路 忠 劉玉平

(達(dá)旗煤炭局安監(jiān)站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316)

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人工凍結(jié)技術(shù)在蒙西深厚軟巖地層的應(yīng)用

路 忠 劉玉平

(達(dá)旗煤炭局安監(jiān)站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316)

基于內(nèi)蒙古西部地區(qū)某礦深厚軟巖地層的水文地質(zhì)特點(diǎn)，選用了單圈布孔凍結(jié)設(shè)計(jì)方案，并闡述了該方案的具體施工技術(shù)，既為掘砌工程創(chuàng)造了良好的施工環(huán)境，又取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，為西部類(lèi)似地層凍結(jié)井方案設(shè)計(jì)提供借鑒。

沖積層，軟巖，富含水層，凍結(jié)方案

隨著西部煤炭資源的持續(xù)開(kāi)采，煤田賦存條件由原來(lái)的淺埋少水低瓦斯逐漸向深埋富水高瓦斯轉(zhuǎn)變。內(nèi)蒙古西部地區(qū)某礦位于達(dá)拉特旗西南部，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為6.00 Mt/年，主井采用斜井開(kāi)拓，副井及回風(fēng)井采用豎井方式開(kāi)拓。主斜井采用普通法鑿井，水泵逐級(jí)排水。副井、回風(fēng)井采用人工凍結(jié)法方式開(kāi)拓?；仫L(fēng)井井筒深度465 m，凍結(jié)深度477 m，凈直徑7.2 m，采用雙層現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[1-11]。

1 地質(zhì)及水文條件

井筒場(chǎng)地地表全部被第四系松散沉積物所覆蓋，局部基巖出露。根據(jù)鉆孔揭露，井筒地層由老至新為：侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)、白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)和第四系(Q)。場(chǎng)地地下水含水層包括：

白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)孔隙潛水全區(qū)分布，巖性為各種粒級(jí)的砂巖、砂礫巖及礫巖，夾砂質(zhì)泥巖。水位埋深1.85 m，含水層厚度25.45 m，靜止水位標(biāo)高1 394.51 m，水柱高度25.45 m，涌水量0.039 L/s，滲透系數(shù)0.009 672 m/d，富水性弱。

侏羅系中統(tǒng)(J2a—J2z)碎屑巖類(lèi)承壓水含水層，巖性為青灰色中、粗粒砂巖、含礫粗粒砂巖。厚度269.98 m～312.50 m，平均297.79 m。該組地層結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率相對(duì)較高。水位埋深89.44 m，靜止水位標(biāo)高1 351.67 m，含水層厚度262.00 m，涌水量0.303 L/s，滲透系數(shù)0.007 646 m/d，富水性弱。

侏羅系中下統(tǒng)延安組(J2y)碎屑巖類(lèi)承壓水含水層包括③-1煤層頂板延安組段砂巖裂隙含水層、③-1煤層底板至④-2煤層頂板砂巖裂隙含水層。其中延安組砂巖裂隙含水層厚度74.75 m，水位埋深66.78 m，靜止水位標(biāo)高1 345.40 m，涌水量0.427 L/s，滲透系數(shù)0.040 34 m/d，富水性弱。③-1煤層底板至④-2煤層頂板砂巖裂隙含水層厚度45.66 m，水位埋深119.06 m，靜止水位標(biāo)高1 324.79 m，涌水量0.186 L/s，滲透系數(shù)0.005 568 m/d，富水性弱。

2 針對(duì)地層特點(diǎn)的凍結(jié)方案設(shè)計(jì)

由表1可見(jiàn)，該地層第四系地層較薄，厚度僅0.9 m。井筒穿越地層幾近全部由軟巖組成，其中砂巖和含礫砂巖分別占75.81%和7.5%。根據(jù)實(shí)際揭露巖樣，巖石在自然狀態(tài)下強(qiáng)度較高，平均為15 MPa，但遇水浸泡飽和后強(qiáng)度急劇下降，平均為0.3 MPa。幾乎可忽略。在井筒掘進(jìn)段高設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取充分的迎頭疏排水措施，防止迎頭大范圍遇水，圍巖強(qiáng)度整體喪失，威脅井筒圍巖穩(wěn)定性，造成凍結(jié)管大位移斷裂。

表1 回風(fēng)井地層統(tǒng)計(jì)

針對(duì)該井筒所處地層巖性及水文地質(zhì)特點(diǎn)，采用單圈孔、大流量?jī)鼋Y(jié)方案和監(jiān)測(cè)信息化施工技術(shù)。在設(shè)計(jì)階段嚴(yán)格區(qū)分西部軟巖與東部深厚沖積層凍結(jié)壁發(fā)展規(guī)律和特點(diǎn)，針對(duì)西部軟巖強(qiáng)度大，自然狀態(tài)下自穩(wěn)性好，凍結(jié)工程主要目的在于防水而不需過(guò)多考慮凍土強(qiáng)度，采用單圈孔小圈徑布孔方案以節(jié)省冷量，采用大流量?jī)鼋Y(jié)方案以增大凍土前期溫度梯度，加速凍結(jié)壁前期擴(kuò)展速度，加大凍土形成階段的凍土溫降速率，以縮短總制冷時(shí)間。

