程 樺，王 彬，3，趙久良，姚直書，榮傳新

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程博士后科研流動站，安徽 淮南 232001；3.中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 博士后科研工作站，安徽 合肥 230091；4.中煤華晉集團(tuán)里必煤礦，山西 晉城 048000)

自1955年我國成功將凍結(jié)鑿井法應(yīng)用開灤林西礦風(fēng)井施工以來，該工法已經(jīng)逐漸發(fā)展成為穿越厚松散地層立井，以及富含水地層地下工程施工的主要工法之一[1-3]。理論研究與大量工程實(shí)踐表明，影響凍結(jié)壁形成的主要自然因素有土(巖性)、含水率、地下水流速等。其中，在凍結(jié)設(shè)計(jì)時因未重視地下水流速影響，引發(fā)凍結(jié)壁交圈時間滯后甚至無法交圈等工程問題時有發(fā)生。

國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者針對上述問題開展了大量研究。在試驗(yàn)研究方面：周曉敏等[4]進(jìn)行了雙管凍結(jié)正交模型試驗(yàn)，研究了地下水滲流、孔間距等對飽和砂層凍結(jié)交圈時間和上下游溫度場發(fā)展的影響；Huang R.C[5]在常規(guī)供冷溫度(溫度為-30℃)條件下，對不同流速水流(最大流速為2m/d)作用下單管凍結(jié)溫度場的形成規(guī)律進(jìn)行了研究；E.Pimentel等[6]充分考慮凍結(jié)冷量散失等問題，進(jìn)行不同流速條件下人工地層凍結(jié)大型模型試驗(yàn)，并對現(xiàn)有的凍結(jié)壁的交圈理論解進(jìn)行了討論；Sudisman[7]通過小尺寸兩個系列凍結(jié)實(shí)驗(yàn)，研究了不同砂層和流動情況下的熱分布和水力傳導(dǎo)行為；李方政等[8]建立了滲流作用下梅花型布置雙排管凍結(jié)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，并對滲流地層中凍結(jié)壁形成的主要影響因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)研究；劉偉俊等[9]設(shè)計(jì)了北京砂卵石地層凍結(jié)模型試驗(yàn)，從迎水面長度、順?biāo)鏖L度、厚度3個維度研究了滲流作用下多排管局部水平凍結(jié)體溫度場擴(kuò)展規(guī)律；王彬等[10]基于自主構(gòu)建的水熱耦合物理模型系統(tǒng)對大流速滲透地層單管凍結(jié)溫度場的時空演化機(jī)理進(jìn)行了研究，并推導(dǎo)得出了滲流場作用下單管凍結(jié)穩(wěn)態(tài)溫度場解析解。在數(shù)值計(jì)算研究方面：Harlan[11]在20世紀(jì)70年代首先提出了水熱遷移數(shù)學(xué)模型。徐光苗[12，13]給出了含相變低溫巖土體溫度場-滲流場耦合數(shù)學(xué)模型；Vitel[14-16]為了模擬在滲流條件下飽和不可變形多孔介質(zhì)的人工地面凍結(jié)過程，構(gòu)建了與熱力學(xué)一致的水熱數(shù)值模型，并得到高滲流速度條件三維地面凍結(jié)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；Ahmed等[17]結(jié)合“蟻群算法”對小流速地下水作用下凍結(jié)管的布置位置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為凍結(jié)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)開拓新的思路。高崗榮[18]、王建平[19]等針對富水地層凍結(jié)壁未閉合的問題，提出了注漿封堵的處理方法。

盡管國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對地下水流對凍結(jié)壁發(fā)育影響開展了大量研究[5-17]，但針對凍結(jié)設(shè)計(jì)與施工方法不當(dāng)，導(dǎo)致凍結(jié)壁交圈時間增加甚至無法交圈等工程實(shí)例大量存在，開展地下水流速對凍結(jié)壁發(fā)育致因及其彌合技術(shù)的研究較少[18-21]。

