高流速地下水井筒凍結(jié)施工技術(shù).docx

1、第27卷第1期2006年2月Vol.27No.1Feb.2006建井技術(shù)MINECONSTRUCTIONTECHNOLOGY-工程技術(shù)-高流速地下水井筒凍結(jié)施工技術(shù)夏宇君（臨沂礦務(wù)片新區(qū)建設(shè)指揮部，山東究州.272000）摘要：古城礦井地處兗州市東郊水源開(kāi)采基地.因地下水長(zhǎng)期連續(xù)大量地開(kāi)采，深度38104m段沖積層最大地下水流速達(dá)到了40.08m/d°要在如此大的動(dòng)態(tài)水流中順利形成凍結(jié)壁有很大難度。為了保證井筒凍結(jié)段掘砌施工安全順利,對(duì)高流速地下水段沖積層采取了增設(shè)1圈輔助凍結(jié)孔的加強(qiáng)凍結(jié)措施；同時(shí)采用減小凍結(jié)孔間距，-301低溫鹽水凍結(jié)，雙供液系統(tǒng)，高流速鹽水循環(huán)方式，凍結(jié)孔鉆進(jìn)施

2、工中壓漿等多種做法，使得主、副井簡(jiǎn)凍結(jié)壁提前交圈封水，井筒提前開(kāi)挖.編短了制冷工期.節(jié)約了凍結(jié)費(fèi)用，取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：井筒；高流速地下水；加強(qiáng)凍結(jié)；輔助凍結(jié)孔中圖分類(lèi)號(hào)：TD265.3、文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào):1002-6029（2006）01-0002-031工程概況1.1井筒特征古城礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9Mt/a.工業(yè)廣場(chǎng)位于山東省兗州市東郊水源開(kāi)采基地。主、副兩個(gè)井筒布置在工業(yè)廣場(chǎng)中部.東西相距50m,南北相距10m°主井凈直徑5.5m,深度664.8m；副井凈直徑6.0m.深度688.8m。井筒治水方案為上凍下注；凍結(jié)深度主井250m副井256m。1.2 井筒

3、地質(zhì)及水文地質(zhì)主、副井檢查孔資料顯示.第四系沖積層厚度分別為175.5m和170.7m。沖積層以下為強(qiáng)風(fēng)化帶.厚度分別為44.5m和58.0m。兗州市東郊水廠(chǎng)共有12口井，布置在古城礦井工業(yè)廣場(chǎng)四周.主要取水層位為40110m段，井深不超過(guò)l】0m.井徑為300500mm°離井筒最近的水源井距井筒250m.最遠(yuǎn)的為1080m,平均距井筒340m,全部水源井日取水枇2.8萬(wàn)m3左右。井筒周?chē)腥绱硕嗟┤绱私拇蟪樗康乃ㄒ话銉鼋Y(jié)井施工要求水源井距井筒350m以上，而且數(shù)敏要少）.必將給凍結(jié)施工帶來(lái)很大困難，這是以往凍結(jié)法鑿井施工中從未遇到過(guò)的不利工況條件。1.3 地下水流速流向由于

4、礦井周?chē)淳L(zhǎng)時(shí)間連續(xù)大量地開(kāi)采使得含水層疏通，地下水由東北向西南逕流的水力梯度加大，地下水流速增加。1994年7月用同位素法測(cè)得井深38104m段流速為5.7440.08m/d,最大流速（40.08m/d）位于67m處，詳見(jiàn)表1。地下水流向?yàn)?10260°。表1第四系地下水流速地層名稱(chēng)厚度/m埋深/tn流速md-»中細(xì)砂3.0406.21粗砂5.358.39.39含礫租砂16.374.69.1540.08粗砂3.983.28.27含礫中粗砂3.410-16.382凍結(jié)方案的確定古城礦井筒采用凍結(jié)法施工成功與否的關(guān)鍵是110m深以?xún)?nèi)地層凍結(jié)壁能否順利交圈.因而特別需要解決

5、好地下水流速較大的40110m段地層的凍結(jié)問(wèn)題。在我國(guó)凍結(jié)井施工中,曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)因井筒附近機(jī)井抽水導(dǎo)致局部地層地下水流速加大.而使凍結(jié)壁長(zhǎng)期不交圈的事例。古城礦井水文地質(zhì)的特征是：40104m深范圍內(nèi)的砂層中地下水流速較大.最大達(dá)40.08m/d；而040m和110m以下段沖積層則屬于地下水流速正常的地層。據(jù)此，確定凍結(jié)方案設(shè)計(jì)的基本原則是：在保證上段（0110m）地層凍結(jié)壁順利交圈并達(dá)到設(shè)計(jì)厚度的前提下，盡量減少工程量,縮短工期，降低成本。為此.采取收稿H期,2005-08-21夏宇君：高流速地下水井筒凍結(jié)施工技術(shù)了如下措施：（1）對(duì)不同性質(zhì)的地層采用不同的目標(biāo)作為凍結(jié)壁參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。110

