深厚富水软岩风井冻结封水技术

深厚富水软岩风井冻结封水技术

在中国西部矿产开发的早期阶段，对深层富水岩层的认识不多，普通法通常用于挖掘井。当发生洪水时，含水层会被水淹没，并会发生变化。此类基岩地层多为孔(裂)隙复合含水,注浆堵水效果差,疏排水困难,注浆堵水与降水屡遭失败,不仅使建井工期大大延误,同时也蒙受了巨大的经济损失。目前,出于快速、安全、高质量建井等方面的考虑,冻结法已成为西部地区富水岩层立井凿井主要施工方法。高家堡煤矿位于陕西省长武县彬长矿区,设计生产能力5Mt/a,立井开拓。井筒埋深较大,需要穿越侏罗系软岩地层。井筒穿过厚度较大的洛河组含水层时,凿井施工将面临地下水流速大、水头压力高、结冰温度低等难题。1u3000岩体物理力学性能高家堡煤矿风井设计净直径7.5m,井深820m,采用冻结法施工。井筒穿越厚度380m的深厚洛河组高承压强含水层,水压高,流量大,岩层软。井筒掘砌施工时,面临以下问题:(1)地下水流速大。风检孔420m深处,流速为1.13m/h。放水试验结束后,测得的风检孔流速为2.26m/h。(2)水头高。风井洛河组砂岩含水层水位埋深16.11m,水位标高+941.07m;直罗组、延安组含水层水位埋深99.72m,水位标高+1u3000022.96m。承压水压力大,造成冻结孔垂向流动,增加了冻结难度。(3)地温高,结冰温度低。测温资料显示,风井井底温度为40℃左右,所有测试岩体结冰温度均较低,差别不大,冻结需冷量大。根据高家堡煤矿井筒检查钻孔地质报告,风井穿越的地层,依次为第四系(Q),厚26.50m,无侧限抗压强度4~14kPa。白垩系下统环河华池组(K1h),厚293.22m,岩体抗压强度46.97~62.09MPa;洛河组(K1l),厚371.28m,岩体抗压强度25.60~70.65MPa;宜君组(K1y),厚4.43m,岩石质量极差。侏罗系中统安定组(J2a),厚15.94m,岩体抗压强度45.03~51.30MPa;直罗组(J2z),厚29.75m,岩体抗压强度29.4~64.2MPa。三叠系上统胡家村组(T3h),厚123.84m,岩体抗压强度51.69~72.48MPa。根据水文地质资料估算,第四系地层与基岩风化带,井筒总涌水量为7.82m3/h;洛河组地层,井筒最大涌水量为2u3000219.63m3/h;揭露洛河组含水层顶底板时,正常井筒涌水量分别为243.71和465.04m3/h。根据风井检查孔简易测温成果以及主井检查孔近似稳态测温成果,井筒所穿地层,地温梯度小于3℃/100m,属地温正常区。风井检查孔560~740m属一级热害,740~810m(孔底)属二级热害,孔底地温39.0℃。高地温对井筒冻结会造成一定困难。对高家堡煤矿井筒检查孔岩石样品进行了人工冻结岩石物理力学性能测定,得到如下结果:(1)冻结岩石单轴抗压强度随温度的降低而增大,但增长速率随温度的降低而减小。冻结砂岩强度相对较低,平均单轴抗压强度为20~60MPa。(2)冻结岩石弹性模量受温度影响比较明显,随温度的降低而增大,其变化规律与单轴抗压强度相似。另外,由于岩层中存在层理面,岩石样品弹性模量测试值比较离散。其中,冻结砂质泥岩弹性模量为1.5~2.5GPa,冻结砂岩弹性模量为1.0~1.9GPa。(3)冻结岩石泊松比受温度影响较小,随温度的降低而减小。冻结岩石平均泊松比为0.19~0.28,比常温岩石泊松比0.2~0.35略有降低。(4)冻结岩石导热系数为11.72~12.98kJ/(m·h·℃);而常温条件下,岩石导热系数为9.63~11.3kJ/(m·h·℃)。可见,冻结条件下,岩石导热性有所增强。(5)所有测试岩体的结冰温度均较低,为-3.0~-3.5℃,差别不大。为保证深部岩体能够处于稳定的冻结状态,其冻结温度不能高于-5℃。(6)冻结岩石在2个测试温度水平下的蠕变特性差异不明显。轴向蠕变应变一旦达到0.5%左右,冻结岩石多表现为加速蠕变的特性。冻结岩石破坏主要以瞬时突然破坏为主,破坏前的轴向变形量极小。(7)在没有外部水源补给的条件下,冻结岩石冻胀率小于0.6%,冻胀力小于0.8MPa,均较小。2u3000冷冻方案2.1冻结深度不能满足立井冻结稳定要求《煤矿井巷工程施工规范》(GBu300050511—2010)规定,立井冻结深度,应深入稳定的不透水基岩10m以上。高家堡煤矿风井深度为820m,采用一次冻全深方案,冻结深度取830m。2.2冻结壁厚度陕西地区的白垩系地层遇水后易崩解,崩解后近似于土层。因此,风井选取白垩系最下部的层位,作为冻结薄弱环节加以控制。冻结壁厚度采用维亚洛夫有限长厚壁圆筒公式计算。根据风井地层特点,以及按-10℃岩石单轴抗压强度计算得到的冻结壁厚度和工程类比,确定冻结壁厚度为4.50m。2.3冻结壁平均温度计算冻结壁平均温度是确定冻土强度,以及冻结壁强度、稳定性的基本参数。它主要取决于冻结壁厚度、冻结盐水温度、冻结孔间距、井帮温度以及冻结孔布置方式等因素,精确计算难度较大。从工程实际出发,一般取最大地压水平或冻结设计控制层位冻结孔最大间距处的主、界面平均温度,作为冻结壁平均温度设计计算的依据。