本文以里必礦凍結(jié)副井為工程背景，針對其凍結(jié)壁無法交圈的問題，分析測溫孔數(shù)據(jù)，判斷凍結(jié)壁“缺口”位置，反演砂卵石層地下水流速，揭示影響凍結(jié)壁發(fā)育原因，提出“注漿帷幕+補(bǔ)打凍結(jié)孔+加強(qiáng)凍結(jié)”工程治理技術(shù)，經(jīng)實(shí)施取得了預(yù)期效果。為今后類似水文與工程地質(zhì)條件立井凍結(jié)工程提供有益參考。

1 工程背景

1.1 水文與工程地質(zhì)條件

里必礦第四系上部為厚度不等的黃土層，厚度0.00～48.85m，下部為砂卵石層，厚度4.33～13.56m，卵石層未膠結(jié)，充填有粗、中、細(xì)砂。通過第四系松散巖類孔隙含水層穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，測定其靜水位標(biāo)高752.126～753.773m，水溫12～12.5℃，單位涌水量1.4490～2.8079L/(s·m)，平均1.9133L/(s·m)，屬中等～強(qiáng)富水性含水層。該副井凍結(jié)段地質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 里必礦副井控制凍結(jié)段地質(zhì)(mm)

1.2 凍結(jié)方案

里必礦副立井井筒凈直徑10.5m，井筒采用局部凍結(jié)法施工(凍結(jié)深度為101m)，凍結(jié)段采用雙層井壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外壁厚350mm，內(nèi)壁厚450mm；穩(wěn)定基巖段采用單層混凝土井壁結(jié)構(gòu)，壁厚800mm。副立井設(shè)計(jì)40個凍結(jié)孔，凍結(jié)深度為101m，布孔圈徑為15.10m，開孔距1.185m，最大孔間距不大于1.8m。設(shè)計(jì)兩個測溫孔，水流上下方各一個，水文孔深度29m，凍結(jié)孔布置方案如圖2所示。設(shè)計(jì)凍結(jié)40d交圈，50d試挖。

圖2 凍結(jié)孔布置(mm)

1.3 凍結(jié)溫度場工況

該礦副立井凍結(jié)于2019年7月16日開機(jī)，當(dāng)凍結(jié)時間達(dá)到40d時，凍結(jié)水文孔仍未冒水，為了對凍結(jié)效果進(jìn)行評估，8月26日對凍結(jié)孔進(jìn)行?？讬z查發(fā)現(xiàn)，大部分凍結(jié)孔溫度隨深度的增加而降低(圖3a)，但1#、2#、30#、31#、32#、33#、39#、40#凍結(jié)孔在卵石層(埋深15～30m)存在明顯的溫度突變點(diǎn)(圖3b)，表明上述凍結(jié)孔所在位置附近存在熱源。

圖3 里必礦凍結(jié)孔縱向溫度曲線圖(8月26日)

隨后再次開啟凍結(jié)機(jī)組，至9月15日，已開機(jī)62d(有效凍結(jié)48d)，現(xiàn)場水文孔水位仍然沒有明顯變化。對第一次檢查時存在溫度突變點(diǎn)的凍結(jié)孔再次進(jìn)行?？讬z查，凍結(jié)孔溫度隨深度的變化規(guī)律如圖4所示。凍結(jié)孔39#、40#、1#的溫度曲線較平滑，且卵石層與其他層位的溫差較之前明顯減小，表明上述3個凍結(jié)孔形成的凍結(jié)柱狀體已經(jīng)交圈；凍結(jié)孔30#、31#、32#、33#在卵石層仍然存在明顯的溫度突變點(diǎn)，表明上述凍結(jié)孔所在位置附近熱源對凍結(jié)壁的影響仍未消除，凍結(jié)壁在該位置存在未凍“缺口”。

