南疆地區修復井凍結壁開窗出水原因分析及修復施工關鍵技術

劉明根

（中煤特殊鑿井有限責任公司，安徽淮北235044）

塔什店礦區一號礦井主立井工程設計深度742.5m，最初采用普通法鑿井施工，已掘深345.3m，因工作面涌水量過大采用工作面預注漿封水，最終因水量過大而淹井停工。而后采用凍結法進行修復處理，凍結深度設計499m。

近些年我國采用普通法開鑿井筒而出現淹井的事故越來越多，考慮到施工成本和建井周期的問題，在一些地質情況相對穩定的地區一般采取普通法鑿井，這樣做的好處是礦井建設周期快、投產快、見效益塊。目前國內采用凍結法修復井最深的是甘肅的核桃峪風井916m，但是在新疆地區還無此案例。本項目涉及到修復井施工不同于中東部地區井筒，該地區的地下水流速、水量受季節性影響巨大，不能按照以往的設計思路來進行設計、施工，必須綜合考慮當地的氣候、水文地質等條件的影響，否則將會造成嚴重的后果。本工程就是探討這一情況。

1 工程概況

塔什店礦區一號井主立井工程設計直徑5.5m，現有井壁厚度0.85m，凍結段井壁厚度1.35m，凍結深度499m。

2 工程地質及水文地質

根據井筒檢查孔揭露及地質報告描述，主立井井筒穿過地層有：第四系、新生界的第三系、侏羅系、中生界的三疊系，工程地質及水文地質條件主要如下：

（1）根據井筒已開挖段實際揭露地層顯示，主立井第四系為連續厚度近100m的礫石層，礫石層松散、破碎、未固結，完整性及穩定性極差，為透水不含水地層，可廣泛接收大氣降水補給和春季溶雪滲入補給。

（2）第三系上新統葡萄溝組以泥巖為主，泥質膠結是良好的隔水層。其中主井已掘砌段揭露8層流砂含水層。

（3）第三系中新統—漸新統桃樹園組砂礫巖層是礦井的主要含水層，該層厚度較大，固結較差，含水豐富，能夠廣泛接受上部含水層的補給。主、副井井筒施工進入該層位后出水量較大，副井最大峰值達到400m3/h。

（4）主井筒在采用普通法施工出水后，由于涌水涌砂，可能造成主要含水地層的地質條件發生變化。

3 井筒凍結設計

根據塔什店主立井井筒凍結工程招標文件提供凍結施工方案，井筒主要凍結技術參數見表1。

表1 主立井凍結主要技術參數表見

4 施工情況經過

主井井筒施工組織設計于開工前評審完畢，根據工期安排主井井筒凍結孔施工于1月23日開鉆；同年5月1日凍結站充氨開機運轉，至7月14日凍結75d，井筒進行試排水，7月22日排水清理井底淤泥，施工探水孔至23m流砂層時鉆機無法繼續鉆進，15∶50左右探孔開始出水，回收第一根探水鉆桿時出水量逐漸增大，平均出水量約為305m3/h。隨后每小時出水量逐漸減小，至7月31日12∶00水位至井口下-96.05m，8月3日14：30水位至-86.66m，基本恢復至開機凍結前水位。

4.1 出水現象

井筒出水后，項目部對測溫孔溫度、凍結器運行溫度、鹽水液位、井筒水位等的變化進行密切監測、監控。發現在井筒北偏西38°位置的測2孔320～395m溫度大幅回升，具體測溫數據見表2，其他層位溫度沒有任何變化，初步判斷320～395m凍結壁已經開窗破壞。

4.2 出水位置及范圍確定

表2 測2孔320～395m溫度變化表（℃）

根據測1、測2、測3每2h溫度變化情況，對西半部、東半部凍結孔進行縱向溫度監測，然后對所有凍結孔縱向溫度測量及溫度分析，篩選出重點部位，對重點懷疑部位的W17、W18、W19、W20、W29、W30凍結孔均進行二次測溫。根據數據數據分析結果，凍結壁開窗破損位置確定在井筒北偏西27°的W29、W30號凍結孔位置，深度在350～375m，中心位置在365m左右。

4.3 出水原因排查

4.3.1 凍結孔施工

通過查看每個凍結孔施工原始資料，凍結孔施工深度、孔間距、凍結管施工質量、供液管施工質量均符合設計要求。凍結壁開窗出水深度的凍結孔孔間距設計值不大于2.7m，出水方位北偏西27°位置W29～W30號凍結孔最大孔間距為1.56m。

4.3.2 凍結施工情況

主井設計積極凍結期鹽水溫度：ty=-28℃～-32℃；凍結5d鹽水溫度降至0℃，15d鹽水溫度降到-20℃以下，降至-25℃時運轉10d后盡快降溫至-30℃以下。根據凍結站每天降溫數據及凍結器運行數據分析，凍結站機組運行良好，且降溫速度較快，超過設計要求，凍結器運行正常。

