沿海高滲流砂層立井井筒凍結事故分析

蔡光輝，陳鑫源，王 恒，張成濤

(1.萊州市瑞海礦業有限公司，山東 煙臺 265400； 2.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001；3.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

凍結法是采用人工制冷技術，在井筒外側形成凍土帷幕，隔絕地下水聯系，保證安全掘砌的施工工法[1]。自凍結法引進至國內，已施工立井凍結井筒超過1 100條、斜井凍結井筒30余條，在含水砂層地區凍結法施工相對可靠[2]。由于地層、人為控制等因素影響，也有大量井筒出現凍結壁未交圈的情況，如丁家梁煤礦、伊犁一礦、北陽莊煤礦、淮南潘三煤礦、塔什店煤礦、姑山鐵礦等[3-6]，因此凍結孔交圈時間判定相當重要[7-9]。目前縱向測溫技術已經成為判定凍結壁“開窗”位置的首選方法，也有部分采取超聲波探測的方式[10-12]。確認出水位置后，針對不同出水原因，可以采用不同的處理方式，如延長凍結期、工作面注漿、增加補孔等[13-14]。

地下水流速不超過5 m/d是凍結設計成功的關鍵之一[15]，國內諸多研究表明在高滲流砂層條件下，地下水流速對不同凍結管分布狀態下凍結壁交圈影響較大，應注意凍結區域內水源井和自然滲流速度的影響[16-20]。

井筒凍結設計均應以水文地質報告及土工試驗報告為基礎，考慮各種客觀條件后選取恰當的安全系數。此外，凍結施工全過程中，人為控制因素也相當重要，應盡量排除人為因素對凍結狀況的判斷，客觀分析井筒凍結狀態。本文以某沿海地區高滲流砂層某立井井筒為例，對其凍結設計和監測數據進行分析，提出幾點建議。

1 凍結井筒水文地質參數

本文所涉及副井位于山東膠州半島，與海岸線直線距離不足100 m，受潮汐影響較大。副立井檢查孔地層分布見表1，水文地質分布見表2。

表1 副立井檢查孔地層分布Tab.1 Strata distribution of auxiliary shaft inspection hole m

表2 副立井凍結段含水層分布Tab.2 Distribution of aquifer in freezing section of auxiliary shaft

其中松散堆積物層由8層砂土、3層黏性土、1層粉土、1層殘積土組成。其中，粉質黏性土為不透水層，粉、細砂為弱透水層，中、粗、礫砂為強透水層。上部砂土為孔隙潛水，由于夾黏性土隔水層，下部砂土略具承壓性。

井筒南邊水產養殖區采用此層位地下水進行水產養殖，每晝夜抽取地下水約1萬m3(417 m3/h)，使近岸處地下水位均低于海平面。地下水與海水有明顯的水力聯系，地下水主要接受海水補給，海水滲入加大了地下水流速。據測算，地下水流速達13.38 m/d，地下水結冰溫度約-3.5 ℃。

2 工程難點和凍結設計要點

2.1 工程難點

根據工程地質和水文地質條件，副立井凍結工程特點包括以下3個方面。

(1)副井井筒位于海邊，周邊600 m范圍內存在十幾條養殖戶抽水井，來自潮汐、養殖戶水源井與地下水的動水對凍結影響大，存在極大的凍結壁難交圈甚至不交圈的風險。

(2)地下水與海水存在水力聯系，地下水含鹽量大，結冰溫度-3 ℃以下，達到設計凍結壁強度，需要更低的鹽水溫度和更多的冷量供應。

(3)變輝長巖巖石堅固性系數f>7，打鉆難度大，一旦發生偏斜難以糾偏，凍結孔終孔間距較難控制。

2.2 凍結設計要點

凍結設計和施工要根據工程特點進行，設計參數應偏于保守，并充分考慮水源井不停水情況下凍結壁交圈和化凍的速度因素。

(1)凍結壁厚度。因沿海地區凍結井筒施工鮮有參考對象，建議采用拉麥公式、多姆克公式和扎—維公式進行計算并取最大值，安全系數選取較大值，增加凍結壁的厚度，以抵抗地下水對凍結壁的沖刷作用。

(2)凍結壁平均溫度。為保證凍結壁強度足夠抵抗水土壓力值，應選取試驗溫度下凍土持久抗壓強度較大值進行凍結壁厚度計算，同時應適當縮小凍結孔間距、降低循環鹽水的溫度。

(3)凍結孔設計及施工。盡量采取雙圈孔或者多圈孔設計，減小凍結孔間距，加強凍結造孔質量，控制凍結孔偏斜在可控范圍內，必要時應增加補孔。

3 工程實例

3.1 凍結設計

以沿海地區某副立井井筒凍結為例，其井筒參數和凍結設計參數見表3。根據表3，副井凍結設計雙圈孔凍結，以下幾方面有待商榷。

表3 副立井井筒參數和凍結參數Tab.3 Borehole parameters and freezing parameters of secondary shaft

(1)凍結設計中輔助凍結孔與主凍結孔布孔圈徑距離為0.5 m，距離井筒最大開挖荒徑0.7 m，且僅布孔16個，開孔間距實際達到1.98 m左右(弧線間距)，實際作用更傾向于防止井筒片幫。設計深度為15 m，如其作用為防止片幫，應根據凍結設計和掘砌進度綜合考慮確定深度，如作為輔助凍結孔，在高地下水流速、低結冰溫度的含水砂層條件下，應考慮穿過沖積層，延伸至38.9 m以下，一般可取進入風化帶5 m，孔深建議為53.9 m，且增加孔數減小孔間距。

