南疆地區(qū)修復(fù)井凍結(jié)壁開窗出水原因分析及修復(fù)施工關(guān)鍵技術(shù)

劉明根

（中煤特殊鑿井有限責(zé)任公司，安徽淮北235044）

塔什店礦區(qū)一號(hào)礦井主立井工程設(shè)計(jì)深度742.5m，最初采用普通法鑿井施工，已掘深345.3m，因工作面涌水量過大采用工作面預(yù)注漿封水，最終因水量過大而淹井停工。而后采用凍結(jié)法進(jìn)行修復(fù)處理，凍結(jié)深度設(shè)計(jì)499m。

近些年我國采用普通法開鑿井筒而出現(xiàn)淹井的事故越來越多，考慮到施工成本和建井周期的問題，在一些地質(zhì)情況相對穩(wěn)定的地區(qū)一般采取普通法鑿井，這樣做的好處是礦井建設(shè)周期快、投產(chǎn)快、見效益塊。目前國內(nèi)采用凍結(jié)法修復(fù)井最深的是甘肅的核桃峪風(fēng)井916m，但是在新疆地區(qū)還無此案例。本項(xiàng)目涉及到修復(fù)井施工不同于中東部地區(qū)井筒，該地區(qū)的地下水流速、水量受季節(jié)性影響巨大，不能按照以往的設(shè)計(jì)思路來進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工，必須綜合考慮當(dāng)?shù)氐臍夂?、水文地質(zhì)等條件的影響，否則將會(huì)造成嚴(yán)重的后果。本工程就是探討這一情況。

1 工程概況

塔什店礦區(qū)一號(hào)井主立井工程設(shè)計(jì)直徑5.5m，現(xiàn)有井壁厚度0.85m，凍結(jié)段井壁厚度1.35m，凍結(jié)深度499m。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

根據(jù)井筒檢查孔揭露及地質(zhì)報(bào)告描述，主立井井筒穿過地層有：第四系、新生界的第三系、侏羅系、中生界的三疊系，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件主要如下：

（1）根據(jù)井筒已開挖段實(shí)際揭露地層顯示，主立井第四系為連續(xù)厚度近100m的礫石層，礫石層松散、破碎、未固結(jié)，完整性及穩(wěn)定性極差，為透水不含水地層，可廣泛接收大氣降水補(bǔ)給和春季溶雪滲入補(bǔ)給。

（2）第三系上新統(tǒng)葡萄溝組以泥巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)是良好的隔水層。其中主井已掘砌段揭露8層流砂含水層。

（3）第三系中新統(tǒng)—漸新統(tǒng)桃樹園組砂礫巖層是礦井的主要含水層，該層厚度較大，固結(jié)較差，含水豐富，能夠廣泛接受上部含水層的補(bǔ)給。主、副井井筒施工進(jìn)入該層位后出水量較大，副井最大峰值達(dá)到400m3/h。

（4）主井筒在采用普通法施工出水后，由于涌水涌砂，可能造成主要含水地層的地質(zhì)條件發(fā)生變化。

3 井筒凍結(jié)設(shè)計(jì)

根據(jù)塔什店主立井井筒凍結(jié)工程招標(biāo)文件提供凍結(jié)施工方案，井筒主要凍結(jié)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主立井凍結(jié)主要技術(shù)參數(shù)表見

4 施工情況經(jīng)過

主井井筒施工組織設(shè)計(jì)于開工前評(píng)審?fù)戤?，根?jù)工期安排主井井筒凍結(jié)孔施工于1月23日開鉆；同年5月1日凍結(jié)站充氨開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，至7月14日凍結(jié)75d，井筒進(jìn)行試排水，7月22日排水清理井底淤泥，施工探水孔至23m流砂層時(shí)鉆機(jī)無法繼續(xù)鉆進(jìn)，15∶50左右探孔開始出水，回收第一根探水鉆桿時(shí)出水量逐漸增大，平均出水量約為305m3/h。隨后每小時(shí)出水量逐漸減小，至7月31日12∶00水位至井口下-96.05m，8月3日14：30水位至-86.66m，基本恢復(fù)至開機(jī)凍結(jié)前水位。

4.1 出水現(xiàn)象

井筒出水后，項(xiàng)目部對測溫孔溫度、凍結(jié)器運(yùn)行溫度、鹽水液位、井筒水位等的變化進(jìn)行密切監(jiān)測、監(jiān)控。發(fā)現(xiàn)在井筒北偏西38°位置的測2孔320～395m溫度大幅回升，具體測溫?cái)?shù)據(jù)見表2，其他層位溫度沒有任何變化，初步判斷320～395m凍結(jié)壁已經(jīng)開窗破壞。

