管玉華

(山東華新建筑工程集團有限責任公司,山東泰安 271219)

凍結(jié)法鑿井施工技術(shù)探析

管玉華

(山東華新建筑工程集團有限責任公司,山東泰安 271219)

本文論述了凍結(jié)法鑿井的施工技術(shù),其中,主要包括對井簡凍結(jié)方案進行審查、凍結(jié)造孔施工的開展,以及控制凍結(jié)制冷施工的整個過程。

凍結(jié)法 鑿井 施工 技術(shù)

1 凍結(jié)法鑿井原理及在我國的應(yīng)用

凍結(jié)鑿井法是用制冷技術(shù)暫時凍結(jié)加固井筒周圍不穩(wěn)定地層并隔絕地下水后再鑿井的特殊施工方法,又稱凍結(jié)法鑿井。凍結(jié)法鑿井在我國煤礦立井井筒施工中被廣泛采用,為了滿足目前凍結(jié)法施工的迫切需要,中國煤炭建設(shè)協(xié)會組織制定了“煤礦凍結(jié)法開鑿立井工程暫行技術(shù)規(guī)范”,現(xiàn)已發(fā)布施行。巖土工程凍結(jié)法通常是利用物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài),即氣化過程的吸熱現(xiàn)象來達到將土體中的水冷卻、結(jié)冰的目的。其制冷系統(tǒng)多以氨作為制冷工質(zhì)。為了使氨由液態(tài)變成氣態(tài),由氣態(tài)又變?yōu)橐簯B(tài),如此循環(huán)進行,整個制冷系統(tǒng)是由三大循環(huán)構(gòu)成:一是氨循環(huán)系統(tǒng),二是鹽水循環(huán)系統(tǒng),三是冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。這三種制冷系統(tǒng)一般可以獲得-30℃～ -35℃的低溫鹽水。凍結(jié)法的特點是技術(shù)可靠,安全性高,特別適用于在松散含水表土層的土木工程施工。缺點是準備的時間比較長,需要的設(shè)備比較多,需要的成本較高。

我國煤礦立井凍結(jié)法鑿井法采用的是傳統(tǒng)的氨循環(huán)制冷技術(shù)。它是在開挖井筒之前,采用人工制冷的方法,將井筒周圍含水地層凍結(jié)成一個封閉的不透水的凍結(jié)壁,用于抵抗地壓、水壓,隔絕地下水與井筒之問的聯(lián)系。然后,在其保護下進行掘砌施工,待掘砌到預(yù)計的深度后,停止凍結(jié),進行拔管和充填工作。為形成凍結(jié)壁,首先在欲開挖井筒的周圍打一定數(shù)量的凍結(jié)孔,孔內(nèi)安裝凍結(jié)器。低溫鹽水在凍結(jié)器中流動,吸收其周圍地層之熱量,形成凍結(jié)圓柱并逐漸擴大連接成封閉的凍結(jié)壁,直至達到其設(shè)計厚度和強度為止,以便安全穿過含水地層。凍結(jié)法鑿井主要工藝過程包括:冷凍站安裝、鉆孔施工、井筒凍結(jié)和井筒掘砌四大內(nèi)容。

2 對井簡凍結(jié)方案進行審查

第一,確定井幫暴露時間與深厚膨脹粘土施工段高。確保少于2.5m的段高,以及在20小時內(nèi)的井幫暴露時間。

第二,確定水文孔區(qū)域。需要在沖積層最下面的含水層中深入表土段水文孔,在距離井筒中心1m遠的區(qū)域進行布置,確保不會影響到井筒的測量與提升。報導(dǎo)水文觀測孔通常存在單管分層報導(dǎo)以及單孔單層報導(dǎo)含水層的情況這兩種形式。

第三,積極凍結(jié)期鹽水溫度。為了對交圈進迅速地凍結(jié),需要在穩(wěn)定安全以及實用經(jīng)濟的前提下盡量地使得鹽水的溫度降低,通常在積極凍結(jié)階段,盡快地降低鹽水溫度在-30℃以下,而需要保持-30℃～-32℃的強化凍結(jié)階段的鹽溫。

第四,復(fù)核凍結(jié)機組制冷能力。為了將快速交圈和快速凍結(jié)的目標得以實現(xiàn),務(wù)必保證凍結(jié)機組制冷能力跟井筒凍結(jié)要求相符合。因為要求進行井筒需冷量計算,在對有關(guān)參數(shù)進行選擇的時候,受到忽視施工環(huán)境、認為要素、參數(shù)選擇誤差,以及經(jīng)驗數(shù)據(jù)局限的影響,會導(dǎo)致較小的井筒需冷量計算結(jié)果,從而使得凍結(jié)站的裝機能力存在缺陷。為此,需要根據(jù)井筒實際需冷量選擇高效安全的螺桿機組充當凍結(jié)站裝機容量。

