浅析全井深冻结技术在蒙陕边界特殊地层中的应用

1、    浅析全井深冻结技术在蒙陕边界特殊地层中的应用    摘要：以本单位在内蒙古鄂尔多斯地区2个立井井筒均采用全井深冻结法快速施工为例，简要介绍了全井深冻结技术在鄂尔多斯特殊地层中的应用，施工工艺、防治水方案，为今后该地区建井提供可行的施工经验。abstract： taking the example of rapid construction with full well deep-freezing method of two well shafts in the ordos area of inner mongolia as examples， t

2、he application， construction technology and the water control program of full well deep-freezing technology in the special formation of ordos were briefly introduced， to provide experience for well construction.关键词：全井深冻结；冻结管处理；施工工艺key words： full well deep-freezing； freezing pipe treatment； construc

3、tion process：tu472.9 ：a ：1006-4311（2018）18-0121-021 两井筒施工基本情况1.1 母杜柴登副井井筒工程1.1.1 工程概况 伊化矿业资源有限责任公司母杜柴登矿井位于鄂尔多斯市境内，行政区划隶属鄂尔多斯市乌审旗图克镇管辖。母杜柴登矿井设计生产能力6.0mt/a，副井井筒直径9.4m，井筒深度712m，采用全井深冻结法凿井，冻结深度722m，该矿井为低瓦斯矿井。1.1.2 施工方案 采用sjz-8.12型伞钻打眼；4.5m深孔光面光底爆破；两台hz-6型中心回转抓岩机装岩；两套单钩5m3吊桶提升；座钩式自动翻矸；4.0m高液压伸缩整体下移式金属模板砌

4、壁，一掘一砌；混凝土采用溜灰管输送。外壁支护为钢筋砼结构，冻结表土段支护厚度为600mm，冻结基岩段支护厚度为700mm，砼强度等级按不同段高为c40、c45、c60。1.1.3 施工情况 爆破与接茬难度。井筒采用深孔爆破（钻孔深度5.5m），钻爆难度适中，装、提矸石较为简单，支护难度适中。遇到部分软弱地层时，普通十字型钻头难以成孔，通过改进麻花钻杆和螺旋钻头，基本解决了软岩成孔问题。井筒单层井壁段，采用接茬安装止水钢板并铺设注浆管。施工工艺较为复杂，循环时间长，效果不明显。安装止水钢板与铺设注浆管难度。单层井壁施工中安装止水钢板并铺设注浆管与注浆管路的保护都是难题。止水钢板最大块达400kg

5、，刃角高度最高为1.5m，安装时有一定难度。注浆管在砼浇筑时容易堵塞，处理起来也较麻烦。1.2 纳林河主井井筒工程1.2.1 工程概况 纳林河矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，行政区划属鄂尔多斯市乌审旗纳林河镇管辖。纳林河矿井是由中煤蒙大新能源化工基地开发有限公司投资兴建，是内蒙古侏罗纪煤田纳林河矿区第一对大型矿井。矿井设计年生产能力为5.0mt，采用立井开拓，为低瓦斯井。主井井深606m，掘砌井深607.748m，井筒凈直径6m，采用全井深冻结法施工，冻结深度620m。井筒支护方式为双层钢筋混凝土复合井壁。1.2.2 施工方案 采用综合机械化配套方案；短段掘砌混合作业方式；两台提升绞车，两

6、套单钩5m3/4m3吊桶提升；座钩式自动翻矸；10-16t凿井绞车悬吊管线，井口集中控制系统。采用sjz-6.7型伞钻打眼；4.2m深孔光面光底爆破；中心回转抓岩机装岩，一掘一砌；外壁砌筑采用3.8m高度液压伸缩整体移动式金属模板，内壁采用1.0m高金属组合模板砌壁，自下而上连续砌筑。相关硐室采用与井筒顺序施工法，先井筒施工到底后，再返上来施工硐室。1.2.3 施工情况 井筒于2009年2月开工，2009年9月竣工，施工过程较为顺利。井筒到底后，由于各种原因停工近一年，冻结壁解冻，上部含水层涌水通过冻结管环形空间导入井底，进行了壁后壁间注浆和射孔注浆。二三期工程施工中未揭露较大含水层，总涌水量

