西部白堊系地層凍結(jié)設(shè)計基本參數(shù)的選取

林波

（中煤邯鄲特殊鑿井有限公司，河北 邯鄲 056003）

1 概況

國家經(jīng)濟與社會發(fā)展對礦產(chǎn)資源的需求，促使我國礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用從淺埋向超千米埋深挺進(jìn)，從中部、東部地區(qū)為主，轉(zhuǎn)向西部地區(qū)拓展。陜西北部、內(nèi)蒙鄂爾多斯地區(qū)，該地區(qū)所揭露的主要地層為第四系、白堊系及侏羅系地層，第四系表土較淺，一般為50 m 左右，礦井穿過的大部分地層是白堊系、侏羅系地層。

第四系為風(fēng)積砂，形成平緩沙地、新月形沙丘或不規(guī)則狀沙丘等地貌形態(tài)，地形較為平緩。巖性以粉細(xì)沙為主，分選性好，磨圓度中等，且富含水。白堊系地層砂質(zhì)泥巖及砂巖具有軟弱不穩(wěn)定巖石、水化、風(fēng)化的特點，且其中的洛河組富含水、巖層飽水單軸抗壓強度較高。巖性單一，為紫紅色、磚紅色塊狀中粒長石砂巖和細(xì)粒長石砂相間成層。礦物成分以石英、長石為主，泥質(zhì)膠結(jié)，發(fā)育巨型楔狀交錯層理，局部為塊狀層理。據(jù)鉆孔資料，洛河組上部30～40 m 巖石風(fēng)化，紫紅色，主要成分為石英、長石，分選性差，次棱角狀，泥質(zhì)膠結(jié)，水平及斜層理，含少量白云母碎片，手易搓碾呈粉末，輕敲易斷裂，與下覆侏羅系安定組為平行不整合接觸。該地域的主要充水途徑為松散砂層孔隙和巖層中發(fā)育的風(fēng)化裂隙及構(gòu)造節(jié)理裂隙和粗顆粒巖層的孔隙。以圍巖孔隙涌水和裂隙涌水為主要充水方式。各充水層以水平透水、匯水為特征，隨著井筒的垂直向下延伸，水位（水頭） 壓力不斷增大，井筒圍巖滲水面壓力增大，引起軟巖段充水通道松弛，導(dǎo)水裂隙易張裂掉塊，發(fā)生充水相對集中狀況。

基于西部白堊系地層特點，該地區(qū)的井筒建設(shè)多采用凍結(jié)法施工。凍結(jié)的主要任務(wù)是封水，以使井筒可安全掘砌施工，凍結(jié)孔的布置為單圈孔凍全深，即主凍結(jié)孔；并依據(jù)沖積層的深度設(shè)置防片幫孔，采用主凍結(jié)孔輔以防片幫孔的凍結(jié)方式。

2 工程統(tǒng)計

對近年已順利竣工的凍結(jié)工程資料進(jìn)行了收集、整理，統(tǒng)計的井筒凈徑從6.00 m 至10.00 m，井筒深度多在500 m 以上，其范圍涵蓋了主井、副井及風(fēng)井，凍結(jié)深度最深為802 m，立井凍結(jié)工程詳見表1。

表1 西部白堊系地層立井凍結(jié)工程統(tǒng)計Table 1 Statistics of shaft freezing engineering of the Cretaceous strata of Western China

3 凍結(jié)設(shè)計基本參數(shù)的選取

3.1 凍結(jié)壁厚度的選取

凍結(jié)壁是凍結(jié)法鑿井的中心環(huán)節(jié)，是巖層冷凍效果的集中體現(xiàn)。針對以上凍結(jié)工程，凍結(jié)壁厚度與凍結(jié)深度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 凍結(jié)壁厚度與凍結(jié)深度的散點圖Fig.1 Scatter plot of freezing wall thickness and freezing depth

可看出凍結(jié)壁厚度與凍結(jié)深度存在相應(yīng)的線性關(guān)系，即凍結(jié)壁厚度隨凍結(jié)深度的延伸增加，其關(guān)系可用回歸擬合公式表示。

式中：E 為凍結(jié)壁厚度，m；H 為凍結(jié)深度，m。

參照凍結(jié)深度選取凍結(jié)壁厚度。凍結(jié)深度在300～650 m，凍結(jié)壁厚度可在3.30～3.80 m 選取；凍結(jié)深度在650 m 以下，凍結(jié)壁厚度可在4.50～4.80 m 選取。

3.2 主孔設(shè)計圈徑的選取

主凍結(jié)孔的布置圈徑直接影響凍結(jié)壁的厚度及強度，確保合理的井幫溫度分布，提高凍結(jié)調(diào)控效果，使凍結(jié)方案與掘砌工程有機結(jié)合，為凍結(jié)段安全快速施工和降低工程造價創(chuàng)造有利條件。主凍結(jié)孔的布置圈徑，即主孔距最大荒徑距離，兩者的線性關(guān)系如圖2所示。