第五,確定井筒凍結(jié)深度。對井筒凍結(jié)深度進行合理確定,這跟基巖段施工的不間斷性以及井筒凍結(jié)段施工安全密切相關(guān),為此,在井筒凍結(jié)方案當中需要對井筒凍結(jié)深度進行嚴格地審查。通常是由滲透系數(shù)、巖性、含水層等資料來確定凍結(jié)深度,務(wù)必深入不透水穩(wěn)定巖層至少10m。在基巖下大概30m依舊存在含水層的過程中,需要將凍結(jié)深度延伸。

3 凍結(jié)造孔施工的開展

第一,在施工的過程中需要高度關(guān)注凍結(jié)管焊接的打壓和質(zhì)量、凍結(jié)孔的測斜、確認下管實際深度,以及復(fù)核凍結(jié)管配管總長度。

第二,在終孔測斜的過程中,因為通常在距孔底5m～7m的區(qū)域放置陀螺,為此,凍結(jié)深度的檢查需要統(tǒng)一鉆具丈量以及孔測斜應(yīng)記錄。

第三,鉆場基礎(chǔ)務(wù)必確保具備充足的平整度與承載能力,進而確保鉆機的平移、正常施工鉆孔豎直度。通常大概是700m的鉆場基礎(chǔ)厚度。倘若不能夠有效地回填凍結(jié)鉆場基礎(chǔ),那么在打鉆的過程中,由于鉆基礎(chǔ)的沉降不夠均勻,會使得結(jié)孔發(fā)生偏斜,就難以下放凍結(jié)到制定的區(qū)域。

4 控制凍結(jié)制冷施工的整個過程

第一,為了確保井筒掘砌施工可以在深厚黏土層中安全地通過,尤其是對于膨脹粘土層,井筒凍結(jié)單位需要系統(tǒng)化地管理其凍結(jié)運行,避免出現(xiàn)斷管事故。鹽水的流量和溫度務(wù)必實現(xiàn)井筒安全施工的要求,保障-8℃以下的井幫溫度,且對井幫位移量進行控制。在通過深厚膨脹粘土層的過程中,凍結(jié)單位需要強化測量工作面底鼓進、井幫溫度,以及凍土入荒。

第二,在地溝槽旋工的過程中,需要跟掘砌單位溝通好,進而對地溝槽的建筑構(gòu)造進行確定,從而實現(xiàn)將來井簡掘砌通風以及出矸的要求。做好地溝槽地面的防水工作,防止在井筒中滲入地表水。

第三,必須均勻地攪拌溶化氯化鈣,鹽水濃度的確定結(jié)合鹽水溫度進行,避免氯化鈣溶液發(fā)生析鹽和析冰的情況。在凍結(jié)法施工的過程中,冷卻水水源井區(qū)域變得十分關(guān)鍵。不適當?shù)剡x用,會對凍結(jié)的效果產(chǎn)生不利的影響。通常來講,需要在距凍結(jié)井筒至少300m、地下水的上游,以及降水漏斗影響范圍外設(shè)計凍結(jié)井筒。對礦井周圍500m的水源井做好登記,并且對凍結(jié)井筒的水文孔水位的改進進行監(jiān)測,從而防止對井筒凍結(jié)交圈產(chǎn)生影響。

5 結(jié)語

總起來說,凍結(jié)法是巖土工程施工中的一種輔助手段,當遇到涌水、流沙和淤泥等復(fù)雜不穩(wěn)定地質(zhì)條件時,需要施工地下工程結(jié)構(gòu),在技術(shù)、經(jīng)濟分析比較的基礎(chǔ)上,可以選用凍結(jié)法施工。凍結(jié)法鑿井施工技術(shù)的引入,被普遍地應(yīng)用于不穩(wěn)定地層立井施工當中。在我國,凍結(jié)法鑿井施工技術(shù)已經(jīng)變成通過裂隙含水巖層和不穩(wěn)定沖積層的重要施工技術(shù),有著速度快和施工安全的巨大優(yōu)勢。經(jīng)過上述的探究,在鑿井施工中應(yīng)用凍結(jié)法能夠確保井筒的經(jīng)濟性和安全性。

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管玉華(1979-),男,漢族,2003年7月畢業(yè)于華北科技學院機電一體化專業(yè),現(xiàn)在山東華新建筑工程集團有限責任公司從事礦井建設(shè)施工的技術(shù)管理工作,工程師。