深厚富水軟巖風(fēng)井凍結(jié)封水技術(shù)

深厚富水軟巖風(fēng)井凍結(jié)封水技術(shù)

在中國(guó)西部礦產(chǎn)開發(fā)的早期階段，對(duì)深層富水巖層的認(rèn)識(shí)不多，普通法通常用于挖掘井。當(dāng)發(fā)生洪水時(shí)，含水層會(huì)被水淹沒，并會(huì)發(fā)生變化。此類基巖地層多為孔(裂)隙復(fù)合含水,注漿堵水效果差,疏排水困難,注漿堵水與降水屢遭失敗,不僅使建井工期大大延誤,同時(shí)也蒙受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前,出于快速、安全、高質(zhì)量建井等方面的考慮,凍結(jié)法已成為西部地區(qū)富水巖層立井鑿井主要施工方法。高家堡煤礦位于陜西省長(zhǎng)武縣彬長(zhǎng)礦區(qū),設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力5Mt/a,立井開拓。井筒埋深較大,需要穿越侏羅系軟巖地層。井筒穿過厚度較大的洛河組含水層時(shí),鑿井施工將面臨地下水流速大、水頭壓力高、結(jié)冰溫度低等難題。1u3000巖體物理力學(xué)性能高家堡煤礦風(fēng)井設(shè)計(jì)凈直徑7.5m,井深820m,采用凍結(jié)法施工。井筒穿越厚度380m的深厚洛河組高承壓強(qiáng)含水層,水壓高,流量大,巖層軟。井筒掘砌施工時(shí),面臨以下問題:(1)地下水流速大。風(fēng)檢孔420m深處,流速為1.13m/h。放水試驗(yàn)結(jié)束后,測(cè)得的風(fēng)檢孔流速為2.26m/h。(2)水頭高。風(fēng)井洛河組砂巖含水層水位埋深16.11m,水位標(biāo)高+941.07m;直羅組、延安組含水層水位埋深99.72m,水位標(biāo)高+1u3000022.96m。承壓水壓力大,造成凍結(jié)孔垂向流動(dòng),增加了凍結(jié)難度。(3)地溫高,結(jié)冰溫度低。測(cè)溫資料顯示,風(fēng)井井底溫度為40℃左右,所有測(cè)試巖體結(jié)冰溫度均較低,差別不大,凍結(jié)需冷量大。根據(jù)高家堡煤礦井筒檢查鉆孔地質(zhì)報(bào)告,風(fēng)井穿越的地層,依次為第四系(Q),厚26.50m,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度4~14kPa。白堊系下統(tǒng)環(huán)河華池組(K1h),厚293.22m,巖體抗壓強(qiáng)度46.97~62.09MPa;洛河組(K1l),厚371.28m,巖體抗壓強(qiáng)度25.60~70.65MPa;宜君組(K1y),厚4.43m,巖石質(zhì)量極差。侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a),厚15.94m,巖體抗壓強(qiáng)度45.03~51.30MPa;直羅組(J2z),厚29.75m,巖體抗壓強(qiáng)度29.4~64.2MPa。三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h),厚123.84m,巖體抗壓強(qiáng)度51.69~72.48MPa。根據(jù)水文地質(zhì)資料估算,第四系地層與基巖風(fēng)化帶,井筒總涌水量為7.82m3/h;洛河組地層,井筒最大涌水量為2u3000219.63m3/h;揭露洛河組含水層頂?shù)装鍟r(shí),正常井筒涌水量分別為243.71和465.04m3/h。根據(jù)風(fēng)井檢查孔簡(jiǎn)易測(cè)溫成果以及主井檢查孔近似穩(wěn)態(tài)測(cè)溫成果,井筒所穿地層,地溫梯度小于3℃/100m,屬地溫正常區(qū)。風(fēng)井檢查孔560~740m屬一級(jí)熱害,740~810m(孔底)屬二級(jí)熱害,孔底地溫39.0℃。高地溫對(duì)井筒凍結(jié)會(huì)造成一定困難。