基于測溫孔數(shù)據(jù)以及凍結(jié)孔?？讬z查的結(jié)果，計(jì)算得出每個凍結(jié)孔形成的凍結(jié)鋒面的平均擴(kuò)展速率，假設(shè)單個凍結(jié)孔形成的凍結(jié)柱狀體截面為圓形，凍結(jié)壁的發(fā)展情況預(yù)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 里必礦砂卵石層位(-21m)凍結(jié)壁預(yù)測圖

1.4 鄰近水源井

經(jīng)實(shí)地查勘發(fā)現(xiàn)，在該礦工業(yè)廣場內(nèi)有礦用水源井和鄰近養(yǎng)漁場抽水井各1口，且與副井溫度異常30#、31#、32#以及33#凍結(jié)孔位、魚塘抽水井、煤礦水源井呈近似直線狀分布，其中位于水流下方530m處的漁場抽水井長時間大量抽水(100m3/h)。為此，對漁場抽水井是否影響上游井筒凍結(jié)進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)下游漁場抽水井停泵時，礦用水源井井內(nèi)水位快速上升，說明不但該礦水源井與漁場抽水井有明顯的水力聯(lián)系，也有可能波及凍結(jié)副井松散層主含水層(砂卵石層)，從而影響凍結(jié)壁的發(fā)育形成，造成位于上游的副井凍結(jié)壁無法閉合形成缺口。

為此，需采用數(shù)值模擬方法，分析驗(yàn)證影響副井凍結(jié)壁發(fā)育致因，為制定凍結(jié)缺口彌合技術(shù)方案提供可靠依據(jù)。

2 影響凍結(jié)壁發(fā)育致因分析

2.1 地層熱物理參數(shù)

砂卵石層充填有粗、中、細(xì)砂，在現(xiàn)場鉆取土樣，開展凍土熱物理性能試驗(yàn)，測得的土樣導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、凍結(jié)溫度等熱物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 砂層的熱力學(xué)參數(shù)

2.2 水熱耦合數(shù)值計(jì)算模型

2.2.1 水熱耦合控制方程

滲流場與溫度場共同作用下多孔介質(zhì)的熱傳導(dǎo)微分方程為[11，13，22-24]：

(1)

Cef由下式表示[22-24]：

Cef=(1-φ)Cs+φw(T)Cl+φ[1-w(T)]Ci

(2)

Kef由下式表示為[22-24]：

Kef=Ksθs+Klθl+Kiθi

(3)

根據(jù)Darcy定律可得空隙中滲流速度為[22-24]：

(4)

式中，κ為滲透率；η為水的粘滯系數(shù)；p為滲透壓力；g為重力加速度；H為重力水頭高度。

在飽和多孔介質(zhì)凍結(jié)過程中，滲透率可以表示為w的函數(shù)[24]：

(5)

式中，m為材料常數(shù)。

2.2.2 邊界條件

水流入口處溫度邊界為流入水溫；凍結(jié)管壁處溫度邊界為凍結(jié)管外壁實(shí)測溫度；水流出口處設(shè)定為對流通量，邊界條件為[23，24]：

nd(-kT)|x=a2=0

(6)

式中，nd為水流出口處的內(nèi)法線方向矢量；a2為出口邊界的橫坐標(biāo)。

若不考慮其余邊界的傳熱效應(yīng)，則可將其余的邊界設(shè)定為絕熱邊界，邊界條件為：

-n(-kT)|y=b1,b2=0

(7)

式中，n邊界的內(nèi)法線方向矢量；b1，b2為邊界的縱坐標(biāo)。

若考慮其余邊界的傳熱，則可將其設(shè)定為溫度邊界：

T=T0

(8)

式中，T0為隨時間變化的溫度。

為了在初始狀態(tài)下形成定向穩(wěn)定流速，其初始條件為：

p|t=0=p0

(9)

