彬長礦區(qū)基巖全深凍結(jié)監(jiān)測研究*

孫?？瑓?強(qiáng)

(1.山東能源淄博礦業(yè)集團(tuán)，山東 淄博255120;2.山東省充填開采工程研究中心，山東 淄博255120)

0 引 言

凍結(jié)法是井筒通過復(fù)雜地層采用最多的特殊施工方法之一，采用凍結(jié)法鑿井較多的國家如德國、英國、波蘭、前蘇聯(lián)等，多為含水量大和地壓較大的基巖地段［1］。井筒凍結(jié)深度最大超過900 m，凍結(jié)井筒穿過的沖積層厚度最大接近600 m［2］。英國博爾比鉀鹽礦，凍結(jié)深度930 m，主要凍結(jié)地層為埋深645 ～930 m 的本特砂巖［3］。

國內(nèi)采用凍結(jié)法鑿井以來，已施工700 多個(gè)立井井筒，最近幾年，國家對煤炭需求增加，大于500 m 特厚沖積層條件礦區(qū)開始探索并成功建井［4］。龍固礦、丁集礦、趙固一礦、趙固二礦新井需穿過的沖積層的厚度分別為567.7，530.4，526.5，530.5，600 m 左右的沖積層凍結(jié)施工已經(jīng)基本成熟［5］。

在中國西部煤炭資源大開發(fā)初期，由于對深厚富水基巖地層認(rèn)識不足，多采用普通法鑿井，遇水時(shí)借助注漿或降水等措施強(qiáng)行通過含水層。由于此類地區(qū)的基巖地層多為孔(裂)隙復(fù)合含水，注漿堵水效果差，疏排水亦較為困難，地面預(yù)注漿和工作面注漿堵水與降水效果不好。例如，亭南、塔然高勒、核桃峪等煤礦的立井井筒因注漿堵水無效被迫改用凍結(jié)法鑿井，麥垛山等礦井也因降水失敗而改用凍結(jié)法施工，使建設(shè)時(shí)間和建設(shè)費(fèi)用受到重大影響［6］。

東部地區(qū)凍結(jié)的主要對象是第四系、第三系地層，厚500 ～600 m，以含水豐富的松散流砂層及粘土層為主。西部地區(qū)凍結(jié)的主要對象是白堊系、侏羅系軟弱地層，厚800 ～900 m，賦存基巖承壓含水層，靜水位高，水壓大。2 個(gè)地區(qū)的地層特性差異較大，地質(zhì)條件之復(fù)雜，在世界上是罕見的。

文中基于基巖為主的強(qiáng)含水層深井全部凍結(jié)，重點(diǎn)介紹井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和監(jiān)測技術(shù)。

1 工程和地質(zhì)概況

1.1 工程概況

高家堡礦井屬鄂爾多斯盆地南部陜西彬長礦區(qū)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力5.0 Mt/a，采用立井開拓方式，采用特殊凍結(jié)法施工，主、副、風(fēng)井凍結(jié)深度達(dá)分別到788，850，860 m，是目前國內(nèi)最深的軟巖凍結(jié)井之一。

高家堡礦井井筒具有以下難度和特點(diǎn)

1)地下水流速大。主檢50 m 處流速為0.51 m/h，放水試驗(yàn)結(jié)束后，測得風(fēng)檢孔流速為2.26 m/h;

2)承壓水水壓高。主井第四系+基巖風(fēng)化帶含水層水位深度18.86 m，水位標(biāo)高+910.17 m;風(fēng)井洛河組砂巖含水層水位深度16.11 m，水位標(biāo)高+941.07 m;副井洛河組砂巖含水層水位深度17.70 m，水位標(biāo)高+940.94 m，直羅組、延安組含水層水位深度99.72 m，水位標(biāo)高+1 022.96 m.故承壓水水壓大會造成凍結(jié)孔垂向流動，增加凍結(jié)難度。

3)地溫高、結(jié)冰溫度低。測溫資料顯示主副風(fēng)井井底溫度分別為40.3，38.4，39 ℃，所有測試巖體的結(jié)冰溫度均較低且差別不大，結(jié)冰溫度在-3.0 ～-3.5 ℃之間，為了保證深部巖體能夠處于穩(wěn)定的凍結(jié)狀態(tài)，其井幫不能高于-5 ℃.

