淺析全井深凍結(jié)技術(shù)在蒙陜邊界特殊地層中的應(yīng)用

摘要：以本單位在內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)2個立井井筒均采用全井深凍結(jié)法快速施工為例，簡要介紹了全井深凍結(jié)技術(shù)在鄂爾多斯特殊地層中的應(yīng)用，施工工藝、防治水方案，為今后該地區(qū)建井提供可行的施工經(jīng)驗(yàn)。

Abstract： Taking the example of rapid construction with full well deep-freezing method of two well shafts in the Ordos area of Inner Mongolia as examples， the application， construction technology and the water control program of full well deep-freezing technology in the special formation of Ordos were briefly introduced， to provide experience for well construction.

關(guān)鍵詞：全井深凍結(jié)；凍結(jié)管處理；施工工藝

Key words： full well deep-freezing； freezing pipe treatment； construction process

中圖分類號：TU472.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）18-0121-02

1 兩井筒施工基本情況

1.1 母杜柴登副井井筒工程

1.1.1 工程概況 伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司母杜柴登礦井位于鄂爾多斯市境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮(zhèn)管轄。母杜柴登礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力6.0Mt/a，副井井筒直徑9.4m，井筒深度712m，采用全井深凍結(jié)法鑿井，凍結(jié)深度722m，該礦井為低瓦斯礦井。

1.1.2 施工方案 采用SJZ-8.12型傘鉆打眼；4.5m深孔光面光底爆破；兩臺HZ-6型中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)裝巖；兩套單鉤5m3吊桶提升；座鉤式自動翻矸；4.0m高液壓伸縮整體下移式金屬模板砌壁，一掘一砌；混凝土采用溜灰管輸送。外壁支護(hù)為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，凍結(jié)表土段支護(hù)厚度為600mm，凍結(jié)基巖段支護(hù)厚度為700mm，砼強(qiáng)度等級按不同段高為C40、C45、C60。

1.1.3 施工情況 ①爆破與接茬難度。井筒采用深孔爆破（鉆孔深度5.5m），鉆爆難度適中，裝、提矸石較為簡單，支護(hù)難度適中。遇到部分軟弱地層時，普通十字型鉆頭難以成孔，通過改進(jìn)麻花鉆桿和螺旋鉆頭，基本解決了軟巖成孔問題。井筒單層井壁段，采用接茬安裝止水鋼板并鋪設(shè)注漿管。施工工藝較為復(fù)雜，循環(huán)時間長，效果不明顯。②安裝止水鋼板與鋪設(shè)注漿管難度。單層井壁施工中安裝止水鋼板并鋪設(shè)注漿管與注漿管路的保護(hù)都是難題。止水鋼板最大塊達(dá)400kg，刃角高度最高為1.5m，安裝時有一定難度。注漿管在砼澆筑時容易堵塞，處理起來也較麻煩。

1.2 納林河主井井筒工程

1.2.1 工程概況 納林河礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，行政區(qū)劃屬鄂爾多斯市烏審旗納林河鎮(zhèn)管轄。納林河礦井是由中煤蒙大新能源化工基地開發(fā)有限公司投資興建，是內(nèi)蒙古侏羅紀(jì)煤田納林河礦區(qū)第一對大型礦井。礦井設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為5.0Mt，采用立井開拓，為低瓦斯井。

主井井深606m，掘砌井深607.748m，井筒凈直徑6m，采用全井深凍結(jié)法施工，凍結(jié)深度620m。井筒支護(hù)方式為雙層鋼筋混凝土復(fù)合井壁。

1.2.2 施工方案 采用綜合機(jī)械化配套方案；短段掘砌混合作業(yè)方式；兩臺提升絞車，兩套單鉤5m3/4m3吊桶提升；座鉤式自動翻矸；10-16t鑿井絞車懸吊管線，井口集中控制系統(tǒng)。采用SJZ-6.7型傘鉆打眼；4.2m深孔光面光底爆破；中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)裝巖，一掘一砌；外壁砌筑采用3.8m高度液壓伸縮整體移動式金屬模板，內(nèi)壁采用1.0m高金屬組合模板砌壁，自下而上連續(xù)砌筑。相關(guān)硐室采用與井筒順序施工法，先井筒施工到底后，再返上來施工硐室。

1.2.3 施工情況 井筒于2009年2月開工，2009年9月竣工，施工過程較為順利。井筒到底后，由于各種原因停工近一年，凍結(jié)壁解凍，上部含水層涌水通過凍結(jié)管環(huán)形空間導(dǎo)入井底，進(jìn)行了壁后壁間注漿和射孔注漿。二三期工程施工中未揭露較大含水層，總涌水量保持在100m3/h左右。

2 兩個井筒地質(zhì)與水文情況對比分析

2.1 地層 鄂爾多斯地區(qū)礦井所揭露的巖層自上而下主要為：第四系（Q）；白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）；侏羅系中統(tǒng)安定組（J2a）、直羅組（J2z）、延安組（J2y）及三疊系上統(tǒng)延長組（T3y），具體到礦井某些組段可能有部分缺失或厚度變化。

