淺析富水巖層條件下凍結(jié)內(nèi)壁凍脹力變化規(guī)律及與凍結(jié)深度間關(guān)系

朱洪利

（山東能源棗莊礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277000）

井筒建設(shè)施工過程中遇到地質(zhì)條件十分復(fù)雜時，必須采用特殊鑿井法進行施工，如凍結(jié)法[1-5]。凍結(jié)法具有強適應(yīng)性、高安全性及技術(shù)成熟等顯著優(yōu)點而被廣泛采用[6-10]。由于凍結(jié)法應(yīng)用在穿過富水白堊系巖層中的井筒施工中并不多見，其在凍結(jié)設(shè)計施工方案及井壁結(jié)構(gòu)形式的選用存在一些不足，迫切需要針對富水巖層條件下凍結(jié)施工技術(shù)理論及實踐進行研究完善。海子礦在采用凍結(jié)法鑿井施工過程中出現(xiàn)部分凍結(jié)管斷裂問題，斷裂處出現(xiàn)凍結(jié)鹽水泄漏，造成凍結(jié)壁化凍，對施工過程中的安全保障帶來極大的困擾。本文對海子礦立井井筒凍結(jié)施工過程中凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力變化進行現(xiàn)場實測，分析其變化規(guī)律，為井壁合理性設(shè)計及安全施工提供依據(jù)。

1 設(shè)計實測方案

海子礦設(shè)計生產(chǎn)能力4 Mt/a，工業(yè)廣場內(nèi)布置主、副、風(fēng)三個井筒，采用立井開拓。副立井井筒全長514 m，井筒主要穿越地層為白堊系和侏羅系。第四系沖積表土層覆蓋厚度比較淺，僅僅為6.0 m左右，但富水白堊系巖層厚度占井筒穿過全部地層厚度的75%。

在深入對該立井井筒有關(guān)的地質(zhì)資料及井壁設(shè)計資料等進行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合井筒施工現(xiàn)場的實際狀況及其他因素，采取在井筒深度方向上設(shè)置3 個實測水平進行凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力實測，水平深度分別為120 m、220 m、320 m，在每個監(jiān)測水平不同方向共埋設(shè)4 個壓力傳感器。具體方案設(shè)計見圖1 及表1。

圖1 壓力傳感器埋設(shè)圖

表1 實測方案設(shè)計表

2 分析實測數(shù)據(jù)

2.1 分析凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力實測數(shù)據(jù)

凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力與多種因素有關(guān)，如凍結(jié)地層的力學(xué)性質(zhì)、凍結(jié)地層深度及開機凍結(jié)溫度等。由于影響因素眾多，所以，這些因素的耦合程度非常復(fù)雜，在此無法進行單因素分析，而是將全部影響因素綜合考慮，利用在凍結(jié)內(nèi)壁與井壁外壁之間埋置壓力傳感器，通過計算機、數(shù)據(jù)采集儀及通信供電電纜采集實時數(shù)據(jù)，分析總結(jié)凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力與凍結(jié)時間之間的動態(tài)變化規(guī)律，具體見圖2 ～圖4。

將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)拷貝至畫圖軟件進行具體分析時，發(fā)現(xiàn)壓力傳感器少部分?jǐn)?shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)存在較大的誤差及離散程度，造成該現(xiàn)象的原因多數(shù)是在采集數(shù)據(jù)時壓力傳感器的激勵電壓不足及當(dāng)時不可預(yù)知的意外情況導(dǎo)致，所以在進行數(shù)據(jù)分析時應(yīng)該予以剔除。

圖2 ～圖4 的實測數(shù)據(jù)變化規(guī)律大致相同，通過曲線發(fā)展趨勢基本可以劃分為4 個過程：快增過程、快降過程、緩增過程及穩(wěn)定過程。

圖2 120 m 測點凍脹力變化曲線圖

圖3 220 m 測點凍脹力變化曲線圖

圖4 320 m 測點凍脹力變化曲線圖

（1）快增過程。在預(yù)定地點通過打鉆埋入預(yù)壓力傳感器之后，由于凍結(jié)壁處于積極凍結(jié)期，巖體水分從未凍結(jié)區(qū)域遷移至凍結(jié)壁內(nèi)部，凍結(jié)成冰，造成凍結(jié)壁體積增大，并向井筒側(cè)出現(xiàn)偏移變形，與未開挖巖層之間相互擠壓，造成凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力快速增長。