式中，p0為土體初始壓力分布，由滲流速度公式求得。

出入口均設(shè)置為固定壓力邊界，按初始壓力分布對應(yīng)取值，其余邊界設(shè)置為無流動邊界：

-n(up)|else=0

(10)

式中，n為邊界的內(nèi)法線方向矢量。

該數(shù)值計(jì)算模型的合理性已經(jīng)通過相似模型試驗(yàn)的驗(yàn)證[23，24]。

2.3 地下水流速對凍結(jié)壁影響反演分析

基于構(gòu)建的水熱耦合數(shù)值計(jì)算模型，根據(jù)該礦砂卵石層位(-21m)凍結(jié)孔實(shí)際成孔位置，采用COMSOL Multiphysics有限元數(shù)值計(jì)算軟件反演分析地下水流速對凍結(jié)壁發(fā)育影響。由于水源井以及魚塘與井筒的距離較遠(yuǎn)(大于500m)，因此在計(jì)算中假定水流方向?yàn)樽晕飨驏|。

不同流速條件下，有效凍結(jié)48d后凍結(jié)溫度場的發(fā)展情況如圖6所示；測溫點(diǎn)的溫度計(jì)算結(jié)果以及實(shí)測結(jié)果的對比情況，如圖7所示。

圖6 不同流速條件下凍結(jié)溫度場預(yù)測(48d)

圖7 測點(diǎn)溫度的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比

結(jié)合圖2以及圖9可知，由于測點(diǎn)1位于凍結(jié)壁的測面位置，而測點(diǎn)2位于凍結(jié)壁的下游位置，在凍結(jié)初期測點(diǎn)2受水流的正面影響較大，冷量損失較嚴(yán)重，因此測點(diǎn)2的溫度高于測點(diǎn)1的溫度。當(dāng)?shù)叵滤魉傩∮?m/d時，測點(diǎn)1以及測點(diǎn)2溫降曲線隨著流速的變化較小，因此可以認(rèn)為小于4m/d的地下水流速不會對凍結(jié)壁的交圈時間產(chǎn)生明顯影響。

當(dāng)水流速度小于4m/d時，測點(diǎn)2所在位置受到水流的對流傳熱作用較弱，測點(diǎn)溫度在凍結(jié)初期快速降低至接近冰點(diǎn)，隨后進(jìn)入冰水相變階段，在相變潛熱釋放結(jié)束后進(jìn)入第二次快速溫降階段；當(dāng)?shù)叵滤魉俅笥?m/d時，水流的對流傳熱作用加劇，當(dāng)測點(diǎn)溫度快速降低至一定數(shù)值后(高于冰點(diǎn))，水流的對流傳熱作用與凍結(jié)管的熱傳導(dǎo)作用達(dá)到相對穩(wěn)定，此時測點(diǎn)溫度進(jìn)入第一次相對穩(wěn)定階段，相鄰凍結(jié)管形成的凍結(jié)柱狀體之間的距離緩慢減小，當(dāng)該距離減小至一定值后，凍結(jié)鋒面處熱傳導(dǎo)作用加劇，此后測點(diǎn)2的溫度快速降低至接近冰點(diǎn)，隨后進(jìn)入冰水相變階段(第二次相對穩(wěn)定階段)，當(dāng)相變潛熱釋放結(jié)束之后，進(jìn)入第二次快速溫降階段。

在凍結(jié)過程中，水流由上游流至下游區(qū)域時，通過對流傳熱作用釋放部分熱量，水溫降低；在一定的流速范圍內(nèi)，水流速度越大，對流傳熱作用越劇烈，在下游凍結(jié)壁閉合之前，流至測點(diǎn)所在位置的水流溫度越低，這在一定程度上會提高下游區(qū)域的凍結(jié)速率，因此當(dāng)?shù)叵滤魉贋?～8m/d時，測點(diǎn)2所在位置的凍結(jié)時間隨著水流速度的增加而縮短；當(dāng)水流速度繼續(xù)增加后，水流的對流傳熱作用加劇，下游區(qū)域的冷量損失增加、凍結(jié)速率降低，因此當(dāng)水流速大于8m/d后，測點(diǎn)2所在位置的凍結(jié)時間隨著流速的增加而延長。

