高流速地下水井筒凍結施工技術.docx

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

2、工中壓漿等多種做法，使得主、副井簡凍結壁提前交圈封水，井筒提前開挖.編短了制冷工期.節(jié)約了凍結費用，取得了明顯的技術經(jīng)濟效益。關鍵詞：井筒；高流速地下水；加強凍結；輔助凍結孔中圖分類號：TD265.3、文獻標識碼：B文章編號:1002-6029（2006）01-0002-031工程概況1.1井筒特征古城礦井設計生產(chǎn)能力0.9Mt/a.工業(yè)廣場位于山東省兗州市東郊水源開采基地。主、副兩個井筒布置在工業(yè)廣場中部.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。沖積層以下為強風化帶.厚度分別為44.5m和58.0m。兗州市東郊水廠共有12口井，布置在古城礦井工業(yè)廣場四周.主要取水層位為40110m段，井深不超過l】0m.井徑為300500mm°離井筒最近的水源井距井筒250m.最遠的為1080m,平均距井筒340m,全部水源井日取水枇2.8萬m3左右。井筒周圍有如此多旦如此近的大抽水量的水井（一般凍結井施工要求水源井距井筒350m以上，而且數(shù)敏要少）.必將給凍結施工帶來很大困難，這是以往凍結法鑿井施工中從未遇到過的不利工況條件。1.3 地下水流速流向由于

4、礦井周圍水源井長時間連續(xù)大量地開采使得含水層疏通，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，詳見表1。地下水流向為210260°。表1第四系地下水流速地層名稱厚度/m埋深/tn流速md-»中細砂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凍結方案的確定古城礦井筒采用凍結法施工成功與否的關鍵是110m深以內(nèi)地層凍結壁能否順利交圈.因而特別需要解決

5、好地下水流速較大的40110m段地層的凍結問題。在我國凍結井施工中,曾經(jīng)出現(xiàn)過因井筒附近機井抽水導致局部地層地下水流速加大.而使凍結壁長期不交圈的事例。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，確定凍結方案設計的基本原則是：在保證上段（0110m）地層凍結壁順利交圈并達到設計厚度的前提下，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施工技術了如下措施：（1）對不同性質(zhì)的地層采用不同的目標作為凍結壁參數(shù)設計的依據(jù)。110

6、m段沖積層主要應加強凍結確保凍結壁順利交圈。110m深以下的沖積層中由于深厚粘土層多且厚因而凍結壁設計要以保證足夠強度和剛度為前提凍結壁厚度和溫度必須達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。（2）減小凍結孔間距；同時采用低溫和大循環(huán)最鹽水進行凍結，以增大熱傳遞系數(shù)。（3）為減少工程量.降低成本.采用差異凍結方式。主井井筒長管深度250m,短管深度190m；副井井筒長管深度256m.短管深度也為190m°同時考慮到0110m段沖積層地下水流速較大.為確保凍結壁順利交圈.布置1圈輔助凍結孔加強凍結，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、到達捕助孔時.水溫已降低,有利于凍結壁形成。3凍結設計3.1凍結孔布置主、副井筒凍結孔均采用雙圈布置方式.內(nèi)、外圈孔數(shù)相等，插花布置。外圈為主凍結孔，差異凍結，孔深主井19O/25Om,副井190/256m；凍結孔數(shù)主井26個，副井28個；布置圈徑主井11.7m.副井12.3m；凍結孔間距主井1.414m.副井1.380m。內(nèi)圈為輔助凍結孔，孔深主、副井均為UOm；孔數(shù)主井26個.副井28個；布置圈徑主井10.9m.副井11.5m；凍結孔間距主井1.317m,副井1.290m。3.2凍姑壁厚度計算凍結壁厚度采用多姆克公式，按最深一層砂層進行計算。凍結壁平均溫度確定為-7（。根據(jù)計算結果.確定主

8、井凍結壁厚度為2.7m.副井為2.85m。3.3 水文孔設置為正確判斷井筒凍結情況，主、副井筒各設2個水文孔.其中1個為單管結構1個為三重套管結構。主井單管水文孔深度110m,主要報導高流速地下水段5085m處的水位變化情況；三重套管水文孔深度165m,分層分別報導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 測溫孔設置主、副井筒各設5個測溫孔，其中4個（兩深兩淺）布置在凍結圈內(nèi)側,1個布置在凍結圈外側。3.5 凍結設備配備經(jīng)計算，凍結需冷量主井為1.105xl06kcal/h,副井

