淺議解決凍結(jié)壁交圈后水文孔不冒水現(xiàn)象

摘要：在凍結(jié)法鑿井中凍結(jié)壁交圈時(shí)間是確定凍結(jié)段能否正式掘進(jìn)的重要依據(jù)，是考核前期凍結(jié)效果的主要指標(biāo)，水文孔按規(guī)定的冒水現(xiàn)象是確定凍結(jié)壁交圈的直觀依據(jù)。在施工中常出現(xiàn)凍結(jié)壁交圈水文孔不冒水或推遲冒水現(xiàn)象，本文以水文孔為研究對象，對凍結(jié)壁交圈期水文孔不冒水的問題進(jìn)行原因分析，為施工中預(yù)防水文孔不冒水工藝給予參考意見。

關(guān)鍵詞：凍結(jié)法；凍結(jié)壁交圈；水文孔；含水層；水分遷移；凍脹；止水帶

中圖分類號： U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

隨著煤炭行業(yè)市場向中國西部的遷移，凍結(jié)法施工在西北部土壤中運(yùn)用的越來越多，在西部多為濕陷性黃土，在施工經(jīng)常遇到凍結(jié)壁交圈后水文孔不冒水現(xiàn)象，因水文孔不冒水或者推遲冒水導(dǎo)致對凍結(jié)壁交圈時(shí)間的誤判，對企業(yè)以及施工隊(duì)伍造成直接和連帶的經(jīng)濟(jì)損失是重大的。

1 水文孔設(shè)計(jì)

（1）水溫觀測孔布置在井筒中心附近，在打好鉆孔后下放帶有底錐的直徑為108mm～168mm的無縫鋼管，在含水層位置鋼管設(shè)置有濾水裝置的孔隙，在含水層上部鋼管與鉆孔環(huán)形空間設(shè)置隔水裝置（止水帶）。

（2）孔位設(shè)置在井筒中央，孔深應(yīng)進(jìn)入沖積層最下部的主要含水層，其含水層下部應(yīng)有隔水層?？咨畈坏么┻^沖基層，鉆孔偏斜不得偏出井筒直徑。

（3）淺井凍結(jié)，應(yīng)設(shè)置一個(gè)水文觀測孔，報(bào)導(dǎo)只要含水層水位。深井凍結(jié)，應(yīng)設(shè)置1～3個(gè)水文觀測孔?？刹捎靡豢讏?bào)導(dǎo)一個(gè)含水層，或者一孔用套管、隔板的結(jié)構(gòu)形式報(bào)導(dǎo)二個(gè)含水層，必須保證套管和隔板的施工質(zhì)量，防止含水層之間串通而影響正常報(bào)導(dǎo)。

（4）管箍焊接應(yīng)嚴(yán)密，孔口應(yīng)高出地下水位并加蓋；

2 凍結(jié)壁交圈后水文孔冒水的原理

（1）凍結(jié)壁隔絕地下水流動(dòng)

為了形成凍結(jié)壁,預(yù)先在擬鑿井筒外圍按圓周布置一定數(shù)量的凍結(jié)孔并下放凍結(jié)器，開始凍結(jié)后，每根凍結(jié)管周圍逐漸形成凍結(jié)圓柱，各個(gè)凍結(jié)圓柱不斷向外擴(kuò)展而相互連成封閉的具有一定厚度和強(qiáng)度的凍結(jié)壁。凍結(jié)壁隔絕和井筒內(nèi)外部的地下水流動(dòng)，凍結(jié)壁內(nèi)部存于的地下水屬于靜止的。

（2）凍脹

水結(jié)冰后體積膨脹約9%。凍結(jié)過程中，凍土體積增大，導(dǎo)致封閉的凍結(jié)壁內(nèi)部空間體積減少，水位上升。

（3）水分遷移

在凍結(jié)過程中，已凍土內(nèi)，以及已凍土和未凍土間存在著水的遷移現(xiàn)象，稱為水分遷移。根據(jù)薄膜遷移理論和滲透壓力理論，在形成凍結(jié)壁過程中水分遷移至井筒內(nèi)部，導(dǎo)致封閉的凍結(jié)壁內(nèi)部空間水位上升，通過水文孔溢出。水分遷移是水文孔冒水的主要原因。

3 凍結(jié)壁交圈后水文孔不冒水現(xiàn)象的分析

施工地區(qū)含水層水量過少

當(dāng)?shù)叵滤畬痈缓匀趸蛘邼撍畬右蛑車h(huán)境變化水量減少，在凍結(jié)壁交圈后，水分遷移的水量被為飽和土層或者基巖吸收，凍脹的作用也不能使水位明顯上升。

水文孔鋼管有破壞，水從破損處流失

在水文孔鋼管下放過程中，由于焊縫質(zhì)量不合格，下放后，從焊縫處出現(xiàn)裂縫，或者斷裂，導(dǎo)致水在上升過程中從破損處流失到鉆孔環(huán)形空間，被土壤吸收。這種情況的幾率很小，但是在水文孔鋼管焊接處必須要嚴(yán)密、合格，已杜絕這種情況發(fā)生。