1.2 井筒地質(zhì)水文條件

1.2.1 地層

依據(jù)鉆孔揭露地層由老至新依次有:三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)侏羅系下統(tǒng)富縣組(J 1f)，中統(tǒng)延安組(J 2y)、直羅組(J 2z)、安定組(J 2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K 1y)、洛河組(K 1l)、華池組(K 1h)及第四、三系地層(Q+N)。

其中:三疊系上統(tǒng)胡家村組(T 3h):巖性主要為灰綠色、灰色、深灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖以及細(xì)粒砂巖，由于該地段缺失富縣組，在三疊系的頂部具有不太明顯的暗紅色斑塊。三孔均未揭穿，主、副、風(fēng)井井檢孔揭露厚度分別為123.84，106.70，52.95 m.

侏羅系地層:巖性為紫雜色、灰色、灰綠色泥巖，含有礫巖、泥質(zhì)粉砂巖，呈團(tuán)塊狀，質(zhì)純、致密、細(xì)膩、松軟易破碎;厚度平均為78.92 m.

白堊系地層:巖性有雜色巨厚層狀粗礫巖、紫紅色、棕紅色細(xì)～粗粒長石石英砂巖、紫褐色、褐灰色泥巖。礫徑一般30 ～50 mm，最大150 mm 以上;砂巖次棱角-次圓狀，分選差，基底式或孔隙式膠結(jié)，致密堅(jiān)硬;泥巖，細(xì)膩致密，較均勻。厚度平均為644.88 m.

第四系及第三系(Q +N):包括第四系中更新統(tǒng)離石黃土和上更新統(tǒng)馬蘭黃土。馬蘭黃土以粉土為主，疏松、具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，透水性好。離石黃土為亞粘土與古土壤互層，上部結(jié)構(gòu)疏松，具孔隙，含不規(guī)則鈣質(zhì)結(jié)核;下部致密，孔隙少而小，夾多層鈣質(zhì)結(jié)核。包括第三系紅土及第四系下更新統(tǒng)午城黃土。接近底部有近4 m 厚的卵石層，松散，粒徑一般25 ～80 mm.最大200 mm，成份以石英巖、變質(zhì)巖、灰?guī)r為主。三個(gè)井筒井檢孔平均厚度23.97 m.

1.2.2 構(gòu)造

彬長礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部的彬縣-黃陵坳褶帶?？傮w構(gòu)造形態(tài)為中生界構(gòu)成的NW 緩傾的大型單斜構(gòu)造。在此單斜上產(chǎn)生一些寬緩而不連續(xù)的褶皺。

本次施工的井筒位置位于廟-彬凹陷內(nèi)，七里鋪-西坡背斜的南翼。傾角1° ～4°，巖層較為平緩。井田內(nèi)斷層罕見，但在東南部的水簾礦、火石咀礦、下溝礦的生產(chǎn)礦井見少量斷距在1.2 ～6 m的小斷層。3#檢查孔附近沒有發(fā)現(xiàn)斷層，屬巖層平緩、簡單構(gòu)造類型。

1.2.3 主要含水層

第四、三系含水層:抽水試驗(yàn)涌水量單位涌水量q:0. 007 123 L/s·m，滲透系數(shù)K:0. 060 08 m·d-1，富水性微弱，礦化度0.846 g·L-1，水質(zhì)類型為HCO3-Na 型。

洛河組砂礫巖含水層:鉆孔揭穿最厚為副井井檢孔373.40 m，風(fēng)井井檢孔371.37 m，最薄為主井井檢孔371.28 m，平均厚度372.02 m.

該含水層靜水位標(biāo)高+940.94 ～+941.07 m，降深5.54 ～16.19 m，涌水量6.839 ～19.642 L/s，單位涌水量1.210 ～1.487 L/s·m，平均1.338 L/s·m，滲透系數(shù)0. 379 7 ～0. 436 8 m/d，平均0.407 0 m/d，礦化度0.904 ～0.977 g/L，水溫24 ～25 ℃.水化學(xué)類型主要為HCO3·Cl·SO4-(K +Na)型，是影響井筒施工的主要含水層。

從井筒各含水層段涌水量結(jié)果來看，第四、三系含水層的富水性弱-中等，洛河組含水層富水性強(qiáng)，延安組含水層富水性較強(qiáng)-強(qiáng)。

