试挖深度15～40m，主要试验有无涌水异常，并安装吊盘；应杜绝建设单位为加快建设进度提前安装吊盘的“试挖”行为，这种行为也是违反规范规定的。

正确履职，按规范保留书面证据，一旦追责，就只认书面证据从不认“习惯”一说。

3 水文孔冒水连续稳定7d是判定冻结壁交圈金标准，应确认后才能试挖/开挖

水文孔冒水连续稳定7d后开挖，是实践总结，水文孔冒水未连续稳定7d严禁开挖。实践表明：井筒水文孔一般都会冒水，不冒水的鲜见，应排查水文孔造孔、下管、堵塞情况。

应连续稳定冒水7d，冻结单位判定冻结壁交圈并出具书面正式意见后，下达试挖通知；本案例管理程序弄反了，也是造成事故原因之一。

开挖越深，水文孔暴露越早冒水越早，实为违反程序，应该先稳定冒水7d，再确定试挖与否。

水文孔冒水连续稳定7d是判定冻结壁交圈与否的金标准，关键在于往往施工、建设单位水文孔一冒水就判定冻结壁已交圈就要求开挖，本案例说明水文孔冒水冻结壁处于刚交圈/薄弱交圈状态，只有水文孔冒水连续稳定7d后冻结壁才能冻实，才满足签发开挖令的条件。

4 以事实为根据，杜绝盲目指挥

本案例建设单位认为：

本副立井井筒冻结以基岩冻结为主，冲积层冻结为辅，出不了大事，顶多是溜点砂、片点帮，不会出现重大质量安全事故。

监理方书面暂停令指出水文孔未连续稳定冒水7d，冻结单位未提交冻结壁冻实正式报告，违反了《矿山立井冻结法施工及质量验收标准》GB/T 51277-2018及《煤矿安全规程（2022）》的规定；建设单位认为监理方经验不如施工方丰富，私下盲目指挥掘砌单位开挖。

本案例说明：建设管理应以事实为根据，杜绝各类盲目指挥，才能杜绝施工事故。

5 实事求是，杜绝盲目赶进度

本案例中建设单位：

资金压力大，为争取银行贷款另加绩效奖励盲目赶进度，绩效奖成为进度直接指挥棒。

正式会议强调“不要抢进度、赶工期”，会后定工期激励办法，按每模循环时间、月度完成量、4条井筒月完成量评比奖惩，形成施工单位相互竞争盲目赶进度局面。

第一次冻结壁破裂出水处理还未获得冻结壁冻实切实证据条件下，要求抽水--再次盲目赶进度，致使冻结壁再次破裂出水。

本案例说明：每一事故背后往往都有绩效考核这根盲目赶进度的指挥棒作怪。

工程实践表明：建设管理必须严格遵循实事求是原则，科学合理安排施工进度，杜绝盲目赶进度；反之，事故必定会自己找上门来的。

6 实践出真知，事故教训形成的经验是十分宝贵的

（1）发现险情应立即启动应急预案

井筒掘砌过程如发现水文观测孔冒水量突然增大、水文孔环形空间涌水、井帮井底出现大量涌水现象，必须立即启动应急预案--停挖、撤人、注水、加强积极冻结。

本副立井处理井筒冻结壁破裂涌水中，注水强化积极冻结15d，建设单位强行要求排水掘砌，造成再次出水事故功亏一篑；究其原因：冻结壁未冻实强行排水掘砌--盲目赶进度。

（2）井筒掘砌必须保护好水文孔

井筒掘砌过程必须做好水文孔保护工作，避免水文孔堵塞造成冻胀水从冻结壁最薄弱处“开天窗”事故。

本副立井排水试验结束后，挖开水文管先喷出大量泥浆，后又从水文管内喷出泥土--证明水文孔有约2m长泥巴堵塞延长管；水文孔长期堵塞是造成此次事故另一重要原因。

（3）观察水文孔环型空间是否出水是验证冻结壁“窗口”关闭与否的主要措施

验证冻结壁“窗口”关闭与否具体措施如下：

①井筒排水后，破除止浆垫前，开挖水文孔周边，观察水文孔环型空间是否出水。

②出水量大于0.2m³/h，应间隔30min测量一次出水量，监测是否有增大趋势。

③如果出水量持续加大或突然增大，应立即向井筒注水至静水位，继续强化冻结。

往复以上步骤，直至观察水文孔环型空间不再出水--证实冻结壁“窗口”已关闭。

（4）各项指标检查正常才能恢复井筒掘砌

①井筒恢复掘砌前，应检查各项指标均正常方可下达书面掘砌令。

②掘砌前期应持续监测水文孔环型空间及井帮、井底是否有出水现象。

实践证明：前期掘砌阶段持续不断监测是杜绝事故再度发生的重要措施之一。

（5）各参建单位均应正确履职提高站位

本副立井井筒冻结壁“开天窗”事故，再到二次冒水事故的发生，冻结、掘砌施工单位回想当初未接受监理方暂停令而后悔不已；加之建设单位拿出监理暂停令拒绝索赔--冻结、掘砌施工单位真是哑巴吃黄连有苦说不出。

事后，各参建单位纷纷表示他们将正确履职提高站位，确保掘砌工序安全作业：

①冻结单位应提交正式交圈、试挖报告

冻结单位应认真分析水文孔冒水等冻结壁交圈结实与否，提交正式交圈、试挖报告。

②试挖令下达前应召开综合分析会议

建设单位或监理单位应在试挖令下达前召开综合分析会议，冻结、掘砌单位应参加会议，并根据井筒围岩情况，提出是否同意试探的具体意见，建设单位应按综合分析会议讨论结论做出是否试挖的意见。

③试挖令下达后掘砌单位应先行短段掘砌

先行短段掘砌可有效验证冻结壁稳定性，持续分析判断围岩稳定性、冒水与否等掌子面实际情况，直至掌子面开挖围岩充分稳定，才能逐渐加大段高正常掘砌。

参考文献：

[1]《矿山立井冻结法施工及质量验收标准》GB/T 51277-2018

[2]《煤矿安全规程》（2022）