對深井凍結(jié)鑿井中水文孔不溢水問題的分析

汪仁和　金　川　張　瑞

摘 要： 通過工程實例，對目前深井凍結(jié)工程中的水文孔不溢水原因進(jìn)行了較詳細(xì)的分析，提 出了應(yīng)該從水文孔報道層位的設(shè)計、水文孔的結(jié)構(gòu)、凍結(jié)管的偏斜控制、鉆孔的施工質(zhì)量控 制、地下水流速度控制和根據(jù)不同工程和地質(zhì)條件對水文孔溢水時間的預(yù)測以及加強(qiáng)凍結(jié)信 息化監(jiān)測和分析等方面采取措施，來保證水文孔的正常溢水和凍結(jié)井筒按時開挖。

關(guān)鍵詞：凍結(jié)井筒；水文孔；溢水；凍結(jié)壁交圈

中圖分類號：TD265.34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1098(2008)03-0019-03

凍結(jié)法鑿井是目前煤礦立井通過深厚表土地層的首選工法。在凍結(jié)工法中，除了需要按 工程要求布置凍結(jié)管外，還需要布置一定數(shù)量溫度檢測孔和水文觀察孔。溫度檢測孔的主要 作用是及時掌握地層凍結(jié)溫度的擴(kuò)展?fàn)顩r，判斷凍結(jié)壁的形成厚度和計算凍結(jié)壁的平均溫度 ；水文觀察孔的作用則是：① 根據(jù)水文孔的溢水情況，判斷含水地層凍結(jié)壁是否整體 交圈；② 釋放地層凍結(jié)過程凍脹水的壓力，減小對凍結(jié)壁的影響。

近年來，隨著我國對煤炭能源需求的日益增大，煤礦新井建設(shè)出現(xiàn)了新的高潮。但在深 井凍結(jié)法鑿井中，經(jīng)常出現(xiàn)水文孔報道遲緩的問題，比如：渦北礦主井、顧橋礦副井、劉莊 礦主井、丁集礦風(fēng)井、朱集礦副井、口仔東主井等等。水文孔溢水報道是凍結(jié)壁已經(jīng)交圈的 最直觀表征，是凍結(jié)井筒可以開挖的體現(xiàn)。水文孔不溢水嚴(yán)格說凍結(jié)壁沒有交圈，井筒不能 開挖。因此，水文孔的溢水情況對井筒開挖的決策和施工安排等都有重要的影響?？梢?，探 討、分析水文孔不溢水原因，對凍結(jié)鑿井工程具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 對水文孔不溢水原因的分析

導(dǎo)致水文孔不溢水的原因很多，主要可以歸結(jié)為：自身原因和外部影響原因。自身原因 包括水文孔設(shè)計、水文孔的焊接工藝等；外部原因包括有地層的水文地質(zhì)條件、地下水流速 過快、凍結(jié)孔施工間距過大、井筒直徑、凍結(jié)溫度等等。本文僅對目前工程中經(jīng)常出現(xiàn) 的情況，做簡要的分析。

（1） 水文孔設(shè)計和施工的原因 隨著井筒穿越表土地層厚度的增加，地層中含水地層 的數(shù)量也增多。因此，在水文孔的設(shè)計中，往往利用一個水文孔報道一個含水層組，即單孔 多層報道方案。但由于各含水地層的承壓水頭可能不一樣，或在各含水層中，由于凍結(jié)管的 偏斜（凍結(jié)孔間距）不一樣，凍結(jié)壁的交圈時間不一樣，造成了以水文孔為通道的地下水穿 流現(xiàn)象，加大了地下水的流動，影響凍結(jié)壁的正常交圈。如：淮北礦業(yè)集團(tuán)渦北礦主井采用 二含和三含一起報道，由于水壓不同造成兩個含水層水產(chǎn)生穿流，影響了凍結(jié)壁的正常交圈 ，后經(jīng)處理水文孔溢水時間延長了16 d［1］150；劉莊礦主井也出現(xiàn)類 似情況［2-3］。

在水文孔施工中，水文管連接過程的焊接質(zhì)量和隔水塞安置及質(zhì)量等都會導(dǎo)致水文孔不溢水 ［1］150。皖北煤電集團(tuán)某礦凍結(jié)法鑿井中，出現(xiàn)過水文管在焊接中存在砂 眼，導(dǎo)致水位沒能上升到管口，誤以為水文孔沒有冒水。

（2） 凍結(jié)鉆孔偏斜過大的原因 井筒凍結(jié)深度大，凍結(jié)鉆孔偏斜大；相鄰凍結(jié)管間距 大，凍結(jié)壁交圈時間長。由于凍結(jié)孔偏斜率有明確的規(guī)定*，本文將規(guī)定與近年來統(tǒng)計 的兩淮地區(qū)水文孔溢水時間與凍結(jié)深度之間的關(guān)系進(jìn)行了比較(見表1)。

可見，隨著凍結(jié)井筒深度的增加，凍結(jié)孔偏斜率加大，凍結(jié)壁交圈時間延長，水文孔溢水時 間延長。但在工程實踐中，鉆孔偏斜數(shù)據(jù)往往 沒能準(zhǔn)確地反映出凍結(jié)管的最大間距，造成了對水文孔冒水時間的錯誤估計。該原因在深井 凍結(jié)中也經(jīng)常遇到，如：丁集礦風(fēng)井，凍結(jié)鉆孔在490 m處偏斜過大，后改用測 溫孔作凍結(jié)孔，但該鉆孔深度未穿過495 m含水地層，造成水文孔溢水時間推遲 了20多天；還有顧橋礦等多個井筒凍結(jié)，也是由于下部凍結(jié)管孔間距過大，造成水文孔溢水 時間比正常時間推遲了20~30 d。