對(duì)高家堡煤礦井筒檢查孔巖石樣品進(jìn)行了人工凍結(jié)巖石物理力學(xué)性能測(cè)定,得到如下結(jié)果:(1)凍結(jié)巖石單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度的降低而增大,但增長(zhǎng)速率隨溫度的降低而減小。凍結(jié)砂巖強(qiáng)度相對(duì)較低,平均單軸抗壓強(qiáng)度為20~60MPa。(2)凍結(jié)巖石彈性模量受溫度影響比較明顯,隨溫度的降低而增大,其變化規(guī)律與單軸抗壓強(qiáng)度相似。另外,由于巖層中存在層理面,巖石樣品彈性模量測(cè)試值比較離散。其中,凍結(jié)砂質(zhì)泥巖彈性模量為1.5~2.5GPa,凍結(jié)砂巖彈性模量為1.0~1.9GPa。(3)凍結(jié)巖石泊松比受溫度影響較小,隨溫度的降低而減小。凍結(jié)巖石平均泊松比為0.19~0.28,比常溫巖石泊松比0.2~0.35略有降低。(4)凍結(jié)巖石導(dǎo)熱系數(shù)為11.72~12.98kJ/(m·h·℃);而常溫條件下,巖石導(dǎo)熱系數(shù)為9.63~11.3kJ/(m·h·℃)。可見,凍結(jié)條件下,巖石導(dǎo)熱性有所增強(qiáng)。(5)所有測(cè)試巖體的結(jié)冰溫度均較低,為-3.0~-3.5℃,差別不大。為保證深部巖體能夠處于穩(wěn)定的凍結(jié)狀態(tài),其凍結(jié)溫度不能高于-5℃。(6)凍結(jié)巖石在2個(gè)測(cè)試溫度水平下的蠕變特性差異不明顯。軸向蠕變應(yīng)變一旦達(dá)到0.5%左右,凍結(jié)巖石多表現(xiàn)為加速蠕變的特性。凍結(jié)巖石破壞主要以瞬時(shí)突然破壞為主,破壞前的軸向變形量極小。(7)在沒有外部水源補(bǔ)給的條件下,凍結(jié)巖石凍脹率小于0.6%,凍脹力小于0.8MPa,均較小。2u3000冷凍方案2.1凍結(jié)深度不能滿足立井凍結(jié)穩(wěn)定要求《煤礦井巷工程施工規(guī)范》(GBu300050511—2010)規(guī)定,立井凍結(jié)深度,應(yīng)深入穩(wěn)定的不透水基巖10m以上。高家堡煤礦風(fēng)井深度為820m,采用一次凍全深方案,凍結(jié)深度取830m。2.2凍結(jié)壁厚度陜西地區(qū)的白堊系地層遇水后易崩解,崩解后近似于土層。因此,風(fēng)井選取白堊系最下部的層位,作為凍結(jié)薄弱環(huán)節(jié)加以控制。凍結(jié)壁厚度采用維亞洛夫有限長(zhǎng)厚壁圓筒公式計(jì)算。根據(jù)風(fēng)井地層特點(diǎn),以及按-10℃巖石單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算得到的凍結(jié)壁厚度和工程類比,確定凍結(jié)壁厚度為4.50m。2.3凍結(jié)壁平均溫度計(jì)算凍結(jié)壁平均溫度是確定凍土強(qiáng)度,以及凍結(jié)壁強(qiáng)度、穩(wěn)定性的基本參數(shù)。它主要取決于凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)鹽水溫度、凍結(jié)孔間距、井幫溫度以及凍結(jié)孔布置方式等因素,精確計(jì)算難度較大。從工程實(shí)際出發(fā),一般取最大地壓水平或凍結(jié)設(shè)計(jì)控制層位凍結(jié)孔最大間距處的主、界面平均溫度,作為凍結(jié)壁平均溫度設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。參照該地區(qū)已施工和正在施工的井筒凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度,結(jié)合風(fēng)井地層特點(diǎn),確定風(fēng)井凍結(jié)壁平均溫度為-10℃。