朱洪利
(山東能源棗莊礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山東 棗莊 277000)
井筒建設(shè)施工過(guò)程中遇到地質(zhì)條件十分復(fù)雜時(shí),必須采用特殊鑿井法進(jìn)行施工,如凍結(jié)法[1-5]。凍結(jié)法具有強(qiáng)適應(yīng)性、高安全性及技術(shù)成熟等顯著優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用[6-10]。由于凍結(jié)法應(yīng)用在穿過(guò)富水白堊系巖層中的井筒施工中并不多見(jiàn),其在凍結(jié)設(shè)計(jì)施工方案及井壁結(jié)構(gòu)形式的選用存在一些不足,迫切需要針對(duì)富水巖層條件下凍結(jié)施工技術(shù)理論及實(shí)踐進(jìn)行研究完善。海子礦在采用凍結(jié)法鑿井施工過(guò)程中出現(xiàn)部分凍結(jié)管斷裂問(wèn)題,斷裂處出現(xiàn)凍結(jié)鹽水泄漏,造成凍結(jié)壁化凍,對(duì)施工過(guò)程中的安全保障帶來(lái)極大的困擾。本文對(duì)海子礦立井井筒凍結(jié)施工過(guò)程中凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力變化進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),分析其變化規(guī)律,為井壁合理性設(shè)計(jì)及安全施工提供依據(jù)。
海子礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4 Mt/a,工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)布置主、副、風(fēng)三個(gè)井筒,采用立井開(kāi)拓。副立井井筒全長(zhǎng)514 m,井筒主要穿越地層為白堊系和侏羅系。第四系沖積表土層覆蓋厚度比較淺,僅僅為6.0 m左右,但富水白堊系巖層厚度占井筒穿過(guò)全部地層厚度的75%。
在深入對(duì)該立井井筒有關(guān)的地質(zhì)資料及井壁設(shè)計(jì)資料等進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合井筒施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況及其他因素,采取在井筒深度方向上設(shè)置3 個(gè)實(shí)測(cè)水平進(jìn)行凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力實(shí)測(cè),水平深度分別為120 m、220 m、320 m,在每個(gè)監(jiān)測(cè)水平不同方向共埋設(shè)4 個(gè)壓力傳感器。具體方案設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1 及表1。
圖1 壓力傳感器埋設(shè)圖
表1 實(shí)測(cè)方案設(shè)計(jì)表
凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力與多種因素有關(guān),如凍結(jié)地層的力學(xué)性質(zhì)、凍結(jié)地層深度及開(kāi)機(jī)凍結(jié)溫度等。由于影響因素眾多,所以,這些因素的耦合程度非常復(fù)雜,在此無(wú)法進(jìn)行單因素分析,而是將全部影響因素綜合考慮,利用在凍結(jié)內(nèi)壁與井壁外壁之間埋置壓力傳感器,通過(guò)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀及通信供電電纜采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),分析總結(jié)凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力與凍結(jié)時(shí)間之間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,具體見(jiàn)圖2 ~圖4。
將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)拷貝至畫(huà)圖軟件進(jìn)行具體分析時(shí),發(fā)現(xiàn)壓力傳感器少部分?jǐn)?shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)存在較大的誤差及離散程度,造成該現(xiàn)象的原因多數(shù)是在采集數(shù)據(jù)時(shí)壓力傳感器的激勵(lì)電壓不足及當(dāng)時(shí)不可預(yù)知的意外情況導(dǎo)致,所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)應(yīng)該予以剔除。
圖2 ~圖4 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律大致相同,通過(guò)曲線發(fā)展趨勢(shì)基本可以劃分為4 個(gè)過(guò)程:快增過(guò)程、快降過(guò)程、緩增過(guò)程及穩(wěn)定過(guò)程。
圖2 120 m 測(cè)點(diǎn)凍脹力變化曲線圖
圖3 220 m 測(cè)點(diǎn)凍脹力變化曲線圖
圖4 320 m 測(cè)點(diǎn)凍脹力變化曲線圖
