凍結法鑿井施工技術探析

管玉華

(山東華新建筑工程集團有限責任公司,山東泰安 271219)

凍結法鑿井施工技術探析

管玉華

(山東華新建筑工程集團有限責任公司,山東泰安 271219)

本文論述了凍結法鑿井的施工技術,其中,主要包括對井簡凍結方案進行審查、凍結造孔施工的開展,以及控制凍結制冷施工的整個過程。

凍結法 鑿井 施工 技術

1 凍結法鑿井原理及在我國的應用

凍結鑿井法是用制冷技術暫時凍結加固井筒周圍不穩(wěn)定地層并隔絕地下水后再鑿井的特殊施工方法,又稱凍結法鑿井。凍結法鑿井在我國煤礦立井井筒施工中被廣泛采用,為了滿足目前凍結法施工的迫切需要,中國煤炭建設協(xié)會組織制定了“煤礦凍結法開鑿立井工程暫行技術規(guī)范”,現(xiàn)已發(fā)布施行。巖土工程凍結法通常是利用物質由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài),即氣化過程的吸熱現(xiàn)象來達到將土體中的水冷卻、結冰的目的。其制冷系統(tǒng)多以氨作為制冷工質。為了使氨由液態(tài)變成氣態(tài),由氣態(tài)又變?yōu)橐簯B(tài),如此循環(huán)進行,整個制冷系統(tǒng)是由三大循環(huán)構成:一是氨循環(huán)系統(tǒng),二是鹽水循環(huán)系統(tǒng),三是冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。這三種制冷系統(tǒng)一般可以獲得-30℃～ -35℃的低溫鹽水。凍結法的特點是技術可靠,安全性高,特別適用于在松散含水表土層的土木工程施工。缺點是準備的時間比較長,需要的設備比較多,需要的成本較高。

我國煤礦立井凍結法鑿井法采用的是傳統(tǒng)的氨循環(huán)制冷技術。它是在開挖井筒之前,采用人工制冷的方法,將井筒周圍含水地層凍結成一個封閉的不透水的凍結壁,用于抵抗地壓、水壓,隔絕地下水與井筒之問的聯(lián)系。然后,在其保護下進行掘砌施工,待掘砌到預計的深度后,停止凍結,進行拔管和充填工作。為形成凍結壁,首先在欲開挖井筒的周圍打一定數量的凍結孔,孔內安裝凍結器。低溫鹽水在凍結器中流動,吸收其周圍地層之熱量,形成凍結圓柱并逐漸擴大連接成封閉的凍結壁,直至達到其設計厚度和強度為止,以便安全穿過含水地層。凍結法鑿井主要工藝過程包括:冷凍站安裝、鉆孔施工、井筒凍結和井筒掘砌四大內容。

2 對井簡凍結方案進行審查

第一,確定井幫暴露時間與深厚膨脹粘土施工段高。確保少于2.5m的段高,以及在20小時內的井幫暴露時間。

第二,確定水文孔區(qū)域。需要在沖積層最下面的含水層中深入表土段水文孔,在距離井筒中心1m遠的區(qū)域進行布置,確保不會影響到井筒的測量與提升。報導水文觀測孔通常存在單管分層報導以及單孔單層報導含水層的情況這兩種形式。

第三,積極凍結期鹽水溫度。為了對交圈進迅速地凍結,需要在穩(wěn)定安全以及實用經濟的前提下盡量地使得鹽水的溫度降低,通常在積極凍結階段,盡快地降低鹽水溫度在-30℃以下,而需要保持-30℃～-32℃的強化凍結階段的鹽溫。

第四,復核凍結機組制冷能力。為了將快速交圈和快速凍結的目標得以實現(xiàn),務必保證凍結機組制冷能力跟井筒凍結要求相符合。因為要求進行井筒需冷量計算,在對有關參數進行選擇的時候,受到忽視施工環(huán)境、認為要素、參數選擇誤差,以及經驗數據局限的影響,會導致較小的井筒需冷量計算結果,從而使得凍結站的裝機能力存在缺陷。為此,需要根據井筒實際需冷量選擇高效安全的螺桿機組充當凍結站裝機容量。