現(xiàn)將2個礦井巖層情況自上而下分別說明如下：

①第四系（Q）。按其成因，區(qū)內(nèi)第四系可分為湖積物（Q4l）、風(fēng)積沙（Q4eol）兩類。第四系不整合于其它老地層之上。②白堊系下統(tǒng)志丹群洛河組（K1zh）。巖性組合為一套淺紫、粉紅色細(xì)砂巖與灰白色粗～細(xì)砂巖互層，巖石成份以石英、長石為主，分選及磨圓度較差，泥質(zhì)膠潔，具大型槽狀、板狀交錯層理。③侏羅系。1）侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）。該地層巖性組合上部為灰紫、暗紫色泥巖，中夾灰綠色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖呈互層出現(xiàn)；下部為灰綠、青灰色中～粗砂巖，含碳屑，中夾粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。與下伏延安組（J2y）呈平行不整合接觸。2）侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）。為井田內(nèi)主要含煤地層，含2、3、4、5、6五個煤組，按其沉積旋回可劃分為三個巖段。④三疊系上統(tǒng)延長組（T3y）。為煤系地層沉積基底，區(qū)內(nèi)無出露，部分鉆孔也僅揭露其上部巖層，據(jù)區(qū)域地層資料，厚度大于100m。巖性以灰綠色中、細(xì)粒砂巖為主。砂巖成份以石英、長石為主，含巖屑及少量暗色礦物。磨圓度為次棱角狀，分選較差，泥質(zhì)填隙。發(fā)育大型板狀、槽狀交錯層理，為典型的曲流河沉積體系。

2.2 構(gòu)造 井田大地構(gòu)造分區(qū)基本屬于華北地臺鄂爾多斯臺向斜東勝隆起區(qū)，華北地臺經(jīng)歷了基底形成階段和蓋層穩(wěn)定發(fā)展階段之后，在晚三疊世末期開始進(jìn)入地臺活動階段。在華北地臺西部開始出現(xiàn)了繼承性大型內(nèi)陸坳陷型盆地—鄂爾多斯盆地，盆地的總體輪廓近似一長方形，其構(gòu)造形態(tài)總體為一寬緩的大向斜構(gòu)造（臺向斜），向斜核部偏西，東翼寬緩，西翼相對較陡。

2.3 水文地質(zhì) 根據(jù)井筒施工實(shí)際揭露的巖層情況看，巖層多以孔隙含水層為主，巖層以粗、中、細(xì)砂巖為主，只含有少量砂質(zhì)泥巖，砂質(zhì)泥巖一般不完整，塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，隔水效果差，各含水層滲透補(bǔ)給能力強(qiáng)，特別是在礫巖中含水層補(bǔ)給能力更強(qiáng)，以區(qū)外承壓水的側(cè)向徑流為主要補(bǔ)給源，大氣降水為次要補(bǔ)給源。

2.4 地質(zhì)水文共同點(diǎn)分析 ①巖層多以砂巖為主，少量砂質(zhì)泥巖，含水層多為粗、中、細(xì)粒砂巖。②砂巖巖層含水豐富，砂質(zhì)泥巖一般不完整，隔水能力差，地下水補(bǔ)給能力強(qiáng)。③巖石泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)差（有些層位沒有膠結(jié)，遇水容易泥化），硬度較低，容易風(fēng)化破碎。④煤層上部沒有隔水層，煤層頂板巖層含水量大。

3 井筒施工技術(shù)方案及井筒掘砌時防治水方案和針對性措施

3.1 井筒施工技術(shù)方案 根據(jù)本單位施工的多個西北地區(qū)井筒的經(jīng)驗(yàn)，鄂爾多斯地區(qū)的立井施工根據(jù)不同含水層情況，可選擇的施工方案有：①井筒凍結(jié)法鑿進(jìn)。②強(qiáng)行通過后，壁后注漿。③工作面化學(xué)注漿。④井外降水疏干輔助鑿井。

3.2 防治水方案與針對性措施 ①根據(jù)目前井筒施工的實(shí)際情況，本地區(qū)巖層主要為孔隙含水層，工作面普通漿液預(yù)注漿治水效果不明顯，井筒采用凍結(jié)法施工是最佳選擇，在目前井深條件下（一般井深多在侏羅系延安組，最大到三疊系延長組），為確保凍結(jié)效果，應(yīng)該全深凍結(jié)，并應(yīng)適當(dāng)延長凍結(jié)開挖時間，比計(jì)算凍結(jié)交圈時間延長20～30天，以確保凍結(jié)交圈。母杜柴登副井出水前后又多凍結(jié)了3個月。由于中、粗砂石孔隙率較大，滲透性較好，地下水徑流速度較快，對凍結(jié)可能產(chǎn)生一定影響，建議凍結(jié)孔在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮縮小孔間距。②采用凍結(jié)法施工的井筒，在井筒掘砌過程中，需要注意以下幾個方面：1）井筒掘砌過程中，應(yīng)注意觀察凍結(jié)壁的發(fā)展情況，探明凍結(jié)壁與荒徑的距離，如果凍結(jié)壁距離荒井壁距離較大，可以暫停掘砌施工，等待凍結(jié)壁繼續(xù)發(fā)展；2）與凍結(jié)管偏斜圖對比，如果某個區(qū)域凍結(jié)管偏斜過大時，要加大該凍結(jié)薄弱區(qū)域的鹽水流量。3）與凍結(jié)單位保持經(jīng)常溝通，對井筒測溫曲線情況進(jìn)行經(jīng)常性分析，溫度曲線是否有異常變化，如果溫度曲線在某一層段異常，到異常層位時，應(yīng)暫停開挖施工，確定是否交圈。4）如果開挖過程中井筒出水，超過正常計(jì)算的凍結(jié)膨脹出水量，應(yīng)特別注意，及時停止挖掘，研究制定針對性措施，再進(jìn)行下一步施工。5）井筒開挖過程中，凍結(jié)單位應(yīng)提供準(zhǔn)確的鉆孔偏斜圖，以保證周邊眼距凍結(jié)管距離，防止爆破崩壞凍結(jié)管。6）套壁結(jié)束后，硐室澆筑混凝土?xí)r，在割除的凍結(jié)管位置提前埋設(shè)注漿管，為將來凍結(jié)壁解凍后，凍結(jié)管與荒壁空隙注漿做好準(zhǔn)備。