2.4u3000冷凍孔的配置(1)凍結(jié)孔的布置根據(jù)高家堡煤礦風(fēng)井地質(zhì)條件,按照井筒綜合掘砌速度要求,經(jīng)過對(duì)凍土擴(kuò)展?fàn)顩r及井筒掘砌速度的綜合分析,為保證凍結(jié)壁有效厚度和強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)井筒連續(xù)掘砌施工,確定凍結(jié)孔采用外、內(nèi)圈孔插花加防片幫孔的布置方式。風(fēng)井凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)如下:(2)凍結(jié)壁交圈討論由于高家堡礦風(fēng)井直徑大、凍結(jié)深度深,結(jié)合近幾年附近礦井凍結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),為確保凍結(jié)壁盡早交圈,決定加大鹽水流量。300m深以內(nèi),外圈孔和內(nèi)圈孔選用ue788Φ159mm×6mm凍結(jié)管,以下選用ue788Φ159mm×7mm凍結(jié)管。防片幫孔選用ue788Φ140mm×6mm凍結(jié)管。(3)測(cè)溫孔及管為準(zhǔn)確掌握凍結(jié)溫度場(chǎng)變化情況,設(shè)計(jì)布置測(cè)溫孔4個(gè)(深度為835m的3個(gè),460m的1個(gè)),測(cè)溫管采用ue788Φ140mm×6mm無縫鋼管。(4)沖積層設(shè)計(jì)材料為了準(zhǔn)確報(bào)導(dǎo)凍結(jié)壁交圈情況,根據(jù)井檢孔資料,沖積層含、隔水層組的劃分,設(shè)計(jì)水文孔2個(gè),深度分別為75和447m。水文管采用ue788Φ159mm×6mm無縫鋼管。(5)孔偏轉(zhuǎn)率的要求為保證凍結(jié)壁有效形成與凍結(jié)管安全,結(jié)合近幾年實(shí)際施工水平,對(duì)凍結(jié)孔偏斜提出了如下要求:0~300m深,偏斜率小于等于2.0‰;300~600m深,靶域半徑700mm;600m深以下,靶域半徑1.2m。最大孔間距:主圈孔小于等于3.0m,輔助孔小于等于3.8m。2.5u3000連接壁形成預(yù)測(cè)(1)凍結(jié)孔間距的分析凍結(jié)壁交圈時(shí)間除與凍結(jié)管直徑、地層原始溫度、凍結(jié)鹽水溫度及其在凍結(jié)管環(huán)形空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)外,還與含水層礦物粒徑、凍結(jié)孔間距等有關(guān)。根據(jù)對(duì)風(fēng)井檢查孔柱狀圖的分析,當(dāng)主凍結(jié)孔、輔助凍結(jié)孔鹽水為正循環(huán),防片幫凍結(jié)孔鹽水為反循環(huán)時(shí),主要含水層(460m水平)內(nèi)圈孔~外圈孔最大孔間距按2.5m考慮,依據(jù)熱平衡原理進(jìn)行計(jì)算,可得主井積極凍結(jié)期為58d。根據(jù)凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù),可計(jì)算出凍結(jié)壁交圈時(shí)間以及凍土擴(kuò)展至井幫時(shí)間。(2)含水層凍結(jié)壁交圈風(fēng)井開挖標(biāo)準(zhǔn)有二:一是水文孔冒水后,證實(shí)主要含水層凍結(jié)壁已交圈;二是根據(jù)測(cè)溫孔數(shù)據(jù)分析,井筒掘砌至各水平時(shí),凍結(jié)壁能夠達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度和厚度。(3)井和桶的挖掘時(shí)間根據(jù)招標(biāo)書提供的掘砌速度,考慮凍結(jié)壁抵抗外界水壓所需要的厚度和強(qiáng)度,以及凍結(jié)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果,確定開機(jī)凍結(jié)65d后試挖。