袁大滩主斜井井筒冻结治理方案

平永庆 于明跃 杨 鑫

(1.中煤邯郸特殊凿井有限公司，河北 邯郸 056003； 2.中国矿业大学力学与土木工程学院,江苏 徐州 221116)

人工冻结法在我国地下工程施工中的应用，经历了引进消化、探索改进、完善提高、创新攀高历程，经过工程技术人员的不懈努力以及科学研究人员的不停探索，形成了具有中国特色的冻结法理论与技术体系[1]。对于一些情况复杂的地下工程，人工冻结法是一种既环保又有效的施工方法[2]。在冻结施工过程中，对若干重要参数的现场监测，为适时掌握和控制施工过程提供了依据，是工程顺利施工的重要保证条件之一[3-5]。

1 工程概况

1.1 矿井概况

袁大滩主斜井倾角14°，净宽5 m，净高3.8 m，断面16.3 m2，井筒斜长1 281.241 m。

1.2 地质概况

井田地表全部被第四系松散层沉积物覆盖，沉积物大部分为黄色粉细砂，厚度90多米，地表水丰富，静水位为地表下1 m左右，基岩有多个含水层，矿井水文地质属于极复杂类型。

1.3 井筒问题概况

1.3.1主斜井井壁出水情况

主斜井表土段采用冻结法施工，在井筒结构冻结段施工已完成，冻结壁的自然解冻过程中，在工作面里程662 m，发现井筒320 m处左帮墙角与底板交界处涌水，由4个集中出水孔相连接的集中出水缝约5 m，即316 m～321 m，涌水量约为50 m3/h～60 m3/h，涌水中带沙，含砂率1/15；井筒右侧底板水沟302 m处有一集中出水孔，水量约为0.5 m3/h，涌水基本无沙；底板中部290 m～330 m有5 mm左右纵向裂缝。

1.3.2主斜井地面注浆封堵情况

主斜井井壁出水后，初步采用注浆法进行封堵。

注浆孔水平里程191.58 m～371.87 m，斜长里程197.45 m～383.25 m。注浆量为15 665 m3。注浆过程中掺入水重量的10%的工业盐以防止冻结壁的低温冻堵注浆管，工业盐总计加入340.69 t。

在注浆过程中，底板隆起里程为245 m～325 m，266 m处隆起高度达到1.8 m。自里程185 m起，斜井底板出现裂缝。185 m～220 m裂缝宽度很小，220 m～320 m裂缝宽度20 mm～30 mm。

注浆后，排水过程中发现在里程268 m处井壁右侧有出水现象，随后在里程260 m处发现底板有大量的泥沙往外涌淹井。

2 井筒治理冻结方案设计

注浆法进行封堵未能达到预期效果。针对此复杂工程条件，为有效解决井壁涌水溃沙问题，决定采用冻结法对井筒进行修复。

2.1 工程重难点及相应措施

2.1.1工程重难点

1)冻结范围大，帷幕交圈判断困难。

2)采用注浆法进行封堵处理时，水泥浆液中含有工业盐NaCl，导致地层条件发生重大变化，地层冰点降低，并且含盐地层中冻结壁的强度也会降低。

3)该井筒在冻结治理施工前，由于进行了大范围的注浆，导致井筒四周地层发生了变化，混入了大量的水泥浆，地层软硬不均匀，且井筒经过二次出水溃沙、地面塌陷，井壁外侧还存在空洞，为钻孔施工增加了难度。

4)在清理隧道时隧道内外存在水头差，随着深度增加，压差增大，风险增大。

2.1.2相应措施

1)分段冻结，在帷幕内外设置水位观测孔，通过测温孔、帷幕内外水位差及井筒内抽水来判断帷幕交圈情况。冻结帷幕内设置的排水孔兼做水文孔使用。

2)针对地层含盐进行土层含盐量冻结试验，得到相应含盐量的情况下冻土强度和冻结温度关系。并调大注盐段冻结孔冻结范围，使冻结孔布置远离并包围含盐区。该冻结治理工程冻结帷幕内设置的排水孔兼做清洗孔，在钻孔后通过洗孔方式尽量减少地层含盐量。

3)在施工过程中，要严格按照钻孔施工措施落实执行，严格控制钻进压力。遇到空洞时，向钻孔内充填粘土+细砂+水泥一定比例的拌合物，填满待固结后，用优质泥浆轻压、慢速钻进。塌孔时，坚持作好随起钻、随向钻孔灌泥浆的工作，钻具起完灌满泥浆。

4)冻结帷幕达到设计要求后，帷幕内设置排水孔，进行井筒内和帷幕内同时降水，将井筒内外水头差控制在5 m内。

综合考虑和分析以上工程重难点，给出以下冻结设计方案，进行井筒修复治理。

2.2 冻结方案设计

2.2.1冻结范围确定

根据井壁施工情况，确定冻结范围里程斜长82.671 m～458 m，水平距离80.215 m～444.395 m，冻结斜长375.329 m，水平长度364.180 m。

