对深井冻结凿井中水文孔不溢水问题的分析

汪仁和　金　川　张　瑞

摘 要： 通过工程实例，对目前深井冻结工程中的水文孔不溢水原因进行了较详细的分析，提 出了应该从水文孔报道层位的设计、水文孔的结构、冻结管的偏斜控制、钻孔的施工质量控 制、地下水流速度控制和根据不同工程和地质条件对水文孔溢水时间的预测以及加强冻结信 息化监测和分析等方面采取措施，来保证水文孔的正常溢水和冻结井筒按时开挖。

关键词：冻结井筒；水文孔；溢水；冻结壁交圈

中图分类号：TD265.34 文献标识码：A 文章编号：1672-1098(2008)03-0019-03

冻结法凿井是目前煤矿立井通过深厚表土地层的首选工法。在冻结工法中，除了需要按 工程要求布置冻结管外，还需要布置一定数量温度检测孔和水文观察孔。温度检测孔的主要 作用是及时掌握地层冻结温度的扩展状况，判断冻结壁的形成厚度和计算冻结壁的平均温度 ；水文观察孔的作用则是：① 根据水文孔的溢水情况，判断含水地层冻结壁是否整体 交圈；② 释放地层冻结过程冻胀水的压力，减小对冻结壁的影响。

近年来，随着我国对煤炭能源需求的日益增大，煤矿新井建设出现了新的高潮。但在深 井冻结法凿井中，经常出现水文孔报道迟缓的问题，比如：涡北矿主井、顾桥矿副井、刘庄 矿主井、丁集矿风井、朱集矿副井、口仔东主井等等。水文孔溢水报道是冻结壁已经交圈的 最直观表征，是冻结井筒可以开挖的体现。水文孔不溢水严格说冻结壁没有交圈，井筒不能 开挖。因此，水文孔的溢水情况对井筒开挖的决策和施工安排等都有重要的影响。可见，探 讨、分析水文孔不溢水原因，对冻结凿井工程具有十分重要的现实意义。

1 对水文孔不溢水原因的分析

导致水文孔不溢水的原因很多，主要可以归结为：自身原因和外部影响原因。自身原因 包括水文孔设计、水文孔的焊接工艺等；外部原因包括有地层的水文地质条件、地下水流速 过快、冻结孔施工间距过大、井筒直径、冻结温度等等。本文仅对目前工程中经常出现 的情况，做简要的分析。

（1） 水文孔设计和施工的原因 随着井筒穿越表土地层厚度的增加，地层中含水地层 的数量也增多。因此，在水文孔的设计中，往往利用一个水文孔报道一个含水层组，即单孔 多层报道方案。但由于各含水地层的承压水头可能不一样，或在各含水层中，由于冻结管的 偏斜（冻结孔间距）不一样，冻结壁的交圈时间不一样，造成了以水文孔为通道的地下水穿 流现象，加大了地下水的流动，影响冻结壁的正常交圈。如：淮北矿业集团涡北矿主井采用 二含和三含一起报道，由于水压不同造成两个含水层水产生穿流，影响了冻结壁的正常交圈 ，后经处理水文孔溢水时间延长了16 d［1］150；刘庄矿主井也出现类 似情况［2-3］。

在水文孔施工中，水文管连接过程的焊接质量和隔水塞安置及质量等都会导致水文孔不溢水 ［1］150。皖北煤电集团某矿冻结法凿井中，出现过水文管在焊接中存在砂 眼，导致水位没能上升到管口，误以为水文孔没有冒水。

（2） 冻结钻孔偏斜过大的原因 井筒冻结深度大，冻结钻孔偏斜大；相邻冻结管间距 大，冻结壁交圈时间长。由于冻结孔偏斜率有明确的规定*，本文将规定与近年来统计 的两淮地区水文孔溢水时间与冻结深度之间的关系进行了比较(见表1)。

可见，随着冻结井筒深度的增加，冻结孔偏斜率加大，冻结壁交圈时间延长，水文孔溢水时 间延长。但在工程实践中，钻孔偏斜数据往往 没能准确地反映出冻结管的最大间距，造成了对水文孔冒水时间的错误估计。该原因在深井 冻结中也经常遇到，如：丁集矿风井，冻结钻孔在490 m处偏斜过大，后改用测 温孔作冻结孔，但该钻孔深度未穿过495 m含水地层，造成水文孔溢水时间推迟 了20多天；还有顾桥矿等多个井筒冻结，也是由于下部冻结管孔间距过大，造成水文孔溢水 时间比正常时间推迟了20~30 d。

