摘 要：在冻结井筒的钻爆及支护施工过程中，为了防止炮眼布置及锚杆支护对冻结孔的破坏，利用BIM技术对采用冻结凿井法的井筒及周边环境对象进行了数字化建模、可视化呈现及数据化表达，经现场施工作业验证，输出成果对于井筒的掘砌施工具有较好的指导作用，增强了井筒冻结效果的安全保障，间接提升了施工现场的安全性，对于同等条件下的井筒冻结法施工具备较好的参考意义。
关键词：数字化设计; BIM; 冻结凿井法; 井筒冻结法; 井筒掘砌; 冻结孔;
中图分类号：TD262 文献标识码：A 文章编号：
Application of Digital Design during Caving in Shaft Freezing Sinking
HE Li-hui, ZHENT Yong-bo, Zhang Li-yu
(Beijing Huayu Engineering Co., Ltd., China Coal Technology & Engineering Group, 100120, Beijing, China）
Abstract: During the drilling, blasting, and bolt support processes of the frozen shaft, in order to prevent damage to the frozen holes caused by blasthole arrangement and bolt support, BIM technology was utilized to create a digital model, visualize, and express in data form the shaft constructed using the freezing sinking method and its surrounding environment. Field construction operations have verified that the output results provide effective guidance for the excavation and lining of the shaft, enhancing the safety of the shaft freezing effect and indirectly improving the safety of the construction site. This offers a valuable reference for similar conditions in shaft construction using the freezing method.
Keywords: digital design; BIM; freezing sinking method; shaft freezing method; shaft excavation and lining; freezing hole
引言
井筒冻结法在我国煤矿的应用较为广泛，主要用于松软地层、含水岩层和冲积层等复杂地层或特殊地质条件下的井筒施工[1-2]，本方法是在地下工程建设中，用于通过含水层或不稳定地层的一种特殊技术[3]，该技术通过人工制冷手段，将井筒周围土层中的水分冻结，构建出临时性的冻结土壁，用于承受周围土体压力以及阻挡地下水的渗透，为井筒掘砌提供一个稳固的作业环境[4-5]。在冻结井筒掘砌施工中，一般采用风镐或钻爆法施工，在冻结孔偏斜较大情况下，若距离井壁边缘较近，掘砌或爆破过程可能会破坏冻结孔及冻结区域，若使用锚杆支护情况下，锚杆的支护角度与支护长度也可能会对冻结孔造成影响，这些情形均会影响冻结效果，严重情况还可能导致井筒施工安全事故[6-7]。为了避免或降低这种安全隐患，辅助施工人员进行现场决策，我们引入基于BIM技术的数字化设计技术。
作为一种通用性技术，BIM应用最初是为解决设计过程的三维可视化与错漏碰缺问题[8]，历经多年发展，广泛应用于民建、水电、能源等行业，当前应用链正逐步向施工、运维等阶段过渡[9]。在煤炭行业，BIM技术与工程基建相结合的应用案例也越来越多：中煤能源集团研发的“基于BIM的冻结法施工安全管理系统”在彬长矿区胡家河煤矿进行了示范应用，厦门大学提出的集成BIM与IOT技术的冻结法施工实时控制系统[10]，利用BIM的可视化特性完成了施工状态和空间信息的动态呈现。
本文在综合已有成果基础之上，结合BIM自身优势特性，着力解决冻结井筒掘砌过程中的冻结孔安全防护问题，本项技术的应用实践将为相似条件下的井筒施工中冻结孔的防护拓展一种新的思路，具备一定的启发价值。
1 工程背景
本技术的应用示范点为陕西投资集团赵石畔矿业，赵石畔井田位于陕西省榆横矿区南区，行政区划隶属陕西省横山区城关镇、雷龙湾镇，靖边县黄蒿界镇等管辖。赵石畔煤矿项目是陕投集团重点规划建设项目，是国家批准建设的榆横-潍坊1000千伏特高压输电工程配套电源点赵石畔煤电一体化项目的配套矿井，设计生产能力600万吨/年，服务年限为71.7年，将于2025年12月投运。