第五,確定井筒凍結深度。對井筒凍結深度進行合理確定,這跟基巖段施工的不間斷性以及井筒凍結段施工安全密切相關,為此,在井筒凍結方案當中需要對井筒凍結深度進行嚴格地審查。通常是由滲透系數、巖性、含水層等資料來確定凍結深度,務必深入不透水穩(wěn)定巖層至少10m。在基巖下大概30m依舊存在含水層的過程中,需要將凍結深度延伸。

3 凍結造孔施工的開展

第一,在施工的過程中需要高度關注凍結管焊接的打壓和質量、凍結孔的測斜、確認下管實際深度,以及復核凍結管配管總長度。

第二,在終孔測斜的過程中,因為通常在距孔底5m～7m的區(qū)域放置陀螺,為此,凍結深度的檢查需要統(tǒng)一鉆具丈量以及孔測斜應記錄。

第三,鉆場基礎務必確保具備充足的平整度與承載能力,進而確保鉆機的平移、正常施工鉆孔豎直度。通常大概是700m的鉆場基礎厚度。倘若不能夠有效地回填凍結鉆場基礎,那么在打鉆的過程中,由于鉆基礎的沉降不夠均勻,會使得結孔發(fā)生偏斜,就難以下放凍結到制定的區(qū)域。

4 控制凍結制冷施工的整個過程

第一,為了確保井筒掘砌施工可以在深厚黏土層中安全地通過,尤其是對于膨脹粘土層,井筒凍結單位需要系統(tǒng)化地管理其凍結運行,避免出現(xiàn)斷管事故。鹽水的流量和溫度務必實現(xiàn)井筒安全施工的要求,保障-8℃以下的井幫溫度,且對井幫位移量進行控制。在通過深厚膨脹粘土層的過程中,凍結單位需要強化測量工作面底鼓進、井幫溫度,以及凍土入荒。

第二,在地溝槽旋工的過程中,需要跟掘砌單位溝通好,進而對地溝槽的建筑構造進行確定,從而實現(xiàn)將來井簡掘砌通風以及出矸的要求。做好地溝槽地面的防水工作,防止在井筒中滲入地表水。

第三,必須均勻地攪拌溶化氯化鈣,鹽水濃度的確定結合鹽水溫度進行,避免氯化鈣溶液發(fā)生析鹽和析冰的情況。在凍結法施工的過程中,冷卻水水源井區(qū)域變得十分關鍵。不適當地選用,會對凍結的效果產生不利的影響。通常來講,需要在距凍結井筒至少300m、地下水的上游,以及降水漏斗影響范圍外設計凍結井筒。對礦井周圍500m的水源井做好登記,并且對凍結井筒的水文孔水位的改進進行監(jiān)測,從而防止對井筒凍結交圈產生影響。

5 結語

總起來說,凍結法是巖土工程施工中的一種輔助手段,當遇到涌水、流沙和淤泥等復雜不穩(wěn)定地質條件時,需要施工地下工程結構,在技術、經濟分析比較的基礎上,可以選用凍結法施工。凍結法鑿井施工技術的引入,被普遍地應用于不穩(wěn)定地層立井施工當中。在我國,凍結法鑿井施工技術已經變成通過裂隙含水巖層和不穩(wěn)定沖積層的重要施工技術,有著速度快和施工安全的巨大優(yōu)勢。經過上述的探究,在鑿井施工中應用凍結法能夠確保井筒的經濟性和安全性。

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[2]姚直書,程樺,張國勇 等.特厚沖積層凍結法鑿井外層井壁受力實測研究[J].煤炭科學技術,2004(6):49-52．

[3]賀利民.凍結法在基坑支護工程中的應用研究[J].山西建筑,2007,33(8):135-136．

管玉華(1979-),男,漢族,2003年7月畢業(yè)于華北科技學院機電一體化專業(yè),現(xiàn)在山東華新建筑工程集團有限責任公司從事礦井建設施工的技術管理工作,工程師。