4.2 出水位置及范圍確定

表2 測2孔320～395m溫度變化表（℃）

根據(jù)測1、測2、測3每2h溫度變化情況，對西半部、東半部凍結(jié)孔進(jìn)行縱向溫度監(jiān)測，然后對所有凍結(jié)孔縱向溫度測量及溫度分析，篩選出重點(diǎn)部位，對重點(diǎn)懷疑部位的W17、W18、W19、W20、W29、W30凍結(jié)孔均進(jìn)行二次測溫。根據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，凍結(jié)壁開窗破損位置確定在井筒北偏西27°的W29、W30號(hào)凍結(jié)孔位置，深度在350～375m，中心位置在365m左右。

4.3 出水原因排查

4.3.1 凍結(jié)孔施工

通過查看每個(gè)凍結(jié)孔施工原始資料，凍結(jié)孔施工深度、孔間距、凍結(jié)管施工質(zhì)量、供液管施工質(zhì)量均符合設(shè)計(jì)要求。凍結(jié)壁開窗出水深度的凍結(jié)孔孔間距設(shè)計(jì)值不大于2.7m，出水方位北偏西27°位置W29～W30號(hào)凍結(jié)孔最大孔間距為1.56m。

4.3.2 凍結(jié)施工情況

主井設(shè)計(jì)積極凍結(jié)期鹽水溫度：ty=-28℃～-32℃；凍結(jié)5d鹽水溫度降至0℃，15d鹽水溫度降到-20℃以下，降至-25℃時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)10d后盡快降溫至-30℃以下。根據(jù)凍結(jié)站每天降溫?cái)?shù)據(jù)及凍結(jié)器運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，凍結(jié)站機(jī)組運(yùn)行良好，且降溫速度較快，超過設(shè)計(jì)要求，凍結(jié)器運(yùn)行正常。

4.3.3 凍結(jié)壁狀況

根據(jù)凍結(jié)鹽水溫度、測溫孔溫度、井筒水位變化、水文孔水位數(shù)據(jù)資料分析井筒排水前凍結(jié)壁已經(jīng)全部交圈，且具有一定的厚度。

分析層位選?。哼x擇具有代表性的層位進(jìn)行凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r分析，根據(jù)井筒穿過地層的水文、地質(zhì)條件及井筒實(shí)際情況選擇表3列舉的層位進(jìn)行分析。

根據(jù)布置在凍結(jié)壁外側(cè)的測1、測2孔溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)保守分析，井筒凍結(jié)64d即可全部交圈，這與根據(jù)水文孔和井筒水位判斷的交圈時(shí)間基本一致。按照最不利條件原則，分析水流上方凍土發(fā)展速度最慢的測2數(shù)據(jù)，計(jì)算350～375m層位探孔施工時(shí)W29～W30之間的凍結(jié)壁在1.6m以上，凍結(jié)壁平均溫度約-5.5℃以下。

4.4 出水原因分析

通過以上出水原因排查分析，施工過程中各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和施工質(zhì)量均符合設(shè)計(jì)要求，能夠滿足井筒施工需要。且井筒在排水、清理淤泥、施工探水孔時(shí)均未出水，說明凍結(jié)壁處于交圈封水狀態(tài)，但探水鉆孔施工至368m位置時(shí)凍結(jié)壁開窗出水。綜合各種因素分析凍結(jié)壁開窗出水原因主要以下幾項(xiàng)：

（1）350～375m地層是井筒主要含水層，普通法掘砌至345.3m時(shí)井筒出水，出水過程中原始地質(zhì)條件發(fā)生變化，使原本復(fù)雜的地質(zhì)情況變得更加復(fù)雜，且難于估判實(shí)際情況。使得在設(shè)計(jì)規(guī)定的凍結(jié)時(shí)間內(nèi)，凍結(jié)壁形成的實(shí)際厚度和強(qiáng)度小于正常發(fā)展的數(shù)值，在W29、W30凍結(jié)孔區(qū)域的凍結(jié)壁未能抵抗外圍水土壓力，導(dǎo)致凍結(jié)壁被擊穿開窗出水。

（2）350～375m含水層含水豐富，地質(zhì)報(bào)告中沒有明確水的流速值，通過測溫監(jiān)測數(shù)據(jù)雖然發(fā)現(xiàn)水流動(dòng)對凍結(jié)有些影響，但受季節(jié)和外部不確定性因素影響地下水的實(shí)際流速過大，超出正常的預(yù)測，使得在設(shè)計(jì)規(guī)定的凍結(jié)時(shí)間內(nèi)，凍結(jié)壁形成的實(shí)際質(zhì)量小于正常發(fā)展的數(shù)值。在W29、W30凍結(jié)孔區(qū)域的凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度未能抵抗外圍水土壓力，導(dǎo)致凍結(jié)壁被擊穿開窗出水。

表3 凍結(jié)壁分析層位表

（3）從周邊3個(gè)井筒普通法施工出水深度、出水量及3條井筒的相對位置圖對比分析，3個(gè)井筒的主要含水層和出水點(diǎn)雖然均為第三系中新統(tǒng)—漸新統(tǒng)桃樹園組含水層，但3個(gè)井筒在該層段的水文、地質(zhì)條件存在很大的差異，主井和副井的水文、地質(zhì)條件比風(fēng)井地質(zhì)資料描述的更復(fù)雜。