参照该地区已施工和正在施工的井筒冻结壁设计厚度,结合风井地层特点,确定风井冻结壁平均温度为-10℃。2.4u3000冷冻孔的配置(1)冻结孔的布置根据高家堡煤矿风井地质条件,按照井筒综合掘砌速度要求,经过对冻土扩展状况及井筒掘砌速度的综合分析,为保证冻结壁有效厚度和强度,实现井筒连续掘砌施工,确定冻结孔采用外、内圈孔插花加防片帮孔的布置方式。风井冻结设计参数如下:(2)冻结壁交圈讨论由于高家堡矿风井直径大、冻结深度深,结合近几年附近矿井冻结经验教训,为确保冻结壁尽早交圈,决定加大盐水流量。300m深以内,外圈孔和内圈孔选用ue788Φ159mm×6mm冻结管,以下选用ue788Φ159mm×7mm冻结管。防片帮孔选用ue788Φ140mm×6mm冻结管。(3)测温孔及管为准确掌握冻结温度场变化情况,设计布置测温孔4个(深度为835m的3个,460m的1个),测温管采用ue788Φ140mm×6mm无缝钢管。(4)冲积层设计材料为了准确报导冻结壁交圈情况,根据井检孔资料,冲积层含、隔水层组的划分,设计水文孔2个,深度分别为75和447m。水文管采用ue788Φ159mm×6mm无缝钢管。(5)孔偏转率的要求为保证冻结壁有效形成与冻结管安全,结合近几年实际施工水平,对冻结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,靶域半径700mm;600m深以下,靶域半径1.2m。最大孔间距:主圈孔小于等于3.0m,辅助孔小于等于3.8m。2.5u3000连接壁形成预测(1)冻结孔间距的分析冻结壁交圈时间除与冻结管直径、地层原始温度、冻结盐水温度及其在冻结管环形空间内的运动状态有关外,还与含水层矿物粒径、冻结孔间距等有关。根据对风井检查孔柱状图的分析,当主冻结孔、辅助冻结孔盐水为正循环,防片帮冻结孔盐水为反循环时,主要含水层(460m水平)内圈孔~外圈孔最大孔间距按2.5m考虑,依据热平衡原理进行计算,可得主井积极冻结期为58d。根据冻结设计参数,可计算出冻结壁交圈时间以及冻土扩展至井帮时间。(2)含水层冻结壁交圈风井开挖标准有二:一是水文孔冒水后,证实主要含水层冻结壁已交圈;二是根据测温孔数据分析,井筒掘砌至各水平时,冻结壁能够达到设计强度和厚度。(3)井和桶的挖掘时间根据招标书提供的掘砌速度,考虑冻结壁抵抗外界水压所需要的厚度和强度,以及冻结温度场计算结果,确定开机冻结65d后试挖。3u3000固结施工技术(1)关闭孔的施工顺序施工准备→钻场基础、临时建筑施工→钻机安装及定位→泥浆调制→正常钻进及注浆充填→测斜、纠斜、测深→下冻结管→试压→钻孔验收。(2)地层注浆堵漏根据《风井检查孔报告》,风井第四系冲积层与基岩风化带、355~445.5m段基岩地下水流速大。对这2段地层冻结孔,需要进行充填注浆堵漏,以减小地下水流速,保证井筒冻结效果。注浆分2段进行,即320~390m和390~450m段。注浆材料采用单液水泥浆,用P·O32.5R水泥配制。水玻璃浓度为38~40Be′,模数2.8~3.4。(3)盐水井筒试挖施工准备→基础施工→设备就位及管路、地沟槽安装→试压及保温包扎→配制盐水→清水、盐水系统试运行→充氨及冻结试运转→冻结正常运转→监测监控→井筒试挖→井筒正式开挖→维护冻结→停机→冻结验收。4u3000年生死监测4.1液压冻结温度从2011-09-18开始冻结,到2011-10-12,盐水温度已经降低到-20℃。冻结初期,去、回路盐水温差达到2℃;之后,随着热负荷的增加,去、回路盐水温差减小,表明盐水系统运行良好。4.2土体温度下降风井设计布置测温孔4个:外测温孔3个(测1、测2、测3),内测温孔1个(测4)。以测1孔为例,在积极冻结初期,土体温度迅速下降,每d最大降幅达2℃。积极冻结后期,土体温度降至0℃附近时,由于土体水分结冰,发生相变,释放出大量的潜热,土体温度下降幅度变缓。至2012-01-20,含水层土体温度均已降到0℃以下。从4号测温孔温度监测结果可见,在维护冻结期间,根据掘进速度,对盐水温度作了调整(控制在-22℃左右),使冻结壁外围土体热交换基本达到平衡状态,冻土向外发展缓慢,收到了预期效果。4.3井帮温度测结果风井开挖期间,对不同层位土体的井帮温度进行了定期监测,监测结果如附图所示。由图中可见,井深超过7m后,井帮温度便处于0℃以下。随着冻结时间的延长,井深的增加,井帮温度逐渐降低,深部井帮温度基本维持在-6~-11℃之间。4.4u3000水文孔压力监测以1号水文观测孔为例,随着冻结时间的延长,孔中压力增大。冻结时间约50d左右,孔中压力增加到0.15MPa,表明周围冻结壁已交圈。5冻结井筒井筒高家堡煤矿风井穿越厚度380m的高水压、大流速深厚富水软岩含水层,最大涌水量达2u3000219.63m3/h。针对如此复杂的地质条件,采用以下冻结技术,取得了预期效果:(1)为确保冻结封水,设计采用一次冻全深方案,并采用“三大一小”施工方式,即大直径冻结管、大盐水泵、大装机