(1)快增過(guò)程。在預(yù)定地點(diǎn)通過(guò)打鉆埋入預(yù)壓力傳感器之后,由于凍結(jié)壁處于積極凍結(jié)期,巖體水分從未凍結(jié)區(qū)域遷移至凍結(jié)壁內(nèi)部,凍結(jié)成冰,造成凍結(jié)壁體積增大,并向井筒側(cè)出現(xiàn)偏移變形,與未開(kāi)挖巖層之間相互擠壓,造成凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力快速增長(zhǎng)。
(2)快降過(guò)程。凍結(jié)壁內(nèi)壁所包圍的巖層開(kāi)挖之后,使得凍結(jié)壁靠近開(kāi)挖側(cè)一定范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)變能釋放,造成凍結(jié)壁沿徑向向開(kāi)挖側(cè)出現(xiàn)部分巖體變形及釋放部分凍脹應(yīng)力。另外,在井壁澆筑完成后,澆筑的混凝土?xí)诙虝r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量水化熱,由于空間狹小,且沿井筒深度方向散熱困難,幾乎全部熱量都被凍結(jié)壁吸收,導(dǎo)致凍結(jié)壁內(nèi)部部分凝冰變成水產(chǎn)生相變,造成凍結(jié)內(nèi)壁出現(xiàn)收縮變形,同時(shí)下一井筒段也在爆破開(kāi)挖,造成凍結(jié)壁凍脹量繼續(xù)減小,綜合導(dǎo)致凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力快速下降。
(3)緩增過(guò)程?;炷翝仓尫潘療幔粌鼋Y(jié)壁內(nèi)部的冰吸收,變成水,此時(shí)井筒建設(shè)尚未結(jié)束,凍結(jié)壁處于積極凍結(jié)期,地面凍結(jié)站會(huì)將冷量通過(guò)凍結(jié)鹽水持續(xù)向凍結(jié)壁輸送,冷量會(huì)持續(xù)增加,造成凍結(jié)壁二次凍結(jié),致使凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力出現(xiàn)回升,但凍結(jié)壁產(chǎn)生的二次凍脹量小于初次凍脹量,凍脹力的最大值也小于首次凍脹力。同時(shí),已澆筑混凝土的凝結(jié)時(shí)間持續(xù)加大,其強(qiáng)度呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增加,導(dǎo)致井壁外側(cè)對(duì)凍結(jié)內(nèi)壁的約束剛度增大,但由于凍結(jié)內(nèi)壁凍脹變形慢慢變大,使得應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為凍脹應(yīng)力,導(dǎo)致凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力升高。
(4)穩(wěn)定過(guò)程。隨著時(shí)間的推移,由于凍結(jié)鋒面遷移速度減小至零,處于穩(wěn)定狀態(tài),至此凍結(jié)壁的凍脹量不再增加 ,而且井壁強(qiáng)度也已經(jīng)基本不再增加,凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力出現(xiàn)平穩(wěn)發(fā)展趨勢(shì)。
將各水平的4 個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得最終穩(wěn)定的凍脹力進(jìn)行平均取值,得到的平均值作為此水平的實(shí)測(cè)平均凍脹力。經(jīng)過(guò)計(jì)算后得出,3 個(gè)水平所得平均值分別為:1.29 MPa、3.09 MPa、5.09 MPa。對(duì)該三個(gè)平均值進(jìn)行曲線擬合,通過(guò)擬合曲線得出凍結(jié)內(nèi)壁的平均凍脹力與凍結(jié)深度之間幾乎呈線性關(guān)系,具體見(jiàn)式1 及圖5。式中:P為凍結(jié)內(nèi)壁的平均凍脹力,MPa;h為凍結(jié)深度,m。
圖5 平均凍脹力與凍結(jié)深度的關(guān)系曲線圖
(1) 富水白堊系巖層條件下凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化大致可以分為4 個(gè)過(guò)程:快增過(guò)程、快降過(guò)程、緩增過(guò)程及穩(wěn)定過(guò)程。不同過(guò)程呈現(xiàn)出不同的速率變化特性,尤其是快增過(guò)程中出現(xiàn)的最大凍脹力值應(yīng)該予以重視,此凍脹力值可能會(huì)影響到井壁的結(jié)構(gòu)形式及材料選取等重大問(wèn)題。
(2)混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)、凍結(jié)壁的部分融化及二次回凍都與井壁的強(qiáng)度及受力有著極大的關(guān)系,再加上地層在此凍融情況下發(fā)生的力學(xué)性質(zhì)變化,極易造成井壁不同部位發(fā)生不同程度的扭剪,對(duì)井壁安全產(chǎn)生明顯的影響。
(3)通過(guò)對(duì)3 個(gè)水平的實(shí)測(cè)平均凍脹力與凍結(jié)深度進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得出凍結(jié)內(nèi)壁的平均凍脹力與凍結(jié)深度之間幾乎呈線性關(guān)系。