（3） 地下水流速过快的原因 地下水在地层中一般处于流动状态，若地下水流速 过大 ，冻结制冷量损失大，将严重影响冻结效果。影响地下水的流速，一是地下水势；二是工广 水 源井抽水造成地下水流动。因水源井抽水造成地下水流速加大，影响井筒冻结交圈的工程 实例很多，如：某矿在井筒下游设置了水源井，因大量抽取地下水，导致水文孔不溢 水。分 析原因后，停止了水源井抽水，水文孔很快就溢水了。该工程使水文孔溢水时间延长了20 d［4］。

（4） 井筒直径大小的影响 随着新建矿井井筒直径的增大，水文孔的溢水时间也有所 增长。井筒直径大，冻结壁对井筒内部地下水形成较大的挤压力时间长，水文孔溢水时间长 。总结近年来的冻结资料可知，井筒净直径不超过6.0 m，影响水文孔溢水 时间的主要因素是井筒冻结深度，超过6.5 m后，井筒净直径越大，冻结壁交圈 时间越长。如：淮南顾北矿副井（净直径8.1 m）和丁集矿副井（净直径8.4 m）这样大径的井筒，水文孔报道时间均达到了98 d以上。

（5） 地层含水率对水文孔溢水的影响 地层孔隙大、含水量小，难于形成较大的地层 冻结压力，使水文孔的溢水时间长、且溢水量小。反之，水文孔溢水时间短、水量大。还有 个别地层因含水量小难于冻结，水文孔迟迟不溢水。采用向地层灌水，加大地层的含水量， 加速了冻结，并使水文孔溢水。

（6） 钻孔的施工质量问题 钻孔（包括冻结孔、测温孔和水文孔）的施工质量分为钻 孔施工质量和冻结管、测温管和水文管的焊接和下放质量。在钻孔施工过程中，遇到砂质地 层，很容易出现钻孔塌孔现象，严重影响钻孔的施工质量。在处理钻孔塌孔时，往往需要采 用在钻孔中灌入泥球，再重新钻孔处理。由于粘土冻结冷量传递效果差，冻土扩展速度慢， 使冻结壁交圈时间大于正常砂土地层的交圈时间，水文孔的溢水时间延长。

另外，冷冻站制冷量、地层初始温度等都对冻结壁交圈时间和水文孔溢水时间产生较大 的影响，应该根据实际情况确定水文孔的溢水时间［5］。

2 水文孔设计和施工应采取的措施

（1） 采用不同含水地层分层报道冻结壁的交圈情况。水文孔分层报道可以避免许多复 杂地层的含水情况和出现水文管结构复杂的问题。

（2） 应该严格控制深井冻结孔的偏斜，避免出现过大的冻结孔间距。

（3） 工广水源井应该尽量布置在地下水流的上游，减少由于工业和生活用水，造成地 下水流速较大，对冻结工程的影响。

（4） 保证冻结孔的钻孔质量，尤其是在造孔过程中的钻孔片帮处理，应该留有处理过 程及措施的详细资料，便于对冻结壁交圈情况进行分析。

3 结语

水文孔溢水报道是鉴别冻结壁交圈与否的一面镜子，水文孔未溢水报道，一般不允许井 筒开挖。但影响冻结井筒水文孔溢水报道的因素很多，要根据具体工程情况具体分析。总体 来说，首先应根据地层及工程条件，认真做好水文孔报道层位的设计，提倡水文孔单层报道 方案；另外应控制好冻结钻孔的偏斜和钻孔的施工质量，确保冻结壁能够按计划要求时间交 圈；再者是加强冻结信息化监测与分析，掌握冻结壁温度场的发展情况，预测冻结壁的交圈 时间，及时排除工程中可能出现的问题，保证井筒按时开工。

参考文献：

［1］ 赵怀固,林稚华,陆卫国.某矿立井冻结交圈分析与施工体会［J］. 西部探 矿工程，2005,106(3)：150-151.

［2］ 梁袁,赵久良,潘怀南.刘庄矿主井冻结水文观测孔异常出水处理［J］.煤 炭技术,2004,23(4):74-75.

［3］ 张五兵,张华.井筒冻结水文孔溢水的检测与分析［J］. 煤炭技术,2002,2 1(10):51-52.

［4］ 周晓敏,于兰.竖井冻结过程中渗流场变化的分析研究［J］.煤炭学报,200 1,26(2):142-144.

［5］ 姚直书,陈钧.水下冻结工程温度场物理模拟研究［J］.煤炭科学技术,200 6,34(10):55-58.

(责任编辑：何学华)