凍結(jié)鉆孔組合式布置方案優(yōu)化與應(yīng)用

張步俊 張 林

(中煤第五建設(shè)有限公司第三工程處，江蘇 徐州 221140）

1 工程概況

淮北礦業(yè)集團(tuán)公司青東煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣臨渙鎮(zhèn)，工業(yè)場(chǎng)地集中布置主、副、風(fēng)三個(gè)井筒。為滿足礦井通風(fēng)需要，工廣東南增設(shè)東風(fēng)井，該井筒凈直徑Φ5.5m，井口標(biāo)高為+30m，井筒設(shè)計(jì)深度646m，表土深度234.55m，采用上凍下注法施工，凍結(jié)深度305m，掘砌深度295m。地面預(yù)注漿巖帽段為285～305m。凍結(jié)段采用雙層井壁鋼筋砼結(jié)構(gòu)，井壁厚度1～1.25m。其中，0～150m段內(nèi)、外壁厚度均為0.5m，150m以深內(nèi)、外壁厚度分別為0.65m、0.6m。

2 井筒水文地質(zhì)

井筒凍結(jié)段地層自上而下為第四系、新近系、二疊系上石盒子組。第四系地層厚度88.15m，砂層占比34.01%。新近系地層厚度146.4m，砂層占比2.97%，底部以半固結(jié)粘土及鈣質(zhì)粘土為主，單層最大厚度42.1m，膨脹量大。上石盒子組地層厚度70.45m，主要由泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖組成，其中風(fēng)化帶厚度35.92m（強(qiáng)風(fēng)化帶厚度18.08m）。地層溫度在17～24.8℃之間，土層凍結(jié)溫度-1.51～-2.17℃，深部粘土層-10℃情況下凍土單軸抗壓強(qiáng)度2.89MPa?；鶐r段地層巖石傾角15°左右。

井檢孔資料顯示，表土段共分三個(gè)含水層組，其中第一、第二含水層組位于第四系地層，共有6層砂層，累計(jì)厚度27.6m，滲透系數(shù)0.33～2.69m/d，富水性弱～中等；第三含水層位于新近系地層，僅有1層砂層，厚度4.35m，滲透系數(shù)1.48m/d，富水性中等。

3 凍結(jié)施工設(shè)計(jì)

3.1 凍結(jié)設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

依據(jù)上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)，輔防凍結(jié)孔布置圈至掘砌荒徑控制在1.0m之內(nèi)。凍結(jié)壁設(shè)計(jì)基本參數(shù)如下：鹽水溫度-28～ -30℃，凍結(jié)壁厚度4.2m，凍結(jié)壁平均溫度-12℃。凍結(jié)孔單孔鹽水流量不小于12.5m3/h。

凍結(jié)孔布置參數(shù)見(jiàn)表1，凍結(jié)孔平面布置見(jiàn)圖1。

從表中可以看出該工程凍結(jié)孔組合布置有利于凍結(jié)壁形成。其布置原則有如下幾點(diǎn)：

（1）采用三圈凍結(jié)孔布置方式，且主凍結(jié)孔開(kāi)孔間距控制在1.3m之內(nèi)。

（2）輔防孔采取梅花樁布置，該二圈孔開(kāi)孔間距控制在2m左右，以減少相鄰孔斜距。（3）主輔孔布置圈距僅1.55m，圈內(nèi)凍土發(fā)展速度約為正常情況下1.5倍。

（4）防片孔深度位于變徑段底界。

（5）輔防孔至掘砌荒徑之距控制在1m之內(nèi)。

表1 凍結(jié)孔布置參數(shù)表

圖1 凍結(jié)孔平面布置圖

3.2 鉆孔質(zhì)量控制要求

（1）靶域半徑：表土段 0～200m≤0.4m，200m以深≤0.6m；基巖段≤0.8m。

（2）徑向內(nèi)偏值：表土段0～200m≤0.3m，200m以深≤0.2m；基巖段≤0.5m。

（3）凍結(jié)孔最大孔間距

主凍結(jié)孔：表土段0～200m≤1.8m，200m以深≤2.0m， 基巖段相鄰兩深孔≤3.6m。

輔助孔表土段≤3.0m；防片幫孔≤2.7 m；0～150m段相鄰輔、防孔≤1.8m。

3.3 水文孔設(shè)計(jì)

依據(jù)水文地質(zhì)資料，第二含水層組有兩層細(xì)砂，且厚度較薄（僅有2.55m），不再設(shè)置水文孔?；诖耍O(shè)計(jì)水文孔2個(gè)，深度分別為40m和125m，分別報(bào)導(dǎo)一含、三含地層凍結(jié)壁交圈情況。水1#（孔深40m），設(shè)置4個(gè)花管部位，即6.5～11.5m、25.5～30.5m、31.5～33m、35.0～39.0m；在垂深 20m處設(shè)置隔板，并下放套管，分層報(bào)導(dǎo)水位變化。水2#（孔深125m），設(shè)置1個(gè)花管部位，位置為118～123m。

3.4 測(cè)溫孔設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確掌握凍結(jié)壁溫度場(chǎng)變化情況，設(shè)計(jì)測(cè)溫孔3個(gè)。測(cè)1、測(cè)2孔深均為305m，測(cè)3孔深155m。測(cè)1、測(cè)2均位于主排孔布置圈外側(cè)界面上1.2m處，且分別布置在地下水流上方、下方。測(cè)3孔位于防片幫凍結(jié)孔界面內(nèi)側(cè)0.5m處。三個(gè)測(cè)溫孔熱電偶測(cè)點(diǎn)布置數(shù)量分別為18個(gè)、18個(gè)、9個(gè)，平均間隔17m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.5 凍結(jié)設(shè)備配備