赵石畔矿井采用立井单水平开拓方式、中央并列式通风，布置三条井筒，井筒区位于赵石畔井田西南部，处于黄土丘陵与沙漠滩地的过渡地带，地表有片沙覆盖，井检孔资料显示，洛河砂岩含水层厚度117.78～130.63 m，单位涌水量0.2692～0.3300 L/s·m，渗透系数0.2249～0.5743 m/d，富水性中等，三条井筒均采用冻结法施工，根据区内地层沉积状况，井筒围岩由各粒级砂岩、粉砂岩、泥岩组成，岩性变化较大，岩体以层状～薄层状结构为主，具各向异性，整体强度较低。
井筒设计特征如表1所示。
表1 井筒设计特征序号
2 数字化实施流程
BIM技术具备可视化、信息集成化、关联性、协同性、模拟性等特征[11-12]，其最大特征是图数合一，即模图与数据是统一的，在数字化具体实施过程中，主要利用这些关键特性开展工作，实施流程如图1所示。
图1 数字化实施流程
首先，搜集各井筒开凿施工图、冻结孔与测温孔的测斜数据等资料，包括，然后基于特定规则对测斜资料进行数据标准化处理；其次，根据各井筒开凿施工图进行井壁结构建模，并利用钻孔参数化工具依托标准化数据进行冻结孔与测温孔的信息建模，建模完成后对所有模型进行组装，对于钻孔模型的要求是钻孔需要放到以各自编号命名的图层中；然后，以井口标高为基准，每间隔固定深度设置一个水平切面，将每一个水平切面依次与组装模型进行交集运算，据此可得出各水平剖切面上的切分元素，包括井壁轮廓线以及钻孔轮廓线；最后，依次计算各钻孔中心点的方位角（以正北方向为起始轴，沿顺时针方向旋转为正）以及与井壁外边缘的净距离，将距离井壁外边缘最近的5个钻孔在图上进行标识，标识内容包括钻孔编号、钻孔方位角以及距井壁外边缘的距离，同时还对相邻钻孔的成孔间距进行了自动化计算与标识，最后将各水平的细分剖切图分发给现场施工人员，用以辅助施工过程决策。
3 具体应用
钻孔测斜资料经标准化后的数据见表2，数字化实施依托Bentley平台的MicroStation软件，MicroStation是Bentley软件系统有限公司为用户提供二三维设计服务的基础平台[13-14]，钻孔参数化建模及井筒剖切出图是以C#方式开发工具实现，用户交互界面分别如图2、图3所示。
表2 钻孔测斜标准化数据样表（以主立井为例）
在图2中，首先需要填入或拾取井筒中心坐标，确认后，再选择表2所示样式的数据表即可实现钻孔模型在数据驱动模式下的自动化创建。
图2 钻孔建模工具
主、副、风井井筒与钻孔的组装模型如图3所示，图中的弹出框分别为井壁结构与钻孔模型所附带的自定义属性信息，相应的工程属性结构如表3所示。
表3 自定义属性结构序号
（a）主立井轴侧
（b）主立井俯视
（c）副立井俯视
（d）中央回风立井轴侧
图3 组装模型
以组装模型为数据基础，可以实现水平切面图的一键输出，用户交互界面如图4所示。
图4 剖切出图工具
根据上图所示，首先拾取井筒中心坐标，据此确定水平切面的起始高度，通过输入的终止标高与间隔高度，可以确定水平剖面的总个数，同时也代表输出剖切图的总个数，根据前面所述流程，通过依次进行水平切面与已有模型对象间的数学运算，可依次获取各水平面上的图形轮廓线，再配合标准图框，即可快速成图，成图效果如图5所示，其中位于冻结孔右侧的标识参数分别是冻结孔编号、距离井壁外边缘的直线距离以及以正北方向为起始轴、沿顺时针方向旋转为正向的方位角，冻结孔左侧的标识参数为当前孔与下一个孔之间的中心直线距离（沿顺时针方向）。
图5 成图效果
根据图5所示，能够很便捷的查看某水平下的所有钻孔布置情况以及距井壁外边缘较近的钻孔布置详情，现场施工人员以此图为依据，在基岩段或壁座采取放炮作业情况下，可通过控制周边眼与冻结管的方位和距离的措施保护冻结孔，以及在确需施工锚杆情况下，可通过控制锚杆长度和施工位置的措施，从而避免打穿冻结管影响冻结情况，因此，本技术方案对防止冻结区域的破坏起到了较好的辅助作用。经测算，单张图纸输出的时间约为125毫秒，BIM技术的融入在实现技术性变革的同时，有效提升了出图效能[15]。
4 结语
在煤炭行业，冻结井筒掘砌施工的安全防护问题一直是行业关注的焦点。本文以冻结井筒的掘砌施工为应用场景，针对冻结钻孔的安全防护问题，引入基于BIM设计的数字化技术，通过在MicroStation平台下构建的建模与剖切工具，实现了标准化钻孔的快速建模与组装模型的一键出图，输出成果经现场施工人员验证，在一定程度上提升了现场施工的安全保障能力，具备较好的指导意义，同时，该项技术的具体实施经验，也间接证明了数字化设计技术在施工阶段进行多维度应用的可行性[16-17]，对于今后在其他应用场景的外延与推广具有较为深远的影响。
今后，数字化技术必将深度融入煤炭行业各个环节，从设计到施工建管再到竣工移交直至生产全过程实现数字赋能。通过全流程数据互联，拓展“数字煤炭”应用广度，增强行业数字化应用深度，在煤炭行业数字化转型的关键时期，企业应当着重挖掘数据潜力，以数字驱动为核心的技术支撑全产业链的业务数字化过程，推动行业向知识与技术密集型转变[9,18-20]。（何利辉 郑永博 张沥予）
(中煤科工集团北京华宇工程有限公司 中国北京 100120)
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（何利辉 郑永博 张沥予）(中煤科工集团北京华宇工程有限公司 中国北京 100120)
