冻结工程水文孔设计与施工

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冻结工程施工中水文孔的设计和施工质量直接影响到井筒开挖时间和矿井建设工期的安排,优化水文孔设计,加强水文孔施工质量,保证水文孔正常报导功能对冻结法凿井施工有着重要的意义。本文就水文孔设计及施工中应注意的问题提出一些看法,为今后优化水文孔设计、加强施工质量提供一定的参考。

[关键词]水文孔 设计 施工质量 冻结法 凿井

1 引言

我国自1955年采用冻结法凿井以来,已累计冻结施工2700多个立井,总延米达到160km,已成为世界上应用冻结法凿井最多的国家。冻结法凿井技术因其安全可靠,技术成熟等优点,成为目前煤矿立井通过深厚表土层的首选工法。在冻结施工过程中,除了需要按工程要求布置一定数量的冻结孔外,还需要布置一定数量的观测孔(包括测温孔和水文孔)。测温孔的作用是及时掌握温度场的发展情况,掌握施工过程中的温度分布规律,正确的预测冻结壁的发展情况。水文孔的作用则是根据溢水情况来判断含水层冻结壁是否交圈,同时使地层冻结过程中产生的冻胀力通过水文孔释放出来,从而减小对冻结壁的影响。

水文观测孔溢水是冻结壁交圈的标志,也是冻结井筒可以开挖的表现。按照规范水文孔冒水7天、出水量正常,确认冻结壁已经交圈后,方可进行试挖。《煤矿冻结法开凿立井工程暂行技术规范》也对水文孔的布置有明确规定。但是近几年在冻结工程施工中经常出现水文孔设计不合理影响正常报导冻结壁交圈情况。有的井筒水文孔的花管下放位置不合理,没有下至主要的含水砂层,影响水文孔的正常报导功能。有的井筒在设计水文孔时,对水文地质资料分析不透彻,对静水位相差较大的含水层采用一个水文孔报导多个含水层的混合水位,即单孔多层报导。但由于各含水层的承压水头不一样,造成以水文孔为通道的地下水串流现象,加大了地下水的流动,影响冻结壁的正常交圈。有的井筒在水文孔施工中,焊接质量问题和洗孔方法不当、洗孔不到位也影响水文孔的溢水时间。

由于在冻结工程施工中经常出现水文孔设计不合理、施工质量不合格的情况,从而使水文孔不溢水或者是推迟溢水。水文孔不溢水严格说冻结壁没有交圈,井筒就不能开挖,因此,水文孔的设计和施工直接影响到井筒开挖时间和矿井建设工期的安排。总结水文孔设计中出现的问题,提高水文孔施工质量,保证水文孔正常报导功能对冻结法凿井施工有着重要的意义。

2 水文孔设计与施工应注意的问题

2.1合理确定水文孔个数、花管位置及数量

水文孔个数一般情况下是根据含水层组进行确定。而每个水文孔花管位置、数量,以往主要按照该含水层组内部含水砂层层数进行设计。花管布置数量少则3~5个部位,多达10个以上。由于多层花管布设,导致含水层之间存在水力联系,致使水文孔水位产生振荡,影响冻结壁交圈时间。2007年施工的焦煤集团九里山新风井、龙宇能源公司陈四楼煤矿北风井、淮南矿业集团朱集主副井等冻结工程,由于水文孔花管布置数量过多,造成冻结壁交圈时间滞后于设计时间,而后采取水文孔内部下设套管进行分层报导或水文孔底部花管注浆封堵措施,才实现冻结壁交圈,确保井筒冻结段安全顺利施工。

鉴于同一含水层组内部各含水砂层水压可能存在一定差异,水文孔花管布置数量视地层实际情况,适当合理布置。建议数量不宜超过2~3个,上、下含水砂层深度一般不宜超过50m,尽可能减少上、下含水砂层内部存在水力联系。

2.2确保水文孔花管下放层位合理

水文孔设计之前应充分了解井筒的水文地质资料,注意各含水层的划分以及隔水层的具置,选择好要报导的主要含水层。水文管下放时要丈量准确,综合考虑地层倾角等因素,保证花管的下放位置在主要含水砂层。防止水文孔花管下放层位不合理,没有下至主要含水砂层,影响了水文孔的正常报导功能。