3u3000固結(jié)施工技術(shù)(1)關(guān)閉孔的施工順序施工準(zhǔn)備→鉆場(chǎng)基礎(chǔ)、臨時(shí)建筑施工→鉆機(jī)安裝及定位→泥漿調(diào)制→正常鉆進(jìn)及注漿充填→測(cè)斜、糾斜、測(cè)深→下凍結(jié)管→試壓→鉆孔驗(yàn)收。(2)地層注漿堵漏根據(jù)《風(fēng)井檢查孔報(bào)告》,風(fēng)井第四系沖積層與基巖風(fēng)化帶、355~445.5m段基巖地下水流速大。對(duì)這2段地層凍結(jié)孔,需要進(jìn)行充填注漿堵漏,以減小地下水流速,保證井筒凍結(jié)效果。注漿分2段進(jìn)行,即320~390m和390~450m段。注漿材料采用單液水泥漿,用P·O32.5R水泥配制。水玻璃濃度為38~40Be′,模數(shù)2.8~3.4。(3)鹽水井筒試挖施工準(zhǔn)備→基礎(chǔ)施工→設(shè)備就位及管路、地溝槽安裝→試壓及保溫包扎→配制鹽水→清水、鹽水系統(tǒng)試運(yùn)行→充氨及凍結(jié)試運(yùn)轉(zhuǎn)→凍結(jié)正常運(yùn)轉(zhuǎn)→監(jiān)測(cè)監(jiān)控→井筒試挖→井筒正式開挖→維護(hù)凍結(jié)→停機(jī)→凍結(jié)驗(yàn)收。4u3000年生死監(jiān)測(cè)4.1液壓凍結(jié)溫度從2011-09-18開始凍結(jié),到2011-10-12,鹽水溫度已經(jīng)降低到-20℃。凍結(jié)初期,去、回路鹽水溫差達(dá)到2℃;之后,隨著熱負(fù)荷的增加,去、回路鹽水溫差減小,表明鹽水系統(tǒng)運(yùn)行良好。4.2土體溫度下降風(fēng)井設(shè)計(jì)布置測(cè)溫孔4個(gè):外測(cè)溫孔3個(gè)(測(cè)1、測(cè)2、測(cè)3),內(nèi)測(cè)溫孔1個(gè)(測(cè)4)。以測(cè)1孔為例,在積極凍結(jié)初期,土體溫度迅速下降,每d最大降幅達(dá)2℃。積極凍結(jié)后期,土體溫度降至0℃附近時(shí),由于土體水分結(jié)冰,發(fā)生相變,釋放出大量的潛熱,土體溫度下降幅度變緩。至2012-01-20,含水層土體溫度均已降到0℃以下。從4號(hào)測(cè)溫孔溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果可見,在維護(hù)凍結(jié)期間,根據(jù)掘進(jìn)速度,對(duì)鹽水溫度作了調(diào)整(控制在-22℃左右),使凍結(jié)壁外圍土體熱交換基本達(dá)到平衡狀態(tài),凍土向外發(fā)展緩慢,收到了預(yù)期效果。4.3井幫溫度測(cè)結(jié)果風(fēng)井開挖期間,對(duì)不同層位土體的井幫溫度進(jìn)行了定期監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果如附圖所示。由圖中可見,井深超過7m后,井幫溫度便處于0℃以下。隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng),井深的增加,井幫溫度逐漸降低,深部井幫溫度基本維持在-6~-11℃之間。4.4u3000水文孔壓力監(jiān)測(cè)以1號(hào)水文觀測(cè)孔為例,隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng),孔中壓力增大。凍結(jié)時(shí)間約50d左右,孔中壓力增加到0.15MPa,表明周圍凍結(jié)壁已交圈。5凍結(jié)井筒井筒高家堡煤礦風(fēng)井穿越厚度380m的高水壓、大流速深厚富水軟巖含水層,最大涌水量達(dá)2u3000219.63m3/h。針對(duì)如此復(fù)雜的地質(zhì)條件,采用以下凍結(jié)技術(shù),取得了預(yù)期效果:(1)為確保凍結(jié)封水,設(shè)計(jì)采用一次凍全深方案,并采用“三大一小”施工方式,即大直徑凍結(jié)管、大鹽水泵、大裝機(jī)