凍結(jié)站采用雙機(jī)雙級(jí)壓縮制冷方式。采用制冷機(jī)組4臺(tái)，其中運(yùn)行3臺(tái)，備用1臺(tái)。裝機(jī)標(biāo)準(zhǔn)制冷量是井筒凍結(jié)需冷量4.1倍，是凍結(jié)需用標(biāo)準(zhǔn)制冷量1.4倍。工程凍結(jié)主要設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 凍結(jié)主要設(shè)備配備明細(xì)表

4 工程實(shí)施與運(yùn)行調(diào)控

4.1 凍結(jié)制冷

2019年11 月29 日，冷凍站開(kāi)機(jī)送冷。12月8日（凍結(jié)10d），鹽水溫度降至-18.5℃，溫差2.8℃；12月18日（凍結(jié)20d），鹽水溫度降至-24.2℃，溫差2.8℃；12月21日（凍結(jié)23d），鹽水溫度降至-28.5℃，溫差3℃，此時(shí)鹽水溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。凍結(jié)站鹽水溫度變化見(jiàn)圖2。

圖2 鹽水溫度變化曲線圖

4.2 凍結(jié)壁形成狀況

凍結(jié)運(yùn)行期間，根據(jù)工廣附近農(nóng)用井水位、水文孔水位、測(cè)溫孔縱向溫度等資料進(jìn)行凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r綜合分析。水1所報(bào)導(dǎo)的地層凍結(jié)壁于2019年12月20日交圈，凍結(jié)時(shí)間22d，較設(shè)計(jì)提前26d；水2所報(bào)導(dǎo)的地層凍結(jié)壁于12月25日交圈，凍結(jié)時(shí)間27d，較設(shè)計(jì)提前21d。此時(shí)整個(gè)沖積層凍結(jié)壁已全部交圈，說(shuō)明凍結(jié)狀況良好。

4.3 鹽水系統(tǒng)管控

鹽水系統(tǒng)運(yùn)行采用正循環(huán)方式。主排孔、輔助孔均采用單獨(dú)聯(lián)接循環(huán)鹽水，防片孔采用兩個(gè)凍結(jié)孔串聯(lián)運(yùn)行。積極凍結(jié)期間，凍結(jié)孔單孔流量均控制在13～14m3/h之間。通過(guò)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r預(yù)測(cè)分析成果，2020年1月15日（凍結(jié)第48d），關(guān)閉防片孔；1月31日（凍結(jié)第64d），控制輔助孔鹽水流量在4.5m3/h左右，主排孔鹽水流量維持不變，以控制凍土過(guò)多進(jìn)入荒徑；3月29日，井筒掘砌至垂深195m時(shí)，關(guān)閉輔助孔停止運(yùn)行。自井筒開(kāi)挖至凍結(jié)表土段外壁掘砌結(jié)束，制冷鹽水溫度始終控制在-28℃以下，以保證凍結(jié)壁安全可靠性。

5 掘砌施工

凍結(jié)表土段外壁采用短段掘砌，整體金屬下行刃腳模板砌壁，掘砌有效段高4.0m，單鉤提升。2020年1月6日（凍結(jié)第39d）進(jìn)行井筒試挖。掘砌期間，加強(qiáng)井幫溫度和凍土形成監(jiān)測(cè)。從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，試挖段井幫溫度位于-2℃～ -3℃，正常段井幫溫度位于-5℃～ -6℃?；诹己玫膬鼋Y(jié)效果條件，2020年3月份創(chuàng)出凍結(jié)段外壁掘砌工程量161.6m，說(shuō)明鹽水溫度、流量調(diào)控效果達(dá)到了預(yù)期目的，井幫溫度既滿足規(guī)范要求，又確保井筒安全快速施工。

6 結(jié) 語(yǔ)

（1）該工程凍結(jié)壁交圈時(shí)間的控制由傳統(tǒng)的主排孔優(yōu)化調(diào)整為主排孔、輔防孔及三圈孔等組合疊加共同作用，以此實(shí)現(xiàn)需冷量集中供給，其地層交圈時(shí)間較設(shè)計(jì)提前21d，為井筒凍結(jié)段提前試挖提供保障，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（2）合理控制主排孔開(kāi)孔間距、輔防相鄰凍結(jié)孔斜距、主輔孔布置圈距，有利于提高多圈孔布置狀況下凍土發(fā)展速度，確保凍結(jié)壁厚度與強(qiáng)度滿足井筒安全快速施工。

（3）輔防孔宜采用梅花樁布置方式，一方面有利于地層凍結(jié)壁早日交圈，施工成本可得到有效控制；另一方面內(nèi)側(cè)凍結(jié)壁發(fā)展均衡，井幫四周的溫度應(yīng)力、凍脹力、圍抱力等較均勻，能夠確保井筒外壁施工質(zhì)量。

（4）合理控制輔防孔至掘砌荒徑之距，既確保井筒開(kāi)挖時(shí)不片幫，又能保證變徑段以深井幫溫度滿足規(guī)范及安全施工要求。采取分階段調(diào)控鹽水溫度、鹽水流量以及凍結(jié)孔運(yùn)行方式等措施，以期控制凍土入荒量，科學(xué)解決凍掘矛盾。

（5）測(cè)溫孔測(cè)點(diǎn)應(yīng)密集布置，便于及時(shí)掌握各地層凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r，為井筒安全快速掘砌施工提供有力保障。針對(duì)類似地層的凍結(jié)工程，建議水文孔設(shè)計(jì)深度不宜超過(guò)防片孔深度，以便充分發(fā)揮多圈孔凍結(jié)實(shí)施效果。