7、保持在100m3/h左右。2 两个井筒地质与水文情况对比分析2.1 地层 鄂尔多斯地区矿井所揭露的岩层自上而下主要为：第四系（q）；白垩系下统志丹群（k1zh）；侏罗系中统安定组（j2a）、直罗组（j2z）、延安组（j2y）及三叠系上统延长组（t3y），具体到矿井某些组段可能有部分缺失或厚度变化。现将2个矿井岩层情况自上而下分别说明如下：第四系（q）。按其成因，区内第四系可分为湖积物（q4l）、风积沙（q4eol）两类。第四系不整合于其它老地层之上。白垩系下统志丹群洛河组（k1zh）。岩性组合为一套浅紫、粉红色细砂岩与灰白色粗细砂岩互层，岩石成份以石英、长石为主，分选及磨圆度较差，泥质胶洁，具

8、大型槽状、板状交错层理。侏罗系。1）侏罗系中统直罗组（j2z）。该地层岩性组合上部为灰紫、暗紫色泥岩，中夹灰绿色砂质泥岩、粉砂岩呈互层出现；下部为灰绿、青灰色中粗砂岩，含碳屑，中夹粉砂岩、砂质泥岩。与下伏延安组（j2y）呈平行不整合接触。2）侏罗系中统延安组（j2y）。为井田内主要含煤地层，含2、3、4、5、6五个煤组，按其沉积旋回可划分为三个岩段。三叠系上统延长组（t3y）。为煤系地层沉积基底，区内无出露，部分钻孔也仅揭露其上部岩层，据区域地层资料，厚度大于100m。岩性以灰绿色中、细粒砂岩为主。砂岩成份以石英、长石为主，含岩屑及少量暗色矿物。磨圆度为次棱角状，分选较差，泥质填隙。发育大型板

9、状、槽状交错层理，为典型的曲流河沉积体系。2.2 构造 井田大地构造分区基本属于华北地台鄂尔多斯台向斜东胜隆起区，华北地台经历了基底形成阶段和盖层稳定发展阶段之后，在晚三叠世末期开始进入地台活动阶段。在华北地台西部开始出现了继承性大型内陆坳陷型盆地鄂尔多斯盆地，盆地的总体轮廓近似一长方形，其构造形态总体为一宽缓的大向斜构造（台向斜），向斜核部偏西，东翼宽缓，西翼相对较陡。2.3 水文地质 根据井筒施工实际揭露的岩层情况看，岩层多以孔隙含水层为主，岩层以粗、中、细砂岩为主，只含有少量砂质泥岩，砂质泥岩一般不完整，块状或层状结构，隔水效果差，各含水层渗透补给能力强，特别是在砾岩中含水层补给能力更强

10、，以区外承压水的侧向径流为主要补给源，大气降水为次要补给源。2.4 地质水文共同点分析 岩层多以砂岩为主，少量砂质泥岩，含水层多为粗、中、细粒砂岩。砂岩岩层含水丰富，砂质泥岩一般不完整，隔水能力差，地下水补给能力强。岩石泥质胶结，胶结差（有些层位没有胶结，遇水容易泥化），硬度较低，容易风化破碎。煤层上部没有隔水层，煤层顶板岩层含水量大。3 井筒施工技术方案及井筒掘砌时防治水方案和针对性措施3.1 井筒施工技术方案 根据本单位施工的多个西北地区井筒的经验，鄂尔多斯地区的立井施工根据不同含水层情况，可选择的施工方案有：井筒冻结法凿进。强行通过后，壁后注浆。工作面化学注浆。井外降水疏干辅助凿井。3.