1)主斜井冻结深度起始标高以地面为±0.000 m，冻结段底板垂深21.496 m～109.803 m。采用在地面打垂直孔方案，帷幕孔162 m深入稳定基岩10 m。

2)设计积极冻结期盐水温度为-24 ℃～-28 ℃，维护期盐水温度-18 ℃～-20 ℃，各冻结期盐水流量不小于6.0 m3/h，根据井筒内壁施工情况和冻结发展状况，适时调整开机配比、盐水流量以及冻结孔运行数量。

2.2.3冻结壁厚度设计

1)现场取样进行冻土试验，数据见表1。

2)采用箱式帷幕冻结止水，冻结壁平均温度取-8 ℃，冻结壁厚度确定为2.5 m。

2.2.4钻孔布置设计

采用井壁两侧布置垂直孔及利用深部稳定基岩封底帷幕方案。按斜长分4段，斜长82.671 m～160 m第1段，160 m～294.634 m第2段，294.634 m～390 m第3段，390 m～458 m第4段。两侧帷幕垂直冻结孔垂深162 m，深入稳定基岩10 m。第1段，4段距离井壁2.8 m，两帮孔排间距12 m，孔间距1.469 m/1.476 m，第2段，3段位于含盐注浆区域，因此距离井壁6.5 m，两侧帮孔排间距19.4 m，孔间距1.361 m。在第2段斜长230 m～280 m和第3段310 m～330 m井筒透水里程范围布置4排封顶封帮孔，排间距2.8 m。侧帮距离井壁1 m，两侧孔深入底板5 m，孔间距1.617 m。封顶终孔距离井壁顶板1.0 m，孔间距2.109 m/2.156 m。过渡段斜长88.889 m往浅部6 m，斜长453.878 m往深部4 m，各布置封顶封帮孔，排间距2 m，孔间距2 m，封顶孔距顶板1.0 m，两侧封帮孔深入底板5 m。

式中：V为稀释提取液的体积（mL）；N为稀释倍数；C为按标准曲线计算的溶液的总黄酮浓度（mg/mL）；m为样品的质量（mg）。

测温孔共布置19个，在侧帮孔外侧1.5 m处，间隔15 m～20 m，深度162 m。

在井壁与侧帮孔之间布置排水孔38个，距离冻结孔不小于2.0 m，其中第2段，3段的兼做地层稀释孔，距原注浆孔不小于1.4 m，第1段，4段深入最深底板10 m，间隔30 m～20 m 1个，第2段，3段较注浆孔深6 m即深入最深底板16 m，间隔15 m 1个。

在分段处布置封头封尾孔，孔间距2 m，共有12个孔穿过井筒。

3 施工监测

井筒修复各冻结段运行情况如下：

第1段：2016年6月13日开冻，2017年2月24日暂时停冻，3月19日～3月25日、5月14日～5月27日连续两次运转后，最终于5月27日停冻，累计运转349 d。

第2段：2016年8月5日开冻，2018年1月21日停冻，累计运转535 d。

第3段：2016年10月12日开冻，2018年3月24日停冻，累计运转539 d。

第4段：2017年1月5日开冻，2018年3月24日停冻，累计运转431 d。在整个冻结期间进行了多方位监测，现以第一段为例介绍监测情况。

3.1 测温孔降温情况

测温孔一各深度整体温度呈均匀下降趋势，温度发展情况如图1所示。

3.2 地面沉降监测

冻结期间，对帷幕内外的地面沉降也进行了监测，部分监测情况如下。

1)封外沉降发展情况见图2。

2)封内沉降发展情况见图3。

3.3 水文孔水位监测

冻结期间进行了帷幕内水位监测来辅助判断帷幕内交圈情况，部分监测情况如图4所示。

3.4 井筒内沉降监测

冻结期间进行了井筒沉降监测，测点沉降监测数据如图5所示。

4 结论

本文介绍了针对袁大滩主斜井井筒井壁出水溃沙的情况，采用冻结法进行井壁治理和修复的具体方法和措施，得出了以下施工要点：

1)对于含盐地层进行冻结设计时，要进行相应的冻土强度试验，增大注盐段冻结孔间距，使冻结孔布置远离并包围含盐区。

2)对于穿井壁冻结孔的施工需要专门施工方案和配比试验保证钻孔质量和冻结效果。

3)针对水文孔受冻土影响、结冰而无法正常使用的问题，根据冻结器循环原理，采用热水进行热循环。

4)对于复杂工程采取多种监测手段对冻结帷幕内外和井筒内外进行监测，并通过信息化监测指导施工。