高流速地下水井筒冻结施工技术.docx

1、第27卷第1期2006年2月Vol.27No.1Feb.2006建井技术MINECONSTRUCTIONTECHNOLOGY-工程技术-高流速地下水井筒冻结施工技术夏宇君（临沂矿务片新区建设指挥部，山东究州.272000）摘要：古城矿井地处兖州市东郊水源开采基地.因地下水长期连续大量地开采，深度38104m段冲积层最大地下水流速达到了40.08m/d°要在如此大的动态水流中顺利形成冻结壁有很大难度。为了保证井筒冻结段掘砌施工安全顺利,对高流速地下水段冲积层采取了增设1圈辅助冻结孔的加强冻结措施；同时采用减小冻结孔间距，-301低温盐水冻结，双供液系统，高流速盐水循环方式，冻结孔钻进施

2、工中压浆等多种做法，使得主、副井简冻结壁提前交圈封水，井筒提前开挖.编短了制冷工期.节约了冻结费用，取得了明显的技术经济效益。关键词：井筒；高流速地下水；加强冻结；辅助冻结孔中图分类号：TD265.3、文献标识码：B文章编号:1002-6029（2006）01-0002-031工程概况1.1井筒特征古城矿井设计生产能力0.9Mt/a.工业广场位于山东省兖州市东郊水源开采基地。主、副两个井筒布置在工业广场中部.东西相距50m,南北相距10m°主井净直径5.5m,深度664.8m；副井净直径6.0m.深度688.8m。井筒治水方案为上冻下注；冻结深度主井250m副井256m。1.2 井筒

3、地质及水文地质主、副井检查孔资料显示.第四系冲积层厚度分别为175.5m和170.7m。冲积层以下为强风化带.厚度分别为44.5m和58.0m。兖州市东郊水厂共有12口井，布置在古城矿井工业广场四周.主要取水层位为40110m段，井深不超过l】0m.井径为300500mm°离井筒最近的水源井距井筒250m.最远的为1080m,平均距井筒340m,全部水源井日取水枇2.8万m3左右。井筒周围有如此多旦如此近的大抽水量的水井（一般冻结井施工要求水源井距井筒350m以上，而且数敏要少）.必将给冻结施工带来很大困难，这是以往冻结法凿井施工中从未遇到过的不利工况条件。1.3 地下水流速流向由于

4、矿井周围水源井长时间连续大量地开采使得含水层疏通，地下水由东北向西南迳流的水力梯度加大，地下水流速增加。1994年7月用同位素法测得井深38104m段流速为5.7440.08m/d,最大流速（40.08m/d）位于67m处，详见表1。地下水流向为210260°。表1第四系地下水流速地层名称厚度/m埋深/tn流速md-»中细砂3.0406.21粗砂5.358.39.39含砾租砂16.374.69.1540.08粗砂3.983.28.27含砾中粗砂3.410-16.382冻结方案的确定古城矿井筒采用冻结法施工成功与否的关键是110m深以内地层冻结壁能否顺利交圈.因而特别需要解决

5、好地下水流速较大的40110m段地层的冻结问题。在我国冻结井施工中,曾经出现过因井筒附近机井抽水导致局部地层地下水流速加大.而使冻结壁长期不交圈的事例。古城矿井水文地质的特征是：40104m深范围内的砂层中地下水流速较大.最大达40.08m/d；而040m和110m以下段冲积层则属于地下水流速正常的地层。据此，确定冻结方案设计的基本原则是：在保证上段（0110m）地层冻结壁顺利交圈并达到设计厚度的前提下，尽量减少工程量,缩短工期，降低成本。为此.采取收稿H期,2005-08-21夏宇君：高流速地下水井筒冻结施工技术了如下措施：（1）对不同性质的地层采用不同的目标作为冻结壁参数设计的依据。110

6、m段冲积层主要应加强冻结确保冻结壁顺利交圈。110m深以下的冲积层中由于深厚粘土层多且厚因而冻结壁设计要以保证足够强度和刚度为前提冻结壁厚度和温度必须达到保证安全施工的要求。冲积层以下的岩层段以封水为主要目标。（2）减小冻结孔间距；同时采用低温和大循环最盐水进行冻结，以增大热传递系数。（3）为减少工程量.降低成本.采用差异冻结方式。主井井筒长管深度250m,短管深度190m；副井井筒长管深度256m.短管深度也为190m°同时考虑到0110m段冲积层地下水流速较大.为确保冻结壁顺利交圈.布置1圈辅助冻结孔加强冻结，并采用主、辅孔双排插花布置形式.以减小孔间距。这样，水流经外排主孔后.

7、到达捕助孔时.水温已降低,有利于冻结壁形成。3冻结设计3.1冻结孔布置主、副井筒冻结孔均采用双圈布置方式.内、外圈孔数相等，插花布置。外圈为主冻结孔，差异冻结，孔深主井19O/25Om,副井190/256m；冻结孔数主井26个，副井28个；布置圈径主井11.7m.副井12.3m；冻结孔间距主井1.414m.副井1.380m。内圈为辅助冻结孔，孔深主、副井均为UOm；孔数主井26个.副井28个；布置圈径主井10.9m.副井11.5m；冻结孔间距主井1.317m,副井1.290m。3.2冻姑壁厚度计算冻结壁厚度采用多姆克公式，按最深一层砂层进行计算。冻结壁平均温度确定为-7（。根据计算结果.确定主