3 實(shí)際凍結(jié)工程施工

采用單圈孔凍結(jié)方式，凍結(jié)深度477 m，300 m以上地層凍結(jié)孔采用140×5 mm的優(yōu)質(zhì)20號(hào)低碳鋼無(wú)縫鋼管，300 m以下地層采用140×6 mm的優(yōu)質(zhì)20號(hào)低碳鋼無(wú)縫鋼管。接頭形式采用內(nèi)襯管對(duì)焊焊接。按快速凍結(jié)要求，并考慮合理提高凍結(jié)效率，逐級(jí)降低鹽水溫度。設(shè)計(jì)要求凍結(jié)15 d鹽水溫度降到-20 ℃以下，開(kāi)挖時(shí)達(dá)到-30 ℃以下。開(kāi)始套內(nèi)壁后轉(zhuǎn)入維護(hù)凍結(jié)，鹽水溫度控制在-22 ℃～-25 ℃之間。凍結(jié)孔的單孔鹽水流量均取15 m3/h?？刂茖釉O(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度低于-8 ℃,設(shè)計(jì)風(fēng)井井幫溫度為-4 ℃～-6 ℃。按重液公式計(jì)算控制層處地壓值。凍土的單軸極限抗壓強(qiáng)度按類(lèi)似地層中數(shù)據(jù)選取，凍土溫度(凍結(jié)壁平均溫度)取-8 ℃左右。安全系數(shù)取2.2。

采用多姆克公式計(jì)算凍結(jié)壁厚度。

其中，E為計(jì)算的凍結(jié)壁厚度，m；R為井筒掘進(jìn)半徑，m；P為計(jì)算水平的地壓，MPa；K為凍土計(jì)算強(qiáng)度，MPa。采用成冰公式計(jì)算凍結(jié)壁的平均溫度，即:

tc=t0c+0.275tn。

其中，tc為按凍結(jié)壁有效厚度計(jì)算的平均溫度，℃；t0c為按凍結(jié)壁0 ℃邊界計(jì)算的平均溫度，℃；tn為計(jì)算水平的井幫凍土溫度，℃，未凍時(shí)取0；tb為凍結(jié)鹽水溫度，℃；L為計(jì)算水平的凍結(jié)孔最大間距，m；E為凍結(jié)壁有效厚度，m。

凍結(jié)孔偏斜率不大于0.18%。質(zhì)量控制時(shí)：向井心偏斜不大于200 mm。凍結(jié)孔平均鉆進(jìn)效率取1 950 m/(臺(tái)·月)，布置4臺(tái)鉆機(jī)。預(yù)計(jì)井筒凍結(jié)壁交圈時(shí)間均為57 d，積極凍結(jié)65 d可以試挖。采用加大凍結(jié)管鹽水流量等技術(shù)措施，使凍結(jié)期內(nèi)凍結(jié)管散熱能力大大提高，計(jì)算出低溫工況制冷量為：風(fēng)井低溫最大需冷量為：Q風(fēng)井=178.3萬(wàn)大卡/h,考慮到20%的干管冷量損失，風(fēng)井凍結(jié)所需的凍結(jié)站制冷量為：Q風(fēng)井凍結(jié)站=214萬(wàn)大卡/h。裝備5臺(tái)W-SAHLG25ⅢT220/20Ⅲ250雙級(jí)螺桿式壓縮機(jī)組，其中4臺(tái)使用，1臺(tái)備用。采用QEF240/800虹吸式蒸發(fā)器5臺(tái)和節(jié)水型的SWL-1620蒸發(fā)式冷凝器5臺(tái)。按照冷凍機(jī)組產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，需新水補(bǔ)給量約為20 m3/h。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)凍結(jié)壁發(fā)展速度25 mm/d，井筒開(kāi)挖后根據(jù)測(cè)溫孔數(shù)據(jù)分析，凍結(jié)壁發(fā)展速度為28 mm/d，實(shí)際凍結(jié)壁發(fā)展速度較設(shè)計(jì)值快12%。凍結(jié)壁設(shè)計(jì)交圈時(shí)間57 d，施工實(shí)際在開(kāi)機(jī)50 d時(shí)水文孔持續(xù)規(guī)律冒水，證明交圈。較設(shè)計(jì)提前7 d。開(kāi)挖后井筒核心部分4 m直徑范圍內(nèi)土體保持在正溫為井筒快速掘進(jìn)提供了良好的條件，證明采用大圈徑布孔，大溫度梯度快速凍結(jié)的方式進(jìn)行凍結(jié)方案設(shè)計(jì)可以取得客觀的工程效果。開(kāi)挖后良好的凍土范圍控制表明整個(gè)凍結(jié)工程在凍結(jié)孔造孔偏斜控制、凍結(jié)系統(tǒng)前期運(yùn)行狀態(tài)、氯化鈣溶液降溫速率，地層溫度下降速率等方面較好的實(shí)現(xiàn)了工程方案設(shè)計(jì)的宗旨，工程提前7 d交圈并具備開(kāi)挖條件。井筒開(kāi)挖后揭露凍結(jié)壁強(qiáng)度良好，很好的滿(mǎn)足了精通掘進(jìn)防水封水的要求。

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Application of artificial freezing technology in deep soft rock stratum of Mengxi

Lu Zhong Liu Yuping

(DaqiCoalBureauSecuritySupervisionStation,Erdos014316,China)

Based on the hydrological and geological characteristics of the deep soft rock strata in western Inner Mongolia, the scheme of single-ring hole freezing is chosen, which not only creates a good construction environment for excavation construction, but also obtains good economic benefit for the western part of the freezing well design for reference.

alluvial layer, soft rock, rich water layer, freezing program

1009-6825(2017)10-0079-03

2017-01-21

路 忠(1972- )，男，工程師； 劉玉平(1970- )，男，工程師

TU472.9

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