某矿立井冻结工程,水文孔设计报导三个主要含水层,根据资料分析并结合该地区过去冻结施工的经验,认为冻结56天二含交圈,冻结70天三含交圈。但在实际施工过程中,冻结66天后二含交圈冒水;冻结86天后三含才交圈冒水,水文孔报导严重滞后。井筒开挖后,检查水文孔管才发现水文管下放位置不合理,花管大部分埋设在粘土层,从而影响水文孔的正常报导功能,造成报导严重滞后。

2.3设计水文孔单孔多层报导时防止串水

在水文孔设计过程中,往往利用一个水文孔报导多个含水层,由于各含水层承压水头不同,造成以水文孔为通道的地下水串流现象,加大地下水流速,影响冻结壁正常交圈,对冻结工程造成不利影响。如淮北的涡北矿主井采用二含和三含一起报导,造成两个含水层因水压不同而产生串流,后经处理水文孔溢水时间延长了16天。

某煤矿副井冻结工程,穿过110m冲积层。冲积层段主要含水层为深40.4~48.2m和77.9~85.7m的砾石层,采用一个水文孔混合报导含水层的水位。水源井位于水流方向的上方,距副井390m。根据设计96m水平冻结控制地层的冻结孔最大孔间距为2.44m,预计冻结壁交圈时间为43d。当井筒掘进至深37.7m时井筒被淹,静止水位为26.05m,说明冻结壁没有交圈。采取措施后继续冻结,才使冻结壁完全闭合。

经过分析,确定影响冻结壁不能闭合的原因是含水层通过水文管纵向串水,初期冻结盐水温度偏高和个别冻结器盐水循环量偏小使冻结壁难以交圈。由于井深40.4~48.2m砾石层与井深77.9~85.7m砾石层的静止水位相差26.05m以上,用一根水文管报导两个含水层的混合水位,使水位较高的含水层向水位较低的含水层串水。从水文管纵向测温数据看,深36~80m段的温度异常,其中深46~66m的温度最高,这是砾石层串水的具体反映。在查明冻结壁不能闭合的原因后,采用水泥砂浆对水文管进行填堵,切断串水通路。采取以上措施后,掘砌顺利通过深40.4~48.2m及77.9~85.7m砾石层。

2.4水文孔管施工时保证焊接质量和洗孔质量

水文孔管施工中,确保焊接质量满足设计要求。新集二矿主井在掘进深度15.15 m时水文管管口及下部丝扣漏水。吊盘安装时碰撞水文管,水文管侧壁出水并夹带粉砂,后采取多种方法进行处理,影响了井筒掘进施工。永城城郊矿东风井的施工过程中,水文孔小管隔板焊接处出现十多处砂眼,影响了水文孔正常报导,延长了水文孔溢水时间。某煤矿立井冻结工程施工中,发现水文孔报导的二含、三含水位有同步增长的现象存在。井筒开挖后才发现分层报道的水文孔,孔内小管存在严重焊接质量问题,在-21. 7m深处漏焊,将二含与三含串通,所以造成二含、三含水位也有上涨,且存在同步增长的现象,造成水文孔报导时间滞后。

水文孔施工中同时要保证洗孔质量。传统的洗孔方式是将清水管路接在水文孔头部,采取压入方式洗孔,清水孔自水文孔进入,通过过滤层从孔外返回。这种洗孔方式存在着一定的弊端:只能对最上部的过滤层进行清洗,而对下部过滤层的泥浆却不能彻底清洗。因此水文孔下放完毕后,除采用常规方式洗孔外,还应增加管内洗孔方式。常规洗孔能将管外的泥浆洗出,管内洗孔能将管内泥浆彻底清洗干净。洗孔时,在孔内下放细管,下放深度应超过下面一层过滤层的位置,从细管内注入清水进行洗孔,直到将孔内泥浆洗净为止。

淮北矿业集团青东矿主井的一个水文孔,溢水之前水位基本保持在2.70米,在溢水之后的两天内发现孔内溢出了大量的泥浆;和县某铁矿南风井在达到设计时间时水文孔水位也是迟迟没有冒水,后经测探发现水文孔过滤层基本被泥浆沉淀堵住。后采用了管内洗孔的方式进行处理,三天后水文孔即正常溢水。

3 结束语

影响水文孔报导功能的因素很多,设计之前应充分了解井筒的水文地质资料,做好水文孔管结构的设计。实际施工中要把好施工的各个环节,加强水文孔施工过程中的质量控制,保证水文孔的质量满足设计要求。同时要加强冻结信息化监测与分析,掌握冻结器的运转状况与冻结壁温度场的发展情况,及时排除冻结过程中出现的各种问题,确保冻结壁按设计时间交圈,保证水文孔按时溢水。

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