3.3 井筒凍結(jié)壁解凍后，與井筒相連硐室或巷道涌水的治理 采用全深凍結(jié)法施工井筒時，凍結(jié)壁解凍后有可能通過凍結(jié)管與荒壁空隙將上下含水層溝通，導(dǎo)致出水，為此應(yīng)提前做好準(zhǔn)備工作：①為防止出現(xiàn)含水層涌水從凍結(jié)管壁后空隙上下貫通出水，形成上下過水通道，在凍結(jié)壁解凍后，及時對凍結(jié)管進(jìn)行射孔注漿，將凍結(jié)管壁后空隙用水泥漿充填。另外凍結(jié)單位在下凍結(jié)管時，使用緩凝水泥漿液封堵凍結(jié)管與荒壁之間空隙，進(jìn)行泥漿轉(zhuǎn)換也是一種很好的方法。②與井筒相連硐室施工時，在割除凍結(jié)管位置提前預(yù)埋注漿管，注漿管伸入到凍結(jié)管壁后而且盡量加長，外口部安設(shè)止水閥，待凍結(jié)壁解凍后，進(jìn)行硐室及井筒壁后注漿，充填硐室壁后和凍結(jié)管壁后空隙。③與井筒相連硐室施工后，凍結(jié)壁尚未解凍前，將硐室或巷道迎頭及底板進(jìn)行全封閉，迎頭施工擋水墻，底板鋪設(shè)一定厚度，防止涌水從迎頭或底板涌出，為解凍后注漿工作打下基礎(chǔ)。硐室施工完畢后，也可進(jìn)行硐室壁后注漿，封堵硐室壁后空間，保證硐室受力均衡。

3.4 二、三期工程的防治水方案與針對性措施 針對本地區(qū)下部巖層含水豐富的特征，在二、三期工程施工期間，提出以下綜合防治水方案：①二、三期工程施工前應(yīng)形成比較完善的排水系統(tǒng)，保證有足夠的排水能力。②施工前應(yīng)編制探放水專項(xiàng)措施，堅(jiān)持“逢掘必探、先探后掘”的原則，如果探到較大含水層，及時關(guān)閉孔口管閥門，做到控制水量的涌出，不造成淹井事故，然后進(jìn)一步采取措施。要提前掌握含水層的位置，涌水量的大小、壓力等參數(shù)指標(biāo)，為下一步治水工作提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。③二、三期工程施工時，由于巷道施工屬于開放式開挖，正常情況下只能加大臨時泵房排水能力，確保涌水的及時排出。必要時在局部區(qū)域內(nèi)可采用全封閉巷道，進(jìn)行工作面超前注漿或壁后注漿等。④在該地區(qū)泥巖地層中開拓巷道，受地壓和本身膨脹影響，可能會發(fā)生底鼓、巷道開裂變形等現(xiàn)象，應(yīng)先采用錨網(wǎng)噴一次支護(hù)，待壓力釋放并穩(wěn)定后，再進(jìn)行架設(shè)U型支架或混凝土砌碹支護(hù)等二次支護(hù)。

4 鄂爾多斯建井防治水建議

①鄂爾多斯地區(qū)新建礦井應(yīng)盡量采用凍結(jié)法施工，一般應(yīng)凍結(jié)全深，如果對水文情況掌握比較清楚準(zhǔn)確時，下部硐室部位也可不凍。為保證井壁的封水效果、設(shè)計(jì)上應(yīng)采用雙層井壁。②建議在深井凍結(jié)時，應(yīng)適當(dāng)縮小凍結(jié)管間距或采用雙排孔凍結(jié)。③馬頭門位置的選擇要合理，盡量避開軟弱巖層、膨脹巖層或含水層，并研究制定可行支護(hù)方案。④根據(jù)測溫孔溫度變化情況推測凍結(jié)壁解凍時間，提前做好凍結(jié)管射孔注漿準(zhǔn)備。

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