通過對比數(shù)值計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)得出的凍結(jié)壁的輪廓以及測溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可以判斷出該礦砂卵石層位地下水流速介于7～9m/d。

通過數(shù)值計(jì)算對砂卵石層位凍結(jié)壁的交圈時間進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 凍結(jié)壁交圈時間隨流速的變化規(guī)律

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)?shù)叵滤魉傩∮?m/d時，凍結(jié)壁的交圈時間差距較小，因此可以認(rèn)為小于4m/d的地下水不會對副井凍結(jié)壁的發(fā)育過程造成明顯影響。由圖8可知，當(dāng)?shù)叵滤魉俅笥?m/d時，凍結(jié)壁的交圈時間隨著流速的增加呈指數(shù)函數(shù)增長，通過對交圈時間進(jìn)行擬合，得出凍結(jié)壁的交圈時間的計(jì)算公式為：

t=A·exp(-v/v0)+t0

(11)

式中，v為地下水流速；A、v0以及t0為擬合參數(shù)，其數(shù)值分別為14.35、-4.08以及1.43。

通過計(jì)算得出：當(dāng)?shù)叵滤魉龠_(dá)到7～9m/d時，如果沿用現(xiàn)有的凍結(jié)方案，凍結(jié)壁的交圈時間長達(dá)90～132d。

以上數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測對比分析表明，該礦副井鄰近水源井大量抽水，引發(fā)其砂卵石含水層位地下水流速急劇增大，加大了水流通過對流傳熱作用與凍結(jié)管周圍的凍結(jié)柱狀體的熱交換量，當(dāng)?shù)叵滤髁魉龠_(dá)到7～9m/d時，影響凍結(jié)壁發(fā)育缺陷狀況與溫度場實(shí)測基本一致，從而驗(yàn)證了地下水流下方鄰近水源井大量抽水是導(dǎo)致凍結(jié)壁無法交圈的致因。

3 凍結(jié)壁彌合技術(shù)

3.1 技術(shù)原理

原凍結(jié)方案沒有考慮砂卵石層較大流速的地下水影響，采用單排孔設(shè)計(jì)，導(dǎo)致該層位凍結(jié)壁發(fā)育不良無法交圈。為此，基于降低地下水流速、減少冷量損失、加強(qiáng)局部凍結(jié)的技術(shù)原理，以彌合凍結(jié)壁缺口為目標(biāo)，提出了“控”“注”“凍”相結(jié)合的凍結(jié)壁缺口快速彌合技術(shù)。

“控”：暫停抽取礦井生產(chǎn)與生活水源井，在基本保證地下水下游漁場生產(chǎn)用水的前提下，盡最大可能減少漁場水源抽水量，以降低地下水流速。

“注”：在正對凍結(jié)壁缺口地下水流上游，通過地面注漿，在副井凍結(jié)段富水砂卵石主含水層形成封水帷幕，以阻擋地下水通過凍結(jié)壁缺口帶走冷量。

“凍”：在正對凍結(jié)壁缺口地下水流下方，注漿孔與原凍結(jié)孔之間，補(bǔ)打凍結(jié)孔實(shí)施局部加強(qiáng)凍結(jié)。

3.2 凍結(jié)壁缺口彌合技術(shù)

3.2.1 注漿擋水帷幕技術(shù)

1)注漿孔布置。為防止注漿過程中化學(xué)漿液反應(yīng)產(chǎn)生的熱量對凍結(jié)壁的發(fā)育造成不利影響，同時考慮為加強(qiáng)凍結(jié)孔留有足夠的施工空間，注漿孔與凍結(jié)孔的距離不宜過小，因此確定注漿孔與主凍結(jié)孔的距離為4m。根據(jù)凍結(jié)壁目前的發(fā)展情況以及地層條件，確定擋水帷幕的長度為10m，注漿孔間距為4m，注漿孔深超過砂卵石層2m，總深度30m，注漿位置位于-20～-30m砂卵石層，注漿段高10m。