（2）快降過程。凍結(jié)壁內(nèi)壁所包圍的巖層開挖之后，使得凍結(jié)壁靠近開挖側(cè)一定范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)變能釋放，造成凍結(jié)壁沿徑向向開挖側(cè)出現(xiàn)部分巖體變形及釋放部分凍脹應(yīng)力。另外，在井壁澆筑完成后，澆筑的混凝土?xí)诙虝r間內(nèi)產(chǎn)生大量水化熱，由于空間狹小，且沿井筒深度方向散熱困難，幾乎全部熱量都被凍結(jié)壁吸收，導(dǎo)致凍結(jié)壁內(nèi)部部分凝冰變成水產(chǎn)生相變，造成凍結(jié)內(nèi)壁出現(xiàn)收縮變形，同時下一井筒段也在爆破開挖，造成凍結(jié)壁凍脹量繼續(xù)減小，綜合導(dǎo)致凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力快速下降。

（3）緩增過程?；炷翝仓尫潘療幔粌鼋Y(jié)壁內(nèi)部的冰吸收，變成水，此時井筒建設(shè)尚未結(jié)束，凍結(jié)壁處于積極凍結(jié)期，地面凍結(jié)站會將冷量通過凍結(jié)鹽水持續(xù)向凍結(jié)壁輸送，冷量會持續(xù)增加，造成凍結(jié)壁二次凍結(jié)，致使凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力出現(xiàn)回升，但凍結(jié)壁產(chǎn)生的二次凍脹量小于初次凍脹量，凍脹力的最大值也小于首次凍脹力。同時，已澆筑混凝土的凝結(jié)時間持續(xù)加大，其強度呈現(xiàn)指數(shù)級增加，導(dǎo)致井壁外側(cè)對凍結(jié)內(nèi)壁的約束剛度增大，但由于凍結(jié)內(nèi)壁凍脹變形慢慢變大，使得應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為凍脹應(yīng)力，導(dǎo)致凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力升高。

（4）穩(wěn)定過程。隨著時間的推移，由于凍結(jié)鋒面遷移速度減小至零，處于穩(wěn)定狀態(tài)，至此凍結(jié)壁的凍脹量不再增加 ，而且井壁強度也已經(jīng)基本不再增加，凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力出現(xiàn)平穩(wěn)發(fā)展趨勢。

2.2 擬合凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力實測數(shù)據(jù)

將各水平的4 個實測點所測得最終穩(wěn)定的凍脹力進行平均取值，得到的平均值作為此水平的實測平均凍脹力。經(jīng)過計算后得出，3 個水平所得平均值分別為：1.29 MPa、3.09 MPa、5.09 MPa。對該三個平均值進行曲線擬合，通過擬合曲線得出凍結(jié)內(nèi)壁的平均凍脹力與凍結(jié)深度之間幾乎呈線性關(guān)系，具體見式1 及圖5。式中：P為凍結(jié)內(nèi)壁的平均凍脹力，MPa；h為凍結(jié)深度，m。

圖5 平均凍脹力與凍結(jié)深度的關(guān)系曲線圖

3 結(jié)論

（1） 富水白堊系巖層條件下凍結(jié)內(nèi)壁的凍脹力實測數(shù)據(jù)的變化大致可以分為4 個過程：快增過程、快降過程、緩增過程及穩(wěn)定過程。不同過程呈現(xiàn)出不同的速率變化特性，尤其是快增過程中出現(xiàn)的最大凍脹力值應(yīng)該予以重視，此凍脹力值可能會影響到井壁的結(jié)構(gòu)形式及材料選取等重大問題。

（2）混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)、凍結(jié)壁的部分融化及二次回凍都與井壁的強度及受力有著極大的關(guān)系，再加上地層在此凍融情況下發(fā)生的力學(xué)性質(zhì)變化，極易造成井壁不同部位發(fā)生不同程度的扭剪，對井壁安全產(chǎn)生明顯的影響。

（3）通過對3 個水平的實測平均凍脹力與凍結(jié)深度進行數(shù)據(jù)擬合，得出凍結(jié)內(nèi)壁的平均凍脹力與凍結(jié)深度之間幾乎呈線性關(guān)系。