（4）主井井筒設(shè)計(jì)抽水前凍結(jié)75d，通過凍結(jié)壁出水后資料和延長凍結(jié)時(shí)間后井筒順利掘砌完凍結(jié)段分析，該井筒凍結(jié)方案設(shè)計(jì)的凍結(jié)時(shí)間短。

4.5 出水后的修復(fù)措施

主立井井筒凍結(jié)壁開窗出水后，施工人員及時(shí)采取應(yīng)急預(yù)案，保證了凍結(jié)器的安全，較短時(shí)間內(nèi)分析并排查出了凍結(jié)壁開窗破損位置，分析出了原因，制定了凍結(jié)壁快速修復(fù)方案并進(jìn)行實(shí)施。

4.5.1 向井筒內(nèi)灌水

井筒檢查孔抽水試驗(yàn)出水段含水層靜止水位深度為-86.3m，為了促進(jìn)井筒內(nèi)外水力快速平衡，向井筒內(nèi)灌水，消除出水引起的水流動(dòng)對凍結(jié)壁形成的影響。

4.5.2 進(jìn)一步降低鹽水溫度

所有凍結(jié)器全部排查完畢后，凍結(jié)站進(jìn)一步降低凍結(jié)鹽水溫度，實(shí)施強(qiáng)化凍結(jié)。

4.5.3 加強(qiáng)開窗位置凍結(jié)孔凍結(jié)

在W29、W30凍結(jié)器上安裝管道泵，增大鹽水流量，提高凍結(jié)效果。同時(shí)適當(dāng)控制凍結(jié)壁完好部位的凍結(jié)孔的流量。

4.5.4 對開窗位置地層注漿

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在W29、W30號(hào)凍結(jié)孔界面外側(cè)施工一個(gè)注漿孔，對凍結(jié)壁破損區(qū)域范圍內(nèi)地層進(jìn)行注漿充填。

4.5.5 增加凍結(jié)加強(qiáng)孔

由于地層條件復(fù)雜，水流速過大，本著安全可靠的理念，為了降低水流的影響，增大凍結(jié)溫度場影響范圍，在W27、W28孔和W30、W31孔之間再分別施工2個(gè)深度390m左右的凍結(jié)孔。主要目的是：一是進(jìn)一步探明凍結(jié)壁破損范圍，加強(qiáng)該部位地層的凍結(jié)，擴(kuò)大凍結(jié)壁修復(fù)范圍。二是與注漿補(bǔ)孔、測2孔在凍結(jié)壁破損部位形成凍結(jié)面，改變原定單個(gè)注漿補(bǔ)孔的線狀凍結(jié)為多個(gè)孔并排的面凍結(jié)，并能與原凍結(jié)孔產(chǎn)生群孔凍結(jié)效應(yīng)，進(jìn)一步加快該區(qū)域凍結(jié)壁的修復(fù)，提高修復(fù)后的凍結(jié)壁強(qiáng)度。

4.5.6 測2孔改為凍結(jié)孔

待測2孔原測溫點(diǎn)和加密測溫點(diǎn)溫度全部下降到0℃以后，將測2孔改為凍結(jié)孔使用，加強(qiáng)W28、W29孔界面部位地層的凍結(jié)，擴(kuò)大凍結(jié)溫度場影響區(qū)域。

5 重新抽水及正常掘進(jìn)

主井井筒出水后加強(qiáng)凍結(jié)146d后，通過測1、測2孔數(shù)據(jù)可以看出2個(gè)測溫孔數(shù)據(jù)均達(dá)到0℃以下，經(jīng)計(jì)算凍結(jié)圓柱直徑至少達(dá)到2.6m，井筒已完全交圈形成閉環(huán)狀態(tài)。井筒水位處于穩(wěn)步緩慢上升狀態(tài)且不斷減小趨于平緩狀態(tài)，井筒內(nèi)部已經(jīng)平衡。過后井筒連續(xù)進(jìn)行了5次抽水試驗(yàn)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析，凍結(jié)壁的形成質(zhì)量完全能夠滿足井筒掘砌需要，井筒可以進(jìn)行正常抽水和掘砌施工。5月18日井筒安全順利掘砌完凍結(jié)段。

6 結(jié)束語

該工程有別于中東部的修復(fù)礦井，地下水流速隨季節(jié)變化而變化，要更好地掌握當(dāng)?shù)氐臍鉁亍⑺牡刭|(zhì)條件變化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行方案的優(yōu)化，并在施工過程中要根據(jù)實(shí)際情況做好調(diào)整，解決施工中存在的關(guān)鍵技術(shù)難題，才能保證井筒未施工段的安全施工和以后有井壁的保護(hù)問題。