(2)考慮凍結的技術經濟性，主凍結孔采用長短腿設計，但由于地層特殊，短腿孔深54 m，僅穿過強風化帶，終點位于中風化帶，對地下水流速影響范圍考慮不充分，應考慮穿過中風化帶甚至微風化帶。

(3)主凍結孔布孔圈徑11.1 m，計算開孔間距為1.34 m(弧線間距)，與表2中1.09 m不符，雖然設計采用φ140 mm無縫鋼管，即便開孔間距為1.09 m，短腿底部最大孔間距控制為1.3 m，在高流速地下水條件下孔間距偏大，存在無法交圈的可能性。

(4)凍結壁厚度設計1.8 m，該方案選取40 m強風化帶為控制層，假設凍土發展速度20 mm/d，則考慮積極凍結期(35 d)和40 m井筒掘砌工期(暫定15 d)，主面向內、向外發展距離分別為1 000、818 mm(按55∶45計)，但界面厚度不足1.8 m，同時19.6～28.0 m段共8.4 m粉質黏土由于凍土發展速度慢、地下水強烈沖刷作用，實際有效凍結壁厚度更小，甚至無法交圈。

(5)平均溫度設計-10 ℃，由于地下水與海水存在水力聯系，凍土結冰溫度低于-3 ℃，按照東部沖積層和西部軟巖地區的凍結井筒施工經驗，一般凍土結冰溫度在-0.5～0 ℃時根據井筒規模凍結壁平均溫度選取-10 ℃甚至-12 ℃。因此，設計所取平均溫度偏高，應選取更低溫度下的凍土試驗參數進行計算。

(6)凍結設備配置應與地層需冷量相當且留富余系數，并配備備用機組，鹽水溫度控制也應更低，或凍結期更長。

3.2 凍結情況分析

根據現場統計，副立井打鉆40 d，開機至試挖48 d(較設計延長13 d)，水文孔未冒水。井筒開挖至-56 m水平時，井筒涌水量增大至15.3 m3/h，造成井筒水位上漲最終至-20 m水平。現場采取井筒工作面拋渣、注漿、壁后注漿封水等措施，耗時50 d，通過了該涌水層，試挖至井頸段施工結束75 d，總計163 d。副井凍結期間凍結孔進、回水溫度曲線如圖1所示，主凍結孔回水溫度曲線如圖2所示。

圖1 副立井進、回水溫度曲線Fig.1 Inlet and return water temperature curve of auxiliary shaft

圖2 主凍結孔回水溫度曲線Fig.2 Backwater temperature curve of main freezing hole

根據出水位置和出水量，初步推測中風化帶層位短腿凍結孔以下地層并未交圈，造成井筒出水。從圖1可以看出，副立井的進水、回水溫度規律總體符合降溫過程，3條回水曲線分布與主凍結孔長腿、短腿和輔助孔的孔深(表3)也符合，但3種不同深度凍結孔的進回水溫度差均維持在5 ℃以上，與常規凍結中積極凍結期進回水一般2～3 ℃的溫度差相去較大，尤其是主凍結孔長腿孔進回水溫度差接近10 ℃，說明地層中熱量多，機組的制冷量無法滿足凍結需求。

輔助孔鹽水回水溫度曲線顯示，單組凍結器循環未配備閥門控制，在井筒掘砌超過輔助凍結孔后，無法停止輔孔循環，故既不能補充主凍結孔冷量供應，又無法保證外層井壁混凝土養護溫度環境。井筒開挖至沖積層結束，進水溫度變化不大表明現場未對機組減載，但回水溫度突然升高至-15 ℃，證明凍結壁未交圈，地下水通過“天窗”涌入井筒內部，約10 d時間井筒水位升至靜水位位置，內外水壓力達到平衡后，主凍結孔鹽水溫度重新開始下降。從圖1短腿主凍結孔溫升判斷，出水位置與現場報告位置存在一定差異，實際應在中風化帶短腿孔以上位置。

從圖2可以看出，26個主凍結孔回水溫度差異大，圖中溫度差曲線表示主凍結孔最高回水溫度與最低回水溫度的差值，總體維持在5 ℃以上。除去長短腿差異，現場實測溫度顯示長腿主凍結孔回水溫度差在4～9 ℃，短腿主凍結孔回水溫度差在4.5～8.0 ℃，長腿凍結孔溫差更大表明凍結孔深度對吸熱量差異的影響。

此外，在凍結孔施工工程中，為保證凍結孔下放到位，一般要求凍結管下放深度超過設計深度0～0.5 m，同時考慮凍結孔偏斜、測溫器件精準度和誤差等因素，同種規格、深度的凍結孔一般溫度差在1 ℃以內。溫差范圍大、差值高，從側面反映出凍結控制準確性差，成為凍結壁交圈過程中較大的風險點。

4 結論

(1)沿海地區高滲流砂層井筒凍結設計，包括凍結壁的厚度和強度，要依托精確的水文、地質資料進行，并做好充分的應急措施和應急物資，井筒出水后應采取技術經濟性最優的措施進行處理。

(2)水文孔的設計和制作應嚴格按照規范進行，分辨水文孔水位波動的假象，確保凍結壁交圈并具有一定厚度和強度后才能進行井筒開挖，應根據現場監測結果分析凍結異常原因，而非為凍結異常尋找證據。

(3)凍結工程全過程都需要盡量精確，冷量的供應和控制應與地層需冷量相符，加強監測數據的對比分析，及時排除施工過程中人為因素的影響，才能確認凍結效果，便于分析造成異?，F象的原因，并采取補救措施。

(4)凍結井筒交圈的判定及處理事故井筒采取的各種措施，需進行技術經濟性對比，采取最優處理手段。