圖2 主孔設(shè)計圈徑與主孔最大荒徑的散點圖Fig.2 Scatter plot of main hole design circle diameter and maximum diameter of main hole

可看出主孔設(shè)計圈徑與主孔最大荒徑存在相應(yīng)的線性關(guān)系，其線性關(guān)系可用回歸擬合公式表示。

式中：D0為主孔設(shè)計圈徑，m；En為主孔距最大荒徑距離，m。

參照井筒最大荒徑選取主孔設(shè)計圈徑。主孔距最大荒徑為2.10～2.20 m，主孔設(shè)計圈徑可布置在15 m 以內(nèi)；主孔距最大荒徑為2.40～3.80 m，主孔設(shè)計圈徑可布置在15～21 m。

3.3 主孔開孔間距的選取

主凍結(jié)孔的開孔間距存在2 個方面，孔數(shù)多，則開孔間距小，如過小，會增加打鉆的工程量，也可能打穿相鄰的凍結(jié)管；反之，開孔間距增大，如偏斜過大，可能使終孔間距過大，將延長凍結(jié)時間，甚至使凍結(jié)困難，需重新鉆孔或增打補孔。

對主凍結(jié)孔的開孔間距做出統(tǒng)計（圖3），可看出平均值為1.333 m，故宜選取＜1.35 m 的數(shù)值作為開孔間距。

圖3 主孔開孔孔間距的匯總Fig.3 Hole spacing summary of main hole

其次考慮主凍結(jié)孔的開孔間距對水文孔冒水時間的影響，依據(jù)以上已完工程的統(tǒng)計，繪制主孔開孔間距與水文孔冒水時間的散點圖（圖4）。

圖4 主孔開孔間距與水文孔冒水時間的散點圖Fig.4 Scatter plot of opening spacing of main holeand flooding time of hydrological hole

回歸擬合公式可為：

式中：Ls為主孔開孔間距，m；Tf為水文孔冒水時間，d。

參照以上圖形，可統(tǒng)計出：水文孔的冒水時間在40 d 以內(nèi)，主孔開孔間距可設(shè)計在1.325 m 以內(nèi)；水文孔的冒水時間在55 d 以內(nèi)，主孔開孔間距可設(shè)計在1.370～1.390 m。

3.4 防孔距荒徑的選取

考慮井筒在掘砌過程中易片幫，故防片幫孔的布置位置至關(guān)重要。防孔距荒徑的距離多設(shè)置在1.20 m，防孔開孔孔間距在2.30～2.55 m，以確保井筒在開挖初期不片幫。其圖形如圖5所示。

圖5 防孔距荒徑與防孔設(shè)計孔間距的散點圖Fig.5 Scatter plot of anti-hole distance and anti-hole design hole spacing

3.5 凍結(jié)壁交圈時間的選取

凍結(jié)壁的交圈時間直接影響積極凍結(jié)期的時間，即機器運轉(zhuǎn)費用。水文孔的花管層位多布設(shè)在第四系及白堊系洛河組中。水文孔冒水時間與水文孔深度的散點圖如圖6所示。

圖6 水文孔冒水時間與水文孔深度的散點圖Fig.6 Scatter plot of flooding time and depth of hydrologic hole

回歸擬合公式可為：

式中：Hs為水文孔深度，m。

參照上圖，可統(tǒng)計出200 m 以上水文孔的冒水時間多在40 d 內(nèi)，即凍結(jié)壁交圈時間。

水文孔冒水時間與含水層最大孔間距的散點圖如圖7所示。

圖7 水文孔冒水時間與含水層最大孔間距的散點圖Fig.7 Scatter plot of water discharge time of hydrological hole and maximum hole spacing of aquifer

據(jù)上圖，回歸擬合公式可為：

式中：L 為含水層最大孔間距，m。

另可看出含水層的最大孔間距宜在2.00 m 以內(nèi)，可確保凍結(jié)壁的交圈時間在40 d 內(nèi)。

3.6 鉆機效率的選取

依據(jù)凍結(jié)深度與鉆機臺月效率繪制圖8。

圖8 鉆機效率與凍結(jié)深度的散點圖Fig.8 Scatter plot of drilling efficiency and freezing depth

據(jù)上圖，可看出鉆機施工平均臺月為1700m/月。

回歸擬合公式可為：

式中：η 為鉆機效率，m/月。

4 結(jié)論

（1） 主凍結(jié)孔開孔間距平均在1.333 m，防片幫孔開孔間距平均在2.426 m，淺水文孔的冒水時間平均在37 d。

（2） 各設(shè)計參數(shù)均存在線性關(guān)系，但不能單一的看某一項數(shù)值，應(yīng)全面考量后，方可確定各參數(shù)。

（3） 西部白堊系地層凍結(jié)設(shè)計一般以封水為設(shè)計原則。

（4） 依據(jù)水文孔冒水時間及含水層的最大孔間距，凍土圓柱發(fā)展速度平均為27 mm/d。

（5） 凍結(jié)管的管徑宜選取大于140 mm 管，以確保凍結(jié)壁的有效形成。