特殊地層條件下凍結(jié)壁壓力變化規(guī)律研究

趙 堃

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

現(xiàn)今，一般地質(zhì)條件下井筒施工采用普通法、鉆井法等，但當遇到含水不穩(wěn)定地層時，注漿堵水加固效果往往不明顯，但凍結(jié)法效果顯著。凍結(jié)法自20世紀50年代引入我國，因該法對特殊地質(zhì)條件的適用性強、安全性高，故在國內(nèi)得到迅速發(fā)展，至今已經(jīng)形成一定規(guī)模[1-5]。

內(nèi)蒙古某礦采用立井開拓方式，設(shè)計生產(chǎn)能力400萬t/a，采用凍結(jié)法施工，井筒穿過地層為第四系表土層、白堊系及侏羅紀等，其中白堊系地層厚度達到井筒設(shè)計深度的80%。到目前為止，凍結(jié)法在白堊系地層應(yīng)用的例子極少，在凍結(jié)方案設(shè)計、井壁結(jié)構(gòu)形式等方面存在一定不完善性，急切需要對該類特殊地層條件下凍結(jié)法施工技術(shù)進行理論和實踐方面的深入研究，故本文選取該礦井筒凍結(jié)法施工現(xiàn)場進行白堊系地層的凍結(jié)壁壓力實測數(shù)據(jù)進行分析[6-10]，總結(jié)凍結(jié)壁壓力與溫度的變化規(guī)律，為該礦井筒開挖及其它類似工程提供借鑒。

1 監(jiān)測方案設(shè)計

通過分析該井筒地質(zhì)柱狀圖、井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計圖等資料，并充分考慮施工現(xiàn)場實際情況，設(shè)計采取3個不同水平(深度)分別進行凍結(jié)壁壓力監(jiān)測：120 m、220 m、320 m，每個深度布置四個壓力盒，現(xiàn)場監(jiān)測方案見圖1、表1。

表1 監(jiān)測方案

2 實測數(shù)據(jù)分析

2.1 凍結(jié)壁壓力實測數(shù)據(jù)分析

凍結(jié)壁壓力會受到諸多因素影響，比如：凍結(jié)層的物理力學特性、凍結(jié)深度、凍結(jié)壁自身變形、凍結(jié)溫度、混凝土水化熱等，各種因素的耦合程度具有一定的復(fù)雜性，本文沒有單獨去考慮某個因素，而是將諸多因素一起綜合起來考慮。通過現(xiàn)場布置的壓力傳感元件采集的凍結(jié)壁壓力數(shù)據(jù)，分析凍結(jié)壁壓力與時間之間的相互關(guān)系。在分析現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)時，對部分誤差較大的數(shù)據(jù)進行剔除。各測點壓力變化曲線如圖2、圖3、圖4所示。

圖1 測試儀器布設(shè)位置

從圖2-圖4可以看出，凍結(jié)壁壓力大致分為4個不同區(qū)段：短時快增區(qū)段、短時快降區(qū)段、緩慢回增區(qū)段、長時穩(wěn)定區(qū)段。

1) 短時快增區(qū)段：井筒開挖使凍結(jié)壁外壁出現(xiàn)一定范圍的應(yīng)力釋放空間，導(dǎo)致凍結(jié)壁向井內(nèi)方向發(fā)生變形及凍脹應(yīng)力的釋放，但井壁本身的強度會約束凍結(jié)壁的變形程度，同時加上井筒下一階段爆破掘進產(chǎn)生的爆炸沖擊波也會對凍結(jié)壁產(chǎn)生一定程度應(yīng)力擠壓，造成凍結(jié)壓力急劇增長。

2) 短時快降區(qū)段：凍結(jié)壁壓力急劇增長后出現(xiàn)一定程度的快速下降，主要是因為井壁澆筑的混凝土產(chǎn)生大量的水化熱使凍結(jié)壁的凍結(jié)溫度升高，凍結(jié)壁中部分水發(fā)生相變轉(zhuǎn)化，從固態(tài)變成液態(tài)，凍結(jié)壁的凍脹量變小，導(dǎo)致凍結(jié)壁出現(xiàn)變形收縮，同時下階段爆破荷載只是瞬時荷載，隨著爆破面離監(jiān)測點距離越來越大，其影響效應(yīng)減小，致使凍結(jié)壁壓力快速下降。