2 井筒信息化監(jiān)測內(nèi)容與方案

由于井筒深，凍結(jié)深度大，為確保安全通過凍結(jié)段，并了解井筒掘進(jìn)過程中井壁凍結(jié)情況、溫度變化等，有效評估凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r，并分析凍結(jié)壁、井壁的安全與穩(wěn)定性。需要對井幫溫度、井底溫度、空氣溫度以及井幫位移等進(jìn)行監(jiān)測，掌握井壁外載的增長狀況，從而能較為準(zhǔn)確地評估外層井壁的安全性;混凝土應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力監(jiān)測，則可直接評估井壁結(jié)構(gòu)的安全性［7-8］。

2.1 井筒工作面溫度與變形監(jiān)測

1)溫度監(jiān)測:包括井幫溫度、井底溫度、空氣溫度。

2)變形監(jiān)測:包括井幫位移、井底位移、收斂位移。

2.2 已成型井壁段溫度、受力及變形監(jiān)測

1)圍巖外層井壁及凍結(jié)壁內(nèi)的溫度。

2)圍巖凍結(jié)壓力、外壁混凝土應(yīng)變和鋼筋應(yīng)力監(jiān)測。

2.3 傳感器

本次監(jiān)測采用壓力盒6 只，鋼筋計(jì)4 只，混凝土應(yīng)變計(jì)4 只，儀器如圖1 ～5 所示。

圖1 溫度傳感器Fig.1 Temperature sensor

圖2 壓力盒Fig.2 Pressure box

圖3 混凝土應(yīng)變計(jì)Fig.3 Concrete strain gauge

圖4 鋼筋應(yīng)力計(jì)Fig.4 Reinforcement stress meter

圖5 傳感器引線的匯總電纜Fig.5 Sensor wire of the gather cable

2.4 測點(diǎn)布置

每一監(jiān)測斷面沿井筒外壁周向均勻布置6 個(gè)壓力盒，4 個(gè)混凝土應(yīng)變計(jì)，4 個(gè)鋼筋計(jì)，測點(diǎn)布置具體布設(shè)位置，如圖6 所示。

圖6 傳感器測點(diǎn)布置Fig.6 Arrangement points of the sensor measurement

3 測試數(shù)據(jù)的分析

3.1 溫度監(jiān)測

井壁溫度測點(diǎn):從J1到J10，依次從井壁內(nèi)側(cè)沿徑向向外，其中J1距離井壁內(nèi)表面約20 mm，測點(diǎn)之間的平均間距約100 mm.

凍結(jié)壁溫度測點(diǎn):從D1到D6，依次從井幫測溫孔深部向外，受測溫孔深度(約400 mm 限制)，D5，D6測點(diǎn)位于井壁內(nèi)。

圖7 掘進(jìn)井壁溫度變化曲線Fig.7 Driving shaft temperature change curve

圖8 井壁內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化Fig.8 Borehole wall temperature changes over time

圖9 安裝后某時(shí)刻井壁內(nèi)溫度的徑向分布Fig.9 After installing the radial distribution of temperature in borehole wall in a moment

圖10 凍結(jié)壁內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化Fig.10 Frozen wall temperature changes over time

圖11 安裝后某時(shí)刻凍結(jié)壁內(nèi)溫度的徑向分布Fig.11 After install some time after the radial distribution of the temperature of the frozen wall

3.2 凍結(jié)壓力

對壓力盒測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，獲得了凍結(jié)壁側(cè)向壓力隨時(shí)間的變化曲線，分別如圖12，13所示。

1)根據(jù)井壁溫度的測試數(shù)據(jù)、曲線可見

由J10測點(diǎn)的溫度曲線可見，傳感器安裝16 h之內(nèi)，J10測溫點(diǎn)一直處于降溫過程中;此后溫度開始緩慢回升，受水化熱的影響明顯滯后于其余測點(diǎn)。該現(xiàn)象估計(jì)與該測點(diǎn)緊貼泡沫板、且距上一段井壁較近有關(guān)。預(yù)計(jì)隨時(shí)間延長，J10測點(diǎn)溫度會繼續(xù)升高，逐漸與J9測點(diǎn)溫度接近，使井壁內(nèi)部-外側(cè)之間的溫差得以減小。

由D5，D6溫度曲線可見，上述兩測點(diǎn)先后達(dá)到的最高溫度分別是60.937，67.3 ℃，遠(yuǎn)高于同一時(shí)刻位置相近的J9，J10測點(diǎn)，分析認(rèn)為，上述兩熱電偶測試結(jié)果存在較大誤差。