6、m段沖積層主要應(yīng)加強(qiáng)凍結(jié)確保凍結(jié)壁順利交圈。110m深以下的沖積層中由于深厚粘土層多且厚因而凍結(jié)壁設(shè)計(jì)要以保證足夠強(qiáng)度和剛度為前提凍結(jié)壁厚度和溫度必須達(dá)到保證安全施工的要求。沖積層以下的巖層段以封水為主要目標(biāo)。（2）減小凍結(jié)孔間距；同時(shí)采用低溫和大循環(huán)最鹽水進(jìn)行凍結(jié)，以增大熱傳遞系數(shù)。（3）為減少工程量.降低成本.采用差異凍結(jié)方式。主井井筒長(zhǎng)管深度250m,短管深度190m；副井井筒長(zhǎng)管深度256m.短管深度也為190m°同時(shí)考慮到0110m段沖積層地下水流速較大.為確保凍結(jié)壁順利交圈.布置1圈輔助凍結(jié)孔加強(qiáng)凍結(jié)，并采用主、輔孔雙排插花布置形式.以減小孔間距。這樣，水流經(jīng)外排主孔后.

7、到達(dá)捕助孔時(shí).水溫已降低,有利于凍結(jié)壁形成。3凍結(jié)設(shè)計(jì)3.1凍結(jié)孔布置主、副井筒凍結(jié)孔均采用雙圈布置方式.內(nèi)、外圈孔數(shù)相等，插花布置。外圈為主凍結(jié)孔，差異凍結(jié)，孔深主井19O/25Om,副井190/256m；凍結(jié)孔數(shù)主井26個(gè)，副井28個(gè)；布置圈徑主井11.7m.副井12.3m；凍結(jié)孔間距主井1.414m.副井1.380m。內(nèi)圈為輔助凍結(jié)孔，孔深主、副井均為UOm；孔數(shù)主井26個(gè).副井28個(gè)；布置圈徑主井10.9m.副井11.5m；凍結(jié)孔間距主井1.317m,副井1.290m。3.2凍姑壁厚度計(jì)算凍結(jié)壁厚度采用多姆克公式，按最深一層砂層進(jìn)行計(jì)算。凍結(jié)壁平均溫度確定為-7（。根據(jù)計(jì)算結(jié)果.確定主

8、井凍結(jié)壁厚度為2.7m.副井為2.85m。3.3 水文孔設(shè)置為正確判斷井筒凍結(jié)情況，主、副井筒各設(shè)2個(gè)水文孔.其中1個(gè)為單管結(jié)構(gòu)1個(gè)為三重套管結(jié)構(gòu)。主井單管水文孔深度110m,主要報(bào)導(dǎo)高流速地下水段5085m處的水位變化情況；三重套管水文孔深度165m,分層分別報(bào)導(dǎo)2839m段（上組水）、90112m段（中組水）和124165m段（下組水）地層水位變化情況。副井單管水文孔深度110m.三重套管水文孔深度155m。3.4 測(cè)溫孔設(shè)置主、副井筒各設(shè)5個(gè)測(cè)溫孔，其中4個(gè)（兩深兩淺）布置在凍結(jié)圈內(nèi)側(cè),1個(gè)布置在凍結(jié)圈外側(cè)。3.5 凍結(jié)設(shè)備配備經(jīng)計(jì)算，凍結(jié)需冷量主井為1.105xl06kcal/h,副井

9、為1.185xlO6kcal/h；凍結(jié)站最大需冷量為1.738xl06kcal/h。設(shè)計(jì)鹽水溫度為-300。設(shè)計(jì)選用8AS-12.5型冷凍機(jī)8臺(tái).6AW-17型冷凍機(jī)9臺(tái).總裝機(jī)容最為4.65xlO$kcal/h,可滿(mǎn)足要求。選用LN-150型立式冷凝器8臺(tái)。為了加強(qiáng)高流速地下水段地層凍結(jié)使。110m段地層凍結(jié)壁順利交圈，決定將主、輔凍結(jié)孔供液系統(tǒng)分開(kāi)設(shè)兩付配集液圈，4路鹽水干管。主、副井各選用IS200-15-315型鹽水泵兩組（4臺(tái)）。凍結(jié)管內(nèi)環(huán)形空間鹽水流速主井主孔為0.436m/s輔孔為0.190m/s；副井主孔為0.400m/s,輔孔為0.177m/so主、副井筒凍結(jié)設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

10、見(jiàn)表2。3.6 凍結(jié)鉆孔工程要求為了保證高流速地下水段地層凍結(jié)壁順利交圈.對(duì)凍結(jié)孔垂直度提出了更加嚴(yán)格的要求：083m段孔斜率沖積層其余段2%。；基巖段4%。同時(shí)在鉆孔施工中.要盡量調(diào)配好泥漿的稠度，使盡可能多的泥漿在鉆進(jìn)時(shí)滲入到地層中去以減小凍結(jié)管周?chē)叵滤魉佟?凍結(jié)施工4.1制冷凍結(jié)（1）水文孔水位觀測(cè)主、副井筒分別于1996-02-10和同年6月10日開(kāi)機(jī)凍結(jié),凍結(jié)壁分別于1996-03-21和同年7月18日交圈。水文孔水位觀測(cè)表明，雙圈孔凍結(jié)的主、副井筒淺部（高流速地下水段，主、副井筒報(bào)導(dǎo)層位分別為5085m和5485m）水文孔冒水時(shí)間分別為39d和38d；而單圈孔凍結(jié)的深部（深度1

