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    西部白堊系地層凍結(jié)設(shè)計基本參數(shù)的選取

    2023-01-11 12:28:04林波
    煤炭與化工 2022年11期
    關(guān)鍵詞:凍結(jié)深度開孔井筒

    林波

    (中煤邯鄲特殊鑿井有限公司,河北 邯鄲 056003)

    1 概況

    國家經(jīng)濟與社會發(fā)展對礦產(chǎn)資源的需求,促使我國礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用從淺埋向超千米埋深挺進,從中部、東部地區(qū)為主,轉(zhuǎn)向西部地區(qū)拓展。陜西北部、內(nèi)蒙鄂爾多斯地區(qū),該地區(qū)所揭露的主要地層為第四系、白堊系及侏羅系地層,第四系表土較淺,一般為50 m 左右,礦井穿過的大部分地層是白堊系、侏羅系地層。

    第四系為風積砂,形成平緩沙地、新月形沙丘或不規(guī)則狀沙丘等地貌形態(tài),地形較為平緩。巖性以粉細沙為主,分選性好,磨圓度中等,且富含水。白堊系地層砂質(zhì)泥巖及砂巖具有軟弱不穩(wěn)定巖石、水化、風化的特點,且其中的洛河組富含水、巖層飽水單軸抗壓強度較高。巖性單一,為紫紅色、磚紅色塊狀中粒長石砂巖和細粒長石砂相間成層。礦物成分以石英、長石為主,泥質(zhì)膠結(jié),發(fā)育巨型楔狀交錯層理,局部為塊狀層理。據(jù)鉆孔資料,洛河組上部30~40 m 巖石風化,紫紅色,主要成分為石英、長石,分選性差,次棱角狀,泥質(zhì)膠結(jié),水平及斜層理,含少量白云母碎片,手易搓碾呈粉末,輕敲易斷裂,與下覆侏羅系安定組為平行不整合接觸。該地域的主要充水途徑為松散砂層孔隙和巖層中發(fā)育的風化裂隙及構(gòu)造節(jié)理裂隙和粗顆粒巖層的孔隙。以圍巖孔隙涌水和裂隙涌水為主要充水方式。各充水層以水平透水、匯水為特征,隨著井筒的垂直向下延伸,水位(水頭) 壓力不斷增大,井筒圍巖滲水面壓力增大,引起軟巖段充水通道松弛,導水裂隙易張裂掉塊,發(fā)生充水相對集中狀況。

    基于西部白堊系地層特點,該地區(qū)的井筒建設(shè)多采用凍結(jié)法施工。凍結(jié)的主要任務(wù)是封水,以使井筒可安全掘砌施工,凍結(jié)孔的布置為單圈孔凍全深,即主凍結(jié)孔;并依據(jù)沖積層的深度設(shè)置防片幫孔,采用主凍結(jié)孔輔以防片幫孔的凍結(jié)方式。

    2 工程統(tǒng)計

    對近年已順利竣工的凍結(jié)工程資料進行了收集、整理,統(tǒng)計的井筒凈徑從6.00 m 至10.00 m,井筒深度多在500 m 以上,其范圍涵蓋了主井、副井及風井,凍結(jié)深度最深為802 m,立井凍結(jié)工程詳見表1。

    表1 西部白堊系地層立井凍結(jié)工程統(tǒng)計Table 1 Statistics of shaft freezing engineering of the Cretaceous strata of Western China

    3 凍結(jié)設(shè)計基本參數(shù)的選取

    3.1 凍結(jié)壁厚度的選取

    凍結(jié)壁是凍結(jié)法鑿井的中心環(huán)節(jié),是巖層冷凍效果的集中體現(xiàn)。針對以上凍結(jié)工程,凍結(jié)壁厚度與凍結(jié)深度的關(guān)系如圖1所示。

    圖1 凍結(jié)壁厚度與凍結(jié)深度的散點圖Fig.1 Scatter plot of freezing wall thickness and freezing depth

    可看出凍結(jié)壁厚度與凍結(jié)深度存在相應(yīng)的線性關(guān)系,即凍結(jié)壁厚度隨凍結(jié)深度的延伸增加,其關(guān)系可用回歸擬合公式表示。

    式中:E 為凍結(jié)壁厚度,m;H 為凍結(jié)深度,m。

    參照凍結(jié)深度選取凍結(jié)壁厚度。凍結(jié)深度在300~650 m,凍結(jié)壁厚度可在3.30~3.80 m 選??;凍結(jié)深度在650 m 以下,凍結(jié)壁厚度可在4.50~4.80 m 選取。

    3.2 主孔設(shè)計圈徑的選取

    主凍結(jié)孔的布置圈徑直接影響凍結(jié)壁的厚度及強度,確保合理的井幫溫度分布,提高凍結(jié)調(diào)控效果,使凍結(jié)方案與掘砌工程有機結(jié)合,為凍結(jié)段安全快速施工和降低工程造價創(chuàng)造有利條件。主凍結(jié)孔的布置圈徑,即主孔距最大荒徑距離,兩者的線性關(guān)系如圖2所示。