4.3.3 凍結壁狀況

根據凍結鹽水溫度、測溫孔溫度、井筒水位變化、水文孔水位數據資料分析井筒排水前凍結壁已經全部交圈，且具有一定的厚度。

分析層位選取：選擇具有代表性的層位進行凍結壁發展狀況分析，根據井筒穿過地層的水文、地質條件及井筒實際情況選擇表3列舉的層位進行分析。

根據布置在凍結壁外側的測1、測2孔溫度監測數據保守分析，井筒凍結64d即可全部交圈，這與根據水文孔和井筒水位判斷的交圈時間基本一致。按照最不利條件原則，分析水流上方凍土發展速度最慢的測2數據，計算350～375m層位探孔施工時W29～W30之間的凍結壁在1.6m以上，凍結壁平均溫度約-5.5℃以下。

4.4 出水原因分析

通過以上出水原因排查分析，施工過程中各項技術參數和施工質量均符合設計要求，能夠滿足井筒施工需要。且井筒在排水、清理淤泥、施工探水孔時均未出水，說明凍結壁處于交圈封水狀態，但探水鉆孔施工至368m位置時凍結壁開窗出水。綜合各種因素分析凍結壁開窗出水原因主要以下幾項：

（1）350～375m地層是井筒主要含水層，普通法掘砌至345.3m時井筒出水，出水過程中原始地質條件發生變化，使原本復雜的地質情況變得更加復雜，且難于估判實際情況。使得在設計規定的凍結時間內，凍結壁形成的實際厚度和強度小于正常發展的數值，在W29、W30凍結孔區域的凍結壁未能抵抗外圍水土壓力，導致凍結壁被擊穿開窗出水。

（2）350～375m含水層含水豐富，地質報告中沒有明確水的流速值，通過測溫監測數據雖然發現水流動對凍結有些影響，但受季節和外部不確定性因素影響地下水的實際流速過大，超出正常的預測，使得在設計規定的凍結時間內，凍結壁形成的實際質量小于正常發展的數值。在W29、W30凍結孔區域的凍結壁厚度和強度未能抵抗外圍水土壓力，導致凍結壁被擊穿開窗出水。

表3 凍結壁分析層位表

（3）從周邊3個井筒普通法施工出水深度、出水量及3條井筒的相對位置圖對比分析，3個井筒的主要含水層和出水點雖然均為第三系中新統—漸新統桃樹園組含水層，但3個井筒在該層段的水文、地質條件存在很大的差異，主井和副井的水文、地質條件比風井地質資料描述的更復雜。

（4）主井井筒設計抽水前凍結75d，通過凍結壁出水后資料和延長凍結時間后井筒順利掘砌完凍結段分析，該井筒凍結方案設計的凍結時間短。

4.5 出水后的修復措施

主立井井筒凍結壁開窗出水后，施工人員及時采取應急預案，保證了凍結器的安全，較短時間內分析并排查出了凍結壁開窗破損位置，分析出了原因，制定了凍結壁快速修復方案并進行實施。

4.5.1 向井筒內灌水

井筒檢查孔抽水試驗出水段含水層靜止水位深度為-86.3m，為了促進井筒內外水力快速平衡，向井筒內灌水，消除出水引起的水流動對凍結壁形成的影響。

4.5.2 進一步降低鹽水溫度

所有凍結器全部排查完畢后，凍結站進一步降低凍結鹽水溫度，實施強化凍結。

4.5.3 加強開窗位置凍結孔凍結

在W29、W30凍結器上安裝管道泵，增大鹽水流量，提高凍結效果。同時適當控制凍結壁完好部位的凍結孔的流量。

4.5.4 對開窗位置地層注漿

根據現場實際情況，在W29、W30號凍結孔界面外側施工一個注漿孔，對凍結壁破損區域范圍內地層進行注漿充填。

4.5.5 增加凍結加強孔

由于地層條件復雜，水流速過大，本著安全可靠的理念，為了降低水流的影響，增大凍結溫度場影響范圍，在W27、W28孔和W30、W31孔之間再分別施工2個深度390m左右的凍結孔。主要目的是：一是進一步探明凍結壁破損范圍，加強該部位地層的凍結，擴大凍結壁修復范圍。二是與注漿補孔、測2孔在凍結壁破損部位形成凍結面，改變原定單個注漿補孔的線狀凍結為多個孔并排的面凍結，并能與原凍結孔產生群孔凍結效應，進一步加快該區域凍結壁的修復，提高修復后的凍結壁強度。

4.5.6 測2孔改為凍結孔

待測2孔原測溫點和加密測溫點溫度全部下降到0℃以后，將測2孔改為凍結孔使用，加強W28、W29孔界面部位地層的凍結，擴大凍結溫度場影響區域。

5 重新抽水及正常掘進

主井井筒出水后加強凍結146d后，通過測1、測2孔數據可以看出2個測溫孔數據均達到0℃以下，經計算凍結圓柱直徑至少達到2.6m，井筒已完全交圈形成閉環狀態。井筒水位處于穩步緩慢上升狀態且不斷減小趨于平緩狀態，井筒內部已經平衡。過后井筒連續進行了5次抽水試驗，對監測數據綜合分析，凍結壁的形成質量完全能夠滿足井筒掘砌需要，井筒可以進行正常抽水和掘砌施工。5月18日井筒安全順利掘砌完凍結段。

6 結束語

該工程有別于中東部的修復礦井，地下水流速隨季節變化而變化，要更好地掌握當地的氣溫、水文地質條件變化，在此基礎上進行方案的優化，并在施工過程中要根據實際情況做好調整，解決施工中存在的關鍵技術難題，才能保證井筒未施工段的安全施工和以后有井壁的保護問題。