11、2 防治水方案与针对性措施 根据目前井筒施工的实际情况，本地区岩层主要为孔隙含水层，工作面普通浆液预注浆治水效果不明显，井筒采用冻结法施工是最佳选择，在目前井深条件下（一般井深多在侏罗系延安组，最大到三叠系延长组），为确保冻结效果，应该全深冻结，并应适当延长冻结开挖时间，比计算冻结交圈时间延长2030天，以确保冻结交圈。母杜柴登副井出水前后又多冻结了3个月。由于中、粗砂石孔隙率较大，渗透性较好，地下水径流速度较快，对冻结可能产生一定影响，建议冻结孔在设计上应考虑缩小孔间距。采用冻结法施工的井筒，在井筒掘砌过程中，需要注意以下几个方面：1）井筒掘砌过程中，应注意观察冻结壁的发展情况，探明冻结壁与

12、荒径的距离，如果冻结壁距离荒井壁距离较大，可以暂停掘砌施工，等待冻结壁继续发展；2）与冻结管偏斜图对比，如果某个区域冻结管偏斜过大时，要加大该冻结薄弱区域的盐水流量。3）与冻结单位保持经常沟通，对井筒测温曲線情况进行经常性分析，温度曲线是否有异常变化，如果温度曲线在某一层段异常，到异常层位时，应暂停开挖施工，确定是否交圈。4）如果开挖过程中井筒出水，超过正常计算的冻结膨胀出水量，应特别注意，及时停止挖掘，研究制定针对性措施，再进行下一步施工。5）井筒开挖过程中，冻结单位应提供准确的钻孔偏斜图，以保证周边眼距冻结管距离，防止爆破崩坏冻结管。6）套壁结束后，硐室浇筑混凝土时，在割除的冻结管位置提前

13、埋设注浆管，为将来冻结壁解冻后，冻结管与荒壁空隙注浆做好准备。3.3 井筒冻结壁解冻后，与井筒相连硐室或巷道涌水的治理 采用全深冻结法施工井筒时，冻结壁解冻后有可能通过冻结管与荒壁空隙将上下含水层沟通，导致出水，为此应提前做好准备工作：为防止出现含水层涌水从冻结管壁后空隙上下贯通出水，形成上下过水通道，在冻结壁解冻后，及时对冻结管进行射孔注浆，将冻结管壁后空隙用水泥浆充填。另外冻结单位在下冻结管时，使用缓凝水泥浆液封堵冻结管与荒壁之间空隙，进行泥浆转换也是一种很好的方法。与井筒相连硐室施工时，在割除冻结管位置提前预埋注浆管，注浆管伸入到冻结管壁后而且尽量加长，外口部安设止水阀，待冻结壁解冻后，

14、进行硐室及井筒壁后注浆，充填硐室壁后和冻结管壁后空隙。与井筒相连硐室施工后，冻结壁尚未解冻前，将硐室或巷道迎头及底板进行全封闭，迎头施工挡水墙，底板铺设一定厚度，防止涌水从迎头或底板涌出，为解冻后注浆工作打下基础。硐室施工完毕后，也可进行硐室壁后注浆，封堵硐室壁后空间，保证硐室受力均衡。3.4 二、三期工程的防治水方案与针对性措施 针对本地区下部岩层含水丰富的特征，在二、三期工程施工期间，提出以下综合防治水方案：二、三期工程施工前应形成比较完善的排水系统，保证有足够的排水能力。施工前应编制探放水专项措施，坚持“逢掘必探、先探后掘”的原则，如果探到较大含水层，及时关闭孔口管阀门，做到控制水量的涌

15、出，不造成淹井事故，然后进一步采取措施。要提前掌握含水层的位置，涌水量的大小、压力等参数指标，为下一步治水工作提供准确数据。二、三期工程施工时，由于巷道施工属于开放式开挖，正常情况下只能加大临时泵房排水能力，确保涌水的及时排出。必要时在局部区域内可采用全封闭巷道，进行工作面超前注浆或壁后注浆等。在该地区泥岩地层中开拓巷道，受地压和本身膨胀影响，可能会发生底鼓、巷道开裂变形等现象，应先采用锚网喷一次支护，待压力释放并稳定后，再进行架设u型支架或混凝土砌碹支护等二次支护。4 鄂尔多斯建井防治水建议鄂尔多斯地区新建矿井应尽量采用冻结法施工，一般应冻结全深，如果对水文情况掌握比较清楚准确时，下部硐室部位也可不冻。为保证井壁的封水效果、设计上应采用双层井壁。建议在深井冻结时，应适当缩小冻结管间距或采用双排孔冻结。马头