8、井冻结壁厚度为2.7m.副井为2.85m。3.3 水文孔设置为正确判断井筒冻结情况，主、副井筒各设2个水文孔.其中1个为单管结构1个为三重套管结构。主井单管水文孔深度110m,主要报导高流速地下水段5085m处的水位变化情况；三重套管水文孔深度165m,分层分别报导2839m段（上组水）、90112m段（中组水）和124165m段（下组水）地层水位变化情况。副井单管水文孔深度110m.三重套管水文孔深度155m。3.4 测温孔设置主、副井筒各设5个测温孔，其中4个（两深两浅）布置在冻结圈内侧,1个布置在冻结圈外侧。3.5 冻结设备配备经计算，冻结需冷量主井为1.105xl06kcal/h,副井

9、为1.185xlO6kcal/h；冻结站最大需冷量为1.738xl06kcal/h。设计盐水温度为-300。设计选用8AS-12.5型冷冻机8台.6AW-17型冷冻机9台.总装机容最为4.65xlO$kcal/h,可满足要求。选用LN-150型立式冷凝器8台。为了加强高流速地下水段地层冻结使。110m段地层冻结壁顺利交圈，决定将主、辅冻结孔供液系统分开设两付配集液圈，4路盐水干管。主、副井各选用IS200-15-315型盐水泵两组（4台）。冻结管内环形空间盐水流速主井主孔为0.436m/s辅孔为0.190m/s；副井主孔为0.400m/s,辅孔为0.177m/so主、副井筒冻结设计主要技术参数

10、见表2。3.6 冻结钻孔工程要求为了保证高流速地下水段地层冻结壁顺利交圈.对冻结孔垂直度提出了更加严格的要求：083m段孔斜率冲积层其余段2%。；基岩段4%。同时在钻孔施工中.要尽量调配好泥浆的稠度，使尽可能多的泥浆在钻进时渗入到地层中去以减小冻结管周围地下水流速。4冻结施工4.1制冷冻结（1）水文孔水位观测主、副井筒分别于1996-02-10和同年6月10日开机冻结,冻结壁分别于1996-03-21和同年7月18日交圈。水文孔水位观测表明，双圈孔冻结的主、副井筒浅部（高流速地下水段，主、副井筒报导层位分别为5085m和5485m）水文孔冒水时间分别为39d和38d；而单圈孔冻结的深部（深度1

11、10m,主、副井筒报导层位分别为】24165m和122155m）水文孔冒水时间也分别为39d和38d,和浅部相同。可见，高流速地下水对冻结壁的形成有十分重要的影响。（2）测温孔温度监测测温孔温度监测显示，主、副井筒冻结情况良好，冻土扩展迅速，每昼夜冻土平均扩展达到2235mm,表明冻结方案是合理的，制冷冻结施工是成功的。4.2冻姑效果和井筒掘砌4建井技术2006年第27卷«2主、副井简冻结设计主要技术参数序号项主并刷井1冲枳层深度/m175.5170.72冻结深度m110.190/250110.190/2563最大地压，MPa2.1222.0801冻结圈径m10.9,11.711.5

12、/12.35冻结孔散个26/2628,286水文孔深度及个敷（m,个）110/1.165/1110/1.155/17测温孔深度及个数（m/个）110/2.195,1.2502110/2.195/1.256/28冻结孔间距/m内1.317.外1.414内1.290,外1.3809冻结管规格，mm#168x5.#133x(66.5)#168x5.#133x(66.5)10供液管规格/mm70x5.75x670x5.75x611设计冻结壁厚度，m2.72.8512设计冻结壁平均温度*-7-713枳极冻结期，d140H511积极冻结WM/kcal.h»1.105x10*1.185x10*15

13、没计盐水湿度P-30-3016设计盐水流®h280-280-560280*280-56017总装机容l/kc«Ih->4.65x106（标淮制冷量）主、副井筒冻结壁交圈后.分别于1996-04-10和同年8月】0日试挖。井筒开挖后，对井帮温度及冻土进入荒径厚度进行了测量。表3为主井开挖后的实测记录。从表中数据看.主井开挖后井帮平均温度均在0*C以下.最低达到91.冻土进入荒径厚度最大为1.2m.表明冻结效果良好。特别是主井井筒高流速地下水段地层（砂层）井帮冻»3主井井帮温度及冻土进入荒径厚度实测记录量测H期深度土层名称并帮温度/V冻土进入（月日）m荒径厚度m

14、4.2017帖上-1.42704.2624.5钙质粘上-2.32804.3026粘上-1.93305.840细砂-8.012005.1348.5粘土-5.08505.1965中砂-7.75.2582细砂-9.05.3092中砂-7.76.11113粘土-4.25806.18130中砂-5.211206.24138砂质粘土-5.91140（上接9页）悬顶f集中冒落现象.又将导通新的砂岩含水层,从而造成涌水量波状起伏变化。同时随着涌水漏斗的不断扩大，补给面积不断增大，也造成了采空区涌水量的波状起伏变化。6结语在1109I作面回采前和回采中，我们做了大土温度达到了-7.7-9.0P,为井筒开挖顺利通过该段地层创造了良好条件。主、副井筒采用短段掘砌施工方法分别于1996-09-21和1997-02-16安全顺利地通过了冻结段。5技术经济效益古城矿井主、副井筒冲积层上部（深度110m以内）采用增设1圈辅助孔的加强冻结措施，对不同地段采用不同目标进行冻结壁设计.以及采用减小冻结孔间距.-3or低温盐水冻结，双供液系统.高流速盐水循环方式.冻结孔钻进施工中压浆等多种做法.使得主、副井筒冻结壁分别于开机冻结后39d和38d便提前交圈封水.井筒提前开挖（设计120d开挖。主井提前56d.副井提前58d开挖）缩短了制冷工期.节约了冻