然而，鑒于段高中間位置的水化熱更容易積聚，因此，就整個(gè)段高而言，井壁內(nèi)的溫度最高點(diǎn)應(yīng)位于段高的中間部位。此次由于測溫桿需要借助儀表箱托架進(jìn)行安裝，未能測得最大溫度值，

通過上述測試數(shù)據(jù)分析可見，混凝土澆注后，由于水化熱的釋放，井壁內(nèi)外的溫差是客觀存在的，尤其是澆注初期，井壁外表面與井壁內(nèi)部的溫差較大，但是，隨時(shí)間延長，該溫差有望逐漸降低，從而使得井壁中部與其內(nèi)、外表面的溫差均保持的25 ℃之內(nèi)。減輕溫度裂縫的出現(xiàn)。

2)根據(jù)凍結(jié)壁測溫?cái)?shù)據(jù)、曲線可見:

井壁澆注過程中，井幫測溫孔深部的3 個(gè)測點(diǎn)(D1～D3)溫度略有升高，但趨勢緩慢;位于井幫淺層、距井幫表面約10 cm 的D4測點(diǎn)在安裝16 h(此時(shí)約為混凝土澆注完畢后的8 h)后，呈現(xiàn)處明顯的升溫趨勢。

由于混凝土水化熱釋放、傳導(dǎo)對外側(cè)凍土的影響必然存在一定的滯后，而此次溫度測量數(shù)據(jù)不足24 h，因此，尚無法對于井幫凍土是否融化、以及融化深度進(jìn)行確鑿地判斷。

但是，從井壁拆模，并歷經(jīng)數(shù)個(gè)段高后，井壁接茬部位往往存在一定的輕微流水現(xiàn)象看，壁后凍土出現(xiàn)融化、并進(jìn)而發(fā)生回凍是客觀存在的。何時(shí)開始回凍、凍脹壓力如何增長及其最大值是開展井壁安全研究需要關(guān)注的重點(diǎn)之一。

由測試數(shù)據(jù)及其曲線可見

1)當(dāng)凍結(jié)壁側(cè)向壓力正處于逐漸增長過程中，增長速度以A 測點(diǎn)最為顯著，C，B 點(diǎn)次之。

2)最大凍結(jié)壓力為A 點(diǎn)的1.18 MPa，其余測點(diǎn)測得的凍結(jié)壓力均遠(yuǎn)小于1 MPa，其中C，B 點(diǎn)分別為0.28，0.24 MPa. 因此，從凍結(jié)壓力測試結(jié)果看，井壁處于正常工作狀態(tài)。

3.3 鋼筋軸力

由鋼筋計(jì)測試數(shù)據(jù)處理后獲得了鋼筋的軸力變化曲線，如圖14，15 所示。

通過鋼筋軸力測試數(shù)據(jù)及曲線可見

圖12 凍結(jié)壁側(cè)向壓力的變化曲線Fig.12 Frozen wall change of lateral pressure curve

圖13 凍結(jié)壁側(cè)向壓力的變化曲線Fig.13 Frozen wall change of lateral pressure curve

1)豎向鋼筋目前呈現(xiàn)為受拉狀態(tài)，尤其B 點(diǎn)拉力最大，達(dá)到24.3 kN，D 點(diǎn)達(dá)到16.5 kN，A，C測點(diǎn)數(shù)據(jù)異常，但曲線顯示，其豎向鋼筋也屬于受拉狀態(tài)。

2)環(huán)向鋼筋目前呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，尤其D 點(diǎn)壓力最大，達(dá)到57.4 kN，A 點(diǎn)達(dá)到38.9 kN，B，C 測點(diǎn)也分別達(dá)到了34.5，16.4 kN.

3)就鋼筋軸力的絕對值而言，環(huán)向鋼筋的受力普遍大于豎向鋼筋的受力，但相對于鋼筋的抗拉、抗壓強(qiáng)度而言，均處于安全狀態(tài)。

4)鋼筋受力的不均勻性明顯，顯示了井壁外側(cè)凍結(jié)壓力的不均勻性。

3.4 混凝土應(yīng)變

通過對混凝土應(yīng)變計(jì)測試數(shù)據(jù)的處理，得到井壁混凝土應(yīng)變值的變化曲線。

其中，處于同一方位、沿徑向分布的A，E，F(xiàn) 點(diǎn)的混凝土應(yīng)變曲線，如圖16，17 所示;而處于井壁外緣、分布于不同方位的A，B，C，D 測點(diǎn)的混凝土應(yīng)變曲線，如圖18，19 所示。