2)注漿管結(jié)構(gòu)及注漿方式。采用?219×6套管跟進(jìn)施工24m，套管20～24m設(shè)置花管，再向下施工6m裸孔，對砂卵石段注漿。先注入單液漿，根據(jù)注入量大小，判斷注雙液漿。采用多次復(fù)注的注漿方式，確保注漿范圍形成帷幕擋水墻。

3)注漿材料與注入量。水泥-水玻璃漿液注漿，水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為35～42波美度，水灰比1∶1。

漿液注入量，根據(jù)漿液有效徑向擴(kuò)散距離和注漿段平均裂隙率，采用式(13)進(jìn)行計(jì)算[25]。

Q=AπR2Hηβ/m

(12)

式中，Q為注漿孔的漿液注入量，m3；A為漿液消耗系數(shù)，取1.2；R為漿液的有效擴(kuò)散半徑，取4m；H為注漿段高或注漿層厚，段高10m；η孔隙率，取20%(工程地質(zhì)：卵石，粗礫含量76.9%～91.5%，細(xì)礫含量4.0%～22.5%，結(jié)合副井出水位置實(shí)際觀測，取20%)；β為漿液的充填系數(shù)，取0.5；m為漿液結(jié)石率，取0.7。通過計(jì)算得出單孔漿液量Q=86.17 m3。

4)注漿參數(shù)與工藝。①注漿壓力：注漿終壓為靜水壓力的1.5倍，壓力值為0.45MPa；②注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：終量為100～120L/min及注漿壓力達(dá)到終壓并保持穩(wěn)定10min后，可結(jié)束該孔段的注漿工作；③注漿設(shè)備：選用履帶式200型水井鉆機(jī)施工，單個注漿孔鉆孔及注漿工期見表2；④注漿工藝：先注入一半調(diào)配好的漿液進(jìn)行觀察，如發(fā)現(xiàn)漿液消耗量大或漿液有效徑向擴(kuò)散距離過大、壓力不升時，及時調(diào)整另一半漿液的水玻璃用量，以控制水泥漿初凝時間；為避免出現(xiàn)塌孔埋鉆等事故，將該注漿段分為小段，循序漸進(jìn)施工；在卵石層鉆進(jìn)時，采用合適的泥漿作為循環(huán)液，保護(hù)好鉆孔孔壁，以利于注漿鉆孔順利鉆進(jìn)；注漿時采用多次復(fù)注方式，增加漿液注入量，并盡量提高注漿壓力；注入雙液漿時，根據(jù)實(shí)際注漿情況，及時調(diào)整漿液配比，確保封堵裂隙，改善地層力學(xué)性能；嚴(yán)格執(zhí)行措施注漿壓力，與凍結(jié)分析同步進(jìn)行，防止破壞現(xiàn)有凍結(jié)壁；如果注漿過程中，注漿壓力長期不升高，甚至出現(xiàn)下降等情況時，應(yīng)采取間歇式注漿。

表2 注漿孔施工工期表

3.2.2 局部加強(qiáng)凍結(jié)技術(shù)

在凍結(jié)壁上游設(shè)置注漿擋水帷幕之后，下游凍結(jié)區(qū)域的水流速度會明顯減小，但是由于前期地下水的影響，凍結(jié)壁缺口較大，凍結(jié)壁完全彌合仍需要較長時間，因此在凍結(jié)壁缺口位置設(shè)置加強(qiáng)凍結(jié)管。