3) 緩慢回增區(qū)段：該區(qū)段凍結(jié)壁壓力出現(xiàn)回升受兩個因素的影響：① 井壁混凝土的水化放熱結(jié)束，釋放出的熱量已經(jīng)被凍結(jié)壁吸收完全，此時井筒未開挖結(jié)束，凍結(jié)壁依然處在凍結(jié)期，凍結(jié)壁所需冷量由地面凍結(jié)站持續(xù)不斷向凍結(jié)壁供應(yīng)，冷量總和隨著時間的增加會大于井壁混凝土水化釋放出的熱量總和，引起上區(qū)段凍結(jié)壁相變部分的水會再次發(fā)生相變，重新變成冰，造成凍結(jié)壁凍脹量回增，然而增長量會比首次凍脹增長量小，使得回升最高值會比短時快增區(qū)段時最高值??；②隨著井壁混凝土凝結(jié)時間增長，強度會越來越高，對凍結(jié)壁的約束力度會加大，凍結(jié)壁的變形也會受到較大限制，也會導(dǎo)致凍結(jié)壁壓力的增加。

4) 長期穩(wěn)定區(qū)段：經(jīng)過一段時間，隨著凍結(jié)峰面位置達到穩(wěn)定狀態(tài)，基本不再發(fā)生變化，導(dǎo)致凍結(jié)壁變形增長速率逐漸減小至零及井壁強度達到穩(wěn)定狀態(tài)，此區(qū)段顯示的凍結(jié)壁壓力綜合呈現(xiàn)出平穩(wěn)狀態(tài)。

圖2 第一水平各測點壓力變化曲線

圖3 第二水平各測點壓力變化曲線

圖4 第三水平各測點壓力變化曲線

2.2 凍結(jié)壁壓力實測數(shù)據(jù)擬合

通過將每個水平的4個方向上現(xiàn)場實測的長期穩(wěn)定區(qū)段的凍結(jié)壁壓力值取其平均值作為該水平的平均凍結(jié)壁壓力，取值分別為1.29 MPa(第一水平)、3.09 MPa(第二水平)、5.09 MPa(第三水平)，并對這3個取值進行擬合，擬合結(jié)果(見式1)呈現(xiàn)凍結(jié)壁平均壓力與深度之間基本上為線性關(guān)系，如圖5。

P=-1.024+0.019h

(1)

式中：P為凍結(jié)壁壓力，MPa；h為深度，m。

圖5 凍結(jié)壁平均壓力與深度關(guān)系曲線

3 結(jié) 語

1) 特殊地層(白堊系)條件下凍結(jié)壁壓力的整個變化區(qū)間可以分為4個區(qū)段：短時快增區(qū)段、短時快降區(qū)段、緩慢回增區(qū)段、長時穩(wěn)定區(qū)段，各個區(qū)段都展現(xiàn)出不同的速率及變化特點，短時快增區(qū)段也即是井筒開挖及井壁混凝土澆筑后初期，凍結(jié)壁壓力急劇增長，因凍結(jié)壁壓力也會反作用于井壁，故此區(qū)段造成井壁開裂破壞的可能性比較大，必須在該類條件下井壁結(jié)構(gòu)形式設(shè)計、材料選取及現(xiàn)場施工過程中予以重視。

2) 凍結(jié)地層的物理力學性質(zhì)與凍結(jié)溫度有著十分密切的聯(lián)系，井壁混凝土澆筑時期產(chǎn)生的大量水化熱會引起凍結(jié)壁的局部融化及回凍(二次凍結(jié))現(xiàn)象，具體過程為：井壁混凝土釋放的水化熱引起井壁附近一定范圍內(nèi)的凍結(jié)壁溫度升高，造成凍結(jié)壁局部融化，使凍結(jié)壁強度減小，孔隙水壓力增大，但隨著深度及時間增加，水化熱的影響會越來越弱，凍結(jié)冷量繼續(xù)持續(xù)供應(yīng)，此時造成局部融化的凍結(jié)壁發(fā)生回凍(二次凍結(jié))，凍結(jié)壁壓力增大，極易引起井壁發(fā)生開裂。

3) 由于地層性質(zhì)的各向異性、凍結(jié)孔施工誤差及各個凍結(jié)孔鹽水流量差異等因素造成各個水平每個位置凍結(jié)壁物理力學參數(shù)的不均勻性，導(dǎo)致井壁會產(chǎn)生一定程度的剪切，可能造成井壁破壞，降低井壁的安全性。

4) 根據(jù)3個水平4個方向上現(xiàn)場實測的最大凍結(jié)壁壓力值取其平均值作為該水平的平均凍結(jié)壁壓力，并對其進行擬合，得出凍結(jié)壁平均壓力與深度之間呈線性關(guān)系。