9、為1.185xlO6kcal/h；凍結站最大需冷量為1.738xl06kcal/h。設計鹽水溫度為-300。設計選用8AS-12.5型冷凍機8臺.6AW-17型冷凍機9臺.總裝機容最為4.65xlO$kcal/h,可滿足要求。選用LN-150型立式冷凝器8臺。為了加強高流速地下水段地層凍結使。110m段地層凍結壁順利交圈，決定將主、輔凍結孔供液系統(tǒng)分開設兩付配集液圈，4路鹽水干管。主、副井各選用IS200-15-315型鹽水泵兩組（4臺）。凍結管內(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、副井筒凍結設計主要技術參數(shù)

10、見表2。3.6 凍結鉆孔工程要求為了保證高流速地下水段地層凍結壁順利交圈.對凍結孔垂直度提出了更加嚴格的要求：083m段孔斜率沖積層其余段2%。；基巖段4%。同時在鉆孔施工中.要盡量調(diào)配好泥漿的稠度，使盡可能多的泥漿在鉆進時滲入到地層中去以減小凍結管周圍地下水流速。4凍結施工4.1制冷凍結（1）水文孔水位觀測主、副井筒分別于1996-02-10和同年6月10日開機凍結,凍結壁分別于1996-03-21和同年7月18日交圈。水文孔水位觀測表明，雙圈孔凍結的主、副井筒淺部（高流速地下水段，主、副井筒報導層位分別為5085m和5485m）水文孔冒水時間分別為39d和38d；而單圈孔凍結的深部（深度1

11、10m,主、副井筒報導層位分別為】24165m和122155m）水文孔冒水時間也分別為39d和38d,和淺部相同。可見，高流速地下水對凍結壁的形成有十分重要的影響。（2）測溫孔溫度監(jiān)測測溫孔溫度監(jiān)測顯示，主、副井筒凍結情況良好，凍土擴展迅速，每晝夜凍土平均擴展達到2235mm,表明凍結方案是合理的，制冷凍結施工是成功的。4.2凍姑效果和井筒掘砌4建井技術2006年第27卷«2主、副井簡凍結設計主要技術參數(shù)序號項主并刷井1沖枳層深度/m175.5170.72凍結深度m110.190/250110.190/2563最大地壓，MPa2.1222.0801凍結圈徑m10.9,11.711.5

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

13、沒計鹽水濕度P-30-3016設計鹽水流®h280-280-560280*280-56017總裝機容l/kc«Ih->4.65x106（標淮制冷量）主、副井筒凍結壁交圈后.分別于1996-04-10和同年8月】0日試挖。井筒開挖后，對井幫溫度及凍土進入荒徑厚度進行了測量。表3為主井開挖后的實測記錄。從表中數(shù)據(jù)看.主井開挖后井幫平均溫度均在0*C以下.最低達到91.凍土進入荒徑厚度最大為1.2m.表明凍結效果良好。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入荒徑厚度實測記錄量測H期深度土層名稱并幫溫度/V凍土進入（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細砂-8.012005.1348.5粘土-5.08505.1965中砂-7.75.2582細砂-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）懸頂f集中冒落現(xiàn)象.又將導通新的砂巖含水層,從而造成涌水量波狀起伏變化。同時隨著涌水漏斗的不斷擴大，補給面積不斷增大，也造成了采空區(qū)涌水量的波狀起伏變化。6結語在1109I作面回采前和回采中，我們做了大土溫度達到了-7.7-9.0P,為井筒開挖順利通過該段地層創(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安全順利地通過了凍結段。5技術經(jīng)濟效益古城礦井主、副井筒沖積層上部（深度110m以內(nèi)）采用增設1圈輔助孔的加強凍結措施，對不同地段采用不同目標進行凍結壁設計.以及采用減小凍結孔間距.-3or低溫鹽水凍結，雙供液系統(tǒng).高流速鹽水循環(huán)方式.凍結孔鉆進施工中壓漿等多種做法.使得主、副井筒凍結壁分別于開機凍結后39d和38d便提前交圈封水.井筒提前開挖（設計120d開挖。主井提前56d.副井提前58d開挖）縮短了制冷工期.節(jié)約了凍