由混凝土應(yīng)變測試數(shù)據(jù)及其隨時(shí)間的變化曲線可見

圖14 鋼筋計(jì)軸力隨時(shí)間變化曲線Fig.14 Steel bar meter axial force changing with time curve

圖15 鋼筋計(jì)軸力變化曲線Fig.15 Steel bar meter curves of axial force

圖16 A，E，F(xiàn) 測點(diǎn)的混凝土應(yīng)變曲線Fig.16 A，E，F(xiàn) measuring point concrete strain curve

1)井壁豎向應(yīng)變、徑向應(yīng)變均為拉應(yīng)變，而環(huán)向應(yīng)變均為壓應(yīng)變。圖16，17 中，沿同一方位、徑向布置的A、E 測點(diǎn)的徑向應(yīng)變極為接近，表明該方向傳感器工作狀態(tài)良好。

2)豎向應(yīng)變中，A 點(diǎn)測值較大(B 點(diǎn)豎向應(yīng)變計(jì)僅取得了部分?jǐn)?shù)據(jù))，目前達(dá)到290 με;D，E，F(xiàn)較為接近，目前均在150 με 左右;

圖17 A，E，F(xiàn) 測點(diǎn)的混凝土應(yīng)變曲線Fig.17 A，E，F(xiàn) measuring point strain curve of concrete

圖18 A，B，C，D 測點(diǎn)的混凝土應(yīng)變曲線Fig.18 A，B，C，D measuring point strain curve of concrete

3)環(huán)向應(yīng)變中，B 測點(diǎn)的測試值較大，達(dá)到150 με，而C 點(diǎn)測值最小，不足50 με，位于同一方位上的A，E，F(xiàn) 測點(diǎn)，環(huán)向應(yīng)變較為接近，分別為96，112，118 με，位于外側(cè)的A 點(diǎn)最小，位于內(nèi)側(cè)的F 點(diǎn)最大，其大小關(guān)系與理論分析一致，也證明了傳感器測試結(jié)果的可靠性。

4)徑向應(yīng)變中全部為拉應(yīng)變，分析認(rèn)為與井壁內(nèi)各點(diǎn)環(huán)向壓應(yīng)力占主導(dǎo)地位有關(guān)，同時(shí)，也與井壁內(nèi)的溫度變化有關(guān)。

圖19 A，B，C，D 測點(diǎn)的混凝土應(yīng)變曲線Fig.19 A，B，C，D measuring point strain curve of concrete

4 結(jié) 論

高家堡礦井井筒穿越巖層遇水泥化和裂隙發(fā)育，同時(shí)面臨高地溫的地質(zhì)條件和大流速高承壓的復(fù)雜水文條件，采用全深凍結(jié)方案，主、副、風(fēng)井凍結(jié)深度達(dá)分別到788，850，860 m，是目前國內(nèi)最深的軟巖凍結(jié)井之一。為確保安全通過凍結(jié)段，并了解井筒掘進(jìn)過程中井壁凍結(jié)情況、溫度變化等，有效評估凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r，并分析凍結(jié)壁、井壁的安全與穩(wěn)定性，對凍結(jié)施工全過程進(jìn)行信息化監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了安全快速掘進(jìn)，節(jié)約了礦井建設(shè)成本。監(jiān)測成果如下

1)監(jiān)測部位井壁外側(cè)凍結(jié)壓力仍處于增長狀態(tài)，井壁鋼筋受力繼續(xù)增大，混凝土應(yīng)變類似增長，但增速趨緩，凍結(jié)壓力、鋼筋計(jì)軸力、混凝土環(huán)向壓應(yīng)變等最大值均處于允許范圍內(nèi)，表明該部位井壁處于安全狀態(tài)。

2)從監(jiān)測點(diǎn)凍結(jié)壓力變化情況表明井壁不均勻受壓明顯。鋼筋受力、混凝土應(yīng)變的最大值均小于允許值，井壁是安全的，仍需要進(jìn)一步觀測以確定其安全性。

3)隨深度增加，井壁外側(cè)凍結(jié)壓力來壓早，且增長迅速，量值大。在此條件下，如果井壁混凝土不能達(dá)到較高的早期強(qiáng)度，則井壁結(jié)構(gòu)將面臨因承載力不足而發(fā)生強(qiáng)度破壞的危險(xiǎn)。

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