    圖2 主孔設(shè)計圈徑與主孔最大荒徑的散點圖Fig.2 Scatter plot of main hole design circle diameter and maximum diameter of main hole

    可看出主孔設(shè)計圈徑與主孔最大荒徑存在相應(yīng)的線性關(guān)系,其線性關(guān)系可用回歸擬合公式表示。

    式中:D0為主孔設(shè)計圈徑,m;En為主孔距最大荒徑距離,m。

    參照井筒最大荒徑選取主孔設(shè)計圈徑。主孔距最大荒徑為2.10~2.20 m,主孔設(shè)計圈徑可布置在15 m 以內(nèi);主孔距最大荒徑為2.40~3.80 m,主孔設(shè)計圈徑可布置在15~21 m。

    3.3 主孔開孔間距的選取

    主凍結(jié)孔的開孔間距存在2 個方面,孔數(shù)多,則開孔間距小,如過小,會增加打鉆的工程量,也可能打穿相鄰的凍結(jié)管;反之,開孔間距增大,如偏斜過大,可能使終孔間距過大,將延長凍結(jié)時間,甚至使凍結(jié)困難,需重新鉆孔或增打補孔。

    對主凍結(jié)孔的開孔間距做出統(tǒng)計(圖3),可看出平均值為1.333 m,故宜選?。?.35 m 的數(shù)值作為開孔間距。

    圖3 主孔開孔孔間距的匯總Fig.3 Hole spacing summary of main hole

    其次考慮主凍結(jié)孔的開孔間距對水文孔冒水時間的影響,依據(jù)以上已完工程的統(tǒng)計,繪制主孔開孔間距與水文孔冒水時間的散點圖(圖4)。

    圖4 主孔開孔間距與水文孔冒水時間的散點圖Fig.4 Scatter plot of opening spacing of main holeand flooding time of hydrological hole

    回歸擬合公式可為:

    式中:Ls為主孔開孔間距,m;Tf為水文孔冒水時間,d。

    參照以上圖形,可統(tǒng)計出:水文孔的冒水時間在40 d 以內(nèi),主孔開孔間距可設(shè)計在1.325 m 以內(nèi);水文孔的冒水時間在55 d 以內(nèi),主孔開孔間距可設(shè)計在1.370~1.390 m。

    3.4 防孔距荒徑的選取

    考慮井筒在掘砌過程中易片幫,故防片幫孔的布置位置至關(guān)重要。防孔距荒徑的距離多設(shè)置在1.20 m,防孔開孔孔間距在2.30~2.55 m,以確保井筒在開挖初期不片幫。其圖形如圖5所示。

    圖5 防孔距荒徑與防孔設(shè)計孔間距的散點圖Fig.5 Scatter plot of anti-hole distance and anti-hole design hole spacing

    3.5 凍結(jié)壁交圈時間的選取

    凍結(jié)壁的交圈時間直接影響積極凍結(jié)期的時間,即機器運轉(zhuǎn)費用。水文孔的花管層位多布設(shè)在第四系及白堊系洛河組中。水文孔冒水時間與水文孔深度的散點圖如圖6所示。

    圖6 水文孔冒水時間與水文孔深度的散點圖Fig.6 Scatter plot of flooding time and depth of hydrologic hole

    回歸擬合公式可為:

    式中:Hs為水文孔深度,m。

    參照上圖,可統(tǒng)計出200 m 以上水文孔的冒水時間多在40 d 內(nèi),即凍結(jié)壁交圈時間。

    水文孔冒水時間與含水層最大孔間距的散點圖如圖7所示。

    圖7 水文孔冒水時間與含水層最大孔間距的散點圖Fig.7 Scatter plot of water discharge time of hydrological hole and maximum hole spacing of aquifer

    據(jù)上圖,回歸擬合公式可為:

    式中:L 為含水層最大孔間距,m。

    另可看出含水層的最大孔間距宜在2.00 m 以內(nèi),可確保凍結(jié)壁的交圈時間在40 d 內(nèi)。

    3.6 鉆機效率的選取

    依據(jù)凍結(jié)深度與鉆機臺月效率繪制圖8。

    圖8 鉆機效率與凍結(jié)深度的散點圖Fig.8 Scatter plot of drilling efficiency and freezing depth

    據(jù)上圖,可看出鉆機施工平均臺月為1700m/月。

    回歸擬合公式可為:

    式中:η 為鉆機效率,m/月。

    4 結(jié)論

    (1) 主凍結(jié)孔開孔間距平均在1.333 m,防片幫孔開孔間距平均在2.426 m,淺水文孔的冒水時間平均在37 d。

    (2) 各設(shè)計參數(shù)均存在線性關(guān)系,但不能單一的看某一項數(shù)值,應(yīng)全面考量后,方可確定各參數(shù)。

    (3) 西部白堊系地層凍結(jié)設(shè)計一般以封水為設(shè)計原則。

    (4) 依據(jù)水文孔冒水時間及含水層的最大孔間距,凍土圓柱發(fā)展速度平均為27 mm/d。

    (5) 凍結(jié)管的管徑宜選取大于140 mm 管,以確保凍結(jié)壁的有效形成。

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