鉆孔環(huán)形空間過大，并且從環(huán)形空間上升的水被其他地層土壤所吸收，導(dǎo)致管內(nèi)水壓不足，不能使管內(nèi)水溢出。

在出現(xiàn)多個(gè)含水層，并且之間沒有明顯的隔水層時(shí)，2個(gè)含水層水分相互串動(dòng)，導(dǎo)致其中有含水層水壓減小，水文孔不能冒水。

4 解決辦法

首先在設(shè)計(jì)水文孔時(shí)候，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)狀況分析有可能出現(xiàn)的情況種類，再制定相應(yīng)措施。

人工注水發(fā)

地下含水層水量過小時(shí)，根據(jù)凍結(jié)參數(shù)計(jì)算出凍結(jié)壁已經(jīng)交圈，這時(shí)可人為地向水文孔加適當(dāng)水，至測量水文孔水位有明顯上升并接近地表，停止加水后，水文孔水位繼續(xù)上升并溢至管口。

加強(qiáng)焊縫質(zhì)量，管箍焊接必須嚴(yán)密。

在易吸水土壤層下部設(shè)置止水帶。

在易相互串動(dòng)的水層之間設(shè)置止水帶。

5 招賢礦井副立井凍結(jié)工程實(shí)例

5.1工程概況

招賢礦位于陜西省麟游縣招賢鎮(zhèn)北側(cè)約3-4km的麥里溝新村礦井工業(yè)廣場內(nèi)。該礦井設(shè)計(jì)年產(chǎn)量240萬噸。其中副立井井筒深度587.6米，凍結(jié)深度515米，井筒凈徑8.4米，表土厚度39米，36米表土屬于西部濕陷性黃土，吸水性強(qiáng)。該井井筒設(shè)計(jì)參數(shù)見下表：

序號 項(xiàng)目名稱 技術(shù)參數(shù)

1 井筒凈直徑(m) 8.4

2 最大荒徑(m) 11.406

3 井筒深度(m) 587.6

4 凍結(jié)深度(m) 515

5 表土段埋深(m) 39

6 主排孔 布置圈徑(m) 16.2

孔數(shù)(個(gè)) 20/20

孔深(m) 515/360

7 防片幫孔 布置圈徑(m) 13.2

孔數(shù)(個(gè)) 9/10

孔深(m) 55/100

8 測溫孔( m/個(gè)) 120/1、305/1、505/1

9 水文孔( m/個(gè)) 70/1、210/1

5.2井筒水文孔設(shè)計(jì)

5.2.1.本工程地質(zhì)復(fù)雜，36米表土屬于西部濕陷性黃土，吸水性強(qiáng)，造成交圈后水文孔水位上升至表土段，水分全部被黃土吸收，導(dǎo)致水文孔不易冒水；

5.2.2.基巖含水層間沒有明顯的隔水層，類似于彬長礦區(qū)、鄂厄多斯礦區(qū)，各含水層間水流上下串動(dòng)，影響各層交圈。為解決以上兩個(gè)問題，該工程吸取以往類似工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采取以下措施：

a.水文孔洗孔時(shí)，只洗水文管內(nèi)泥漿，管外環(huán)形空間不洗，借助泥漿封水，防止環(huán)形空間與管內(nèi)導(dǎo)通，杜絕水分被黃土吸收。

b.分別在一含與表土之間，二含與一含之間加纏海帶，人工增設(shè)隔水層。

5.3該井筒水文孔實(shí)際應(yīng)用效果

該井筒凍結(jié)站于2013年8月22日正式開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，一號水文孔原始水位-61.7米，二號水文孔原始水位-35.6米。2013年9月10日1號水文孔水位有明顯上升，至9月20日1號水文孔開始冒水，并持續(xù)冒水。2013年9月10日2號水文孔水文有明顯上升，至9月22日開始冒水，并持續(xù)冒水一周以上。該項(xiàng)目部結(jié)合測溫孔測溫?cái)?shù)據(jù)資料，確定凍結(jié)壁已經(jīng)交圈，于2013年10月2日開始試挖，現(xiàn)井筒正在正常施工中。此井筒的水文孔順利冒水給確定凍結(jié)壁交圈提供了直接依據(jù)，確定了及時(shí)、合理的掘進(jìn)日期。

6 結(jié)束語

水文孔是觀測凍結(jié)壁發(fā)展的重要依據(jù)，根據(jù)施工的地質(zhì)條件分析水文孔有可能存在的技術(shù)問題，并為水文孔正常冒水提前做出相應(yīng)的措施，本文以施工中常見的水文孔不冒水問題進(jìn)行分析，并以濕陷性黃土地層水文孔的應(yīng)用為實(shí)例，希望施工技術(shù)人員根據(jù)不同的地層對水文孔做出相應(yīng)合理預(yù)防措施。

作者簡介：姜孝美（1963），男，安徽淮北人，助理工程師，中專，從事特殊鑿井、凍結(jié)技術(shù)等工作。