11、10m,主、副井筒報(bào)導(dǎo)層位分別為】24165m和122155m）水文孔冒水時(shí)間也分別為39d和38d,和淺部相同。可見(jiàn)，高流速地下水對(duì)凍結(jié)壁的形成有十分重要的影響。（2）測(cè)溫孔溫度監(jiān)測(cè)測(cè)溫孔溫度監(jiān)測(cè)顯示，主、副井筒凍結(jié)情況良好，凍土擴(kuò)展迅速，每晝夜凍土平均擴(kuò)展達(dá)到2235mm,表明凍結(jié)方案是合理的，制冷凍結(jié)施工是成功的。4.2凍姑效果和井筒掘砌4建井技術(shù)2006年第27卷«2主、副井簡(jiǎn)凍結(jié)設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)序號(hào)項(xiàng)主并刷井1沖枳層深度/m175.5170.72凍結(jié)深度m110.190/250110.190/2563最大地壓，MPa2.1222.0801凍結(jié)圈徑m10.9,11.711.5

12、/12.35凍結(jié)孔散個(gè)26/2628,286水文孔深度及個(gè)敷（m,個(gè)）110/1.165/1110/1.155/17測(cè)溫孔深度及個(gè)數(shù)（m/個(gè)）110/2.195,1.2502110/2.195/1.256/28凍結(jié)孔間距/m內(nèi)1.317.外1.414內(nèi)1.290,外1.3809凍結(jié)管規(guī)格，mm#168x5.#133x(66.5)#168x5.#133x(66.5)10供液管規(guī)格/mm70x5.75x670x5.75x611設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度，m2.72.8512設(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度*-7-713枳極凍結(jié)期，d140H511積極凍結(jié)WM/kcal.h»1.105x10*1.185x10*15

13、沒(méi)計(jì)鹽水濕度P-30-3016設(shè)計(jì)鹽水流®h280-280-560280*280-56017總裝機(jī)容l/kc«Ih->4.65x106（標(biāo)淮制冷量）主、副井筒凍結(jié)壁交圈后.分別于1996-04-10和同年8月】0日試挖。井筒開(kāi)挖后，對(duì)井幫溫度及凍土進(jìn)入荒徑厚度進(jìn)行了測(cè)量。表3為主井開(kāi)挖后的實(shí)測(cè)記錄。從表中數(shù)據(jù)看.主井開(kāi)挖后井幫平均溫度均在0*C以下.最低達(dá)到91.凍土進(jìn)入荒徑厚度最大為1.2m.表明凍結(jié)效果良好。特別是主井井筒高流速地下水段地層（砂層）井幫凍»3主井井幫溫度及凍土進(jìn)入荒徑厚度實(shí)測(cè)記錄量測(cè)H期深度土層名稱(chēng)并幫溫度/V凍土進(jìn)入（月日）m荒徑厚度m

14、4.2017帖上-1.42704.2624.5鈣質(zhì)粘上-2.32804.3026粘上-1.93305.840細(xì)砂-8.012005.1348.5粘土-5.08505.1965中砂-7.75.2582細(xì)砂-9.05.3092中砂-7.76.11113粘土-4.25806.18130中砂-5.211206.24138砂質(zhì)粘土-5.91140（上接9頁(yè)）懸頂f集中冒落現(xiàn)象.又將導(dǎo)通新的砂巖含水層,從而造成涌水量波狀起伏變化。同時(shí)隨著涌水漏斗的不斷擴(kuò)大，補(bǔ)給面積不斷增大，也造成了采空區(qū)涌水量的波狀起伏變化。6結(jié)語(yǔ)在1109I作面回采前和回采中，我們做了大土溫度達(dá)到了-7.7-9.0P,為井筒開(kāi)挖順利通過(guò)該段地層創(chuàng)造了良好條件。主、副井筒采用短段掘砌施工方法分別于1996-09-21和1997-02-16安全順利地通過(guò)了凍結(jié)段。5技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益古城礦井主、副井筒沖積層上部（深度110m以?xún)?nèi)）采用增設(shè)1圈輔助孔的加強(qiáng)凍結(jié)措施，對(duì)不同地段采用不同目標(biāo)進(jìn)行凍結(jié)壁設(shè)計(jì).以及采用減小凍結(jié)孔間距.-3or低溫鹽水凍結(jié)，雙供液系統(tǒng).高流速鹽水循環(huán)方式.凍結(jié)孔鉆進(jìn)施工中壓漿等多種做法.使得主、副井筒凍結(jié)壁分別于開(kāi)機(jī)凍結(jié)后39d和38d便提前交圈封水.井筒提前開(kāi)挖（設(shè)計(jì)120d開(kāi)挖。主井提前56d.副井提前58d開(kāi)挖）縮短了制冷工期.節(jié)約了凍