（3） 地下水流速過快的原因 地下水在地層中一般處于流動狀態(tài)，若地下水流速 過大 ，凍結(jié)制冷量損失大，將嚴(yán)重影響凍結(jié)效果。影響地下水的流速，一是地下水勢；二是工廣 水 源井抽水造成地下水流動。因水源井抽水造成地下水流速加大，影響井筒凍結(jié)交圈的工程 實例很多，如：某礦在井筒下游設(shè)置了水源井，因大量抽取地下水，導(dǎo)致水文孔不溢 水。分 析原因后，停止了水源井抽水，水文孔很快就溢水了。該工程使水文孔溢水時間延長了20 d［4］。

（4） 井筒直徑大小的影響 隨著新建礦井井筒直徑的增大，水文孔的溢水時間也有所 增長。井筒直徑大，凍結(jié)壁對井筒內(nèi)部地下水形成較大的擠壓力時間長，水文孔溢水時間長 ?？偨Y(jié)近年來的凍結(jié)資料可知，井筒凈直徑不超過6.0 m，影響水文孔溢水 時間的主要因素是井筒凍結(jié)深度，超過6.5 m后，井筒凈直徑越大，凍結(jié)壁交圈 時間越長。如：淮南顧北礦副井（凈直徑8.1 m）和丁集礦副井（凈直徑8.4 m）這樣大徑的井筒，水文孔報道時間均達(dá)到了98 d以上。

（5） 地層含水率對水文孔溢水的影響 地層孔隙大、含水量小，難于形成較大的地層 凍結(jié)壓力，使水文孔的溢水時間長、且溢水量小。反之，水文孔溢水時間短、水量大。還有 個別地層因含水量小難于凍結(jié)，水文孔遲遲不溢水。采用向地層灌水，加大地層的含水量， 加速了凍結(jié)，并使水文孔溢水。

（6） 鉆孔的施工質(zhì)量問題 鉆孔（包括凍結(jié)孔、測溫孔和水文孔）的施工質(zhì)量分為鉆 孔施工質(zhì)量和凍結(jié)管、測溫管和水文管的焊接和下放質(zhì)量。在鉆孔施工過程中，遇到砂質(zhì)地 層，很容易出現(xiàn)鉆孔塌孔現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鉆孔的施工質(zhì)量。在處理鉆孔塌孔時，往往需要采 用在鉆孔中灌入泥球，再重新鉆孔處理。由于粘土凍結(jié)冷量傳遞效果差，凍土擴(kuò)展速度慢， 使凍結(jié)壁交圈時間大于正常砂土地層的交圈時間，水文孔的溢水時間延長。

另外，冷凍站制冷量、地層初始溫度等都對凍結(jié)壁交圈時間和水文孔溢水時間產(chǎn)生較大 的影響，應(yīng)該根據(jù)實際情況確定水文孔的溢水時間［5］。

2 水文孔設(shè)計和施工應(yīng)采取的措施

（1） 采用不同含水地層分層報道凍結(jié)壁的交圈情況。水文孔分層報道可以避免許多復(fù) 雜地層的含水情況和出現(xiàn)水文管結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。

（2） 應(yīng)該嚴(yán)格控制深井凍結(jié)孔的偏斜，避免出現(xiàn)過大的凍結(jié)孔間距。

（3） 工廣水源井應(yīng)該盡量布置在地下水流的上游，減少由于工業(yè)和生活用水，造成地 下水流速較大，對凍結(jié)工程的影響。

（4） 保證凍結(jié)孔的鉆孔質(zhì)量，尤其是在造孔過程中的鉆孔片幫處理，應(yīng)該留有處理過 程及措施的詳細(xì)資料，便于對凍結(jié)壁交圈情況進(jìn)行分析。

3 結(jié)語

水文孔溢水報道是鑒別凍結(jié)壁交圈與否的一面鏡子，水文孔未溢水報道，一般不允許井 筒開挖。但影響凍結(jié)井筒水文孔溢水報道的因素很多，要根據(jù)具體工程情況具體分析?？傮w 來說，首先應(yīng)根據(jù)地層及工程條件，認(rèn)真做好水文孔報道層位的設(shè)計，提倡水文孔單層報道 方案；另外應(yīng)控制好凍結(jié)鉆孔的偏斜和鉆孔的施工質(zhì)量，確保凍結(jié)壁能夠按計劃要求時間交 圈；再者是加強(qiáng)凍結(jié)信息化監(jiān)測與分析，掌握凍結(jié)壁溫度場的發(fā)展情況，預(yù)測凍結(jié)壁的交圈 時間，及時排除工程中可能出現(xiàn)的問題，保證井筒按時開工。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 趙懷固,林稚華,陸衛(wèi)國.某礦立井凍結(jié)交圈分析與施工體會［J］. 西部探 礦工程，2005,106(3)：150-151.

［2］ 梁袁,趙久良,潘懷南.劉莊礦主井凍結(jié)水文觀測孔異常出水處理［J］.煤 炭技術(shù),2004,23(4):74-75.

［3］ 張五兵,張華.井筒凍結(jié)水文孔溢水的檢測與分析［J］. 煤炭技術(shù),2002,2 1(10):51-52.

［4］ 周曉敏,于蘭.豎井凍結(jié)過程中滲流場變化的分析研究［J］.煤炭學(xué)報,200 1,26(2):142-144.

［5］ 姚直書,陳鈞.水下凍結(jié)工程溫度場物理模擬研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù),200 6,34(10):55-58.

(責(zé)任編輯：何學(xué)華)