根據(jù)凍結(jié)時間48d時，凍結(jié)壁的預(yù)測情況，針對30#、31#、32#以及33#凍結(jié)孔之間存在的凍結(jié)壁薄弱點(diǎn)，在凍結(jié)孔附近即30#—33#區(qū)域布置3個加強(qiáng)凍結(jié)孔(J1、J2、J3)。加強(qiáng)凍結(jié)孔的布置圈徑為8.915m，孔深28m。

鹽水溫度設(shè)定為-34℃，預(yù)計(jì)加強(qiáng)凍結(jié)時間為15d。

注漿孔以及加強(qiáng)凍結(jié)孔的布置如圖9所示。

圖9 加強(qiáng)凍結(jié)孔以及注漿孔布置(mm)

3.3 凍結(jié)壁缺口彌合預(yù)測

通過數(shù)值計(jì)算對采取“注漿+加強(qiáng)凍結(jié)”后凍結(jié)壁缺口的彌合規(guī)律進(jìn)行預(yù)測，為了保證治理方案的安全性，按照預(yù)測的最大流速9m/d進(jìn)行計(jì)算分析，預(yù)測結(jié)果如圖10所示。

圖10 采取“注漿+加強(qiáng)凍結(jié)”方案后凍結(jié)壁彌合效果預(yù)測

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)?shù)叵滤魉龠_(dá)到9m/d時，實(shí)施“注漿+加強(qiáng)凍結(jié)”方案17d(持續(xù)凍結(jié)65d)后，里必礦副井凍結(jié)壁缺口將完全彌合。

4 實(shí)施效果

在確定凍結(jié)壁彌合技術(shù)的實(shí)施方案后，里必礦副井注漿擋水帷幕以及加強(qiáng)凍結(jié)孔于2019年9月16日開始施工；9月20日，3個加強(qiáng)孔全部投入使用，低溫冷媒的控制溫度為-34℃；9月21日，注漿工程完成。10月6日，在實(shí)施凍結(jié)壁彌合技術(shù)措施21d后(持續(xù)凍結(jié)69d)，水文孔開始冒水，表明凍結(jié)壁“缺口”已經(jīng)成功彌合，隨后停止加強(qiáng)凍結(jié)孔供冷。凍結(jié)壁的彌合時間較預(yù)測時間延遲4d，造成延遲的原因?yàn)椋鹤{工期較原計(jì)劃延遲一天，低溫冷媒在輸送過程中有一定的冷量損失，另外水文孔對凍結(jié)壁交圈時間的預(yù)報(bào)具有一定的延遲性。其后于10月10日試挖后，凍結(jié)副井順利施工到底，表明凍結(jié)壁彌合技術(shù)在該凍結(jié)井得到成功應(yīng)用。

5 結(jié) 論

1)綜合分析表明，里必礦副井凍結(jié)62d(有效凍結(jié)48d)后，其凍結(jié)壁在砂卵石層(累深21m左右)30#、31#、32#、33#結(jié)孔處出現(xiàn)溫度偏高異?！叭笨凇钡脑?yàn)椋涸搩鼋Y(jié)副井地下水流下方鄰近水源井大量抽水，加大了該層位地層地下水流速。

2)反演結(jié)果表明，當(dāng)砂卵石層地下水流速約為7～9m/d時，將嚴(yán)重影響該礦副井砂卵石層凍結(jié)壁發(fā)育，其交圈時間將長達(dá)90～132d，遠(yuǎn)超預(yù)計(jì)工期。

3)基于降低地下水流速、減少冷量損失、加強(qiáng)局部凍結(jié)的技術(shù)原理，以彌合凍結(jié)壁缺口為目標(biāo)，提出了“控”“注”“凍”相結(jié)合的凍結(jié)壁缺口快速彌合技術(shù)。

4)工程實(shí)踐表明，在實(shí)施凍結(jié)壁彌合技術(shù)措施21d后(預(yù)測17d)，里必礦副井水文孔開始冒水，凍結(jié)壁溫度場發(fā)育恢復(fù)正常，確保了井筒施工安全順利完成。