李国鑫
(大同煤矿集团有限责任公司,山西 大同 037000)
长期以来,煤炭一直是我国的主体消费能源[1-2],随着煤炭开采强度和需求的不断增加,赋存条件较好的煤炭资源已经不足以满足国家的经济发展需求,因此,必须在一些水文地质条件复杂的、富含丰富煤炭资源的煤田建立新矿井。在新矿井的建设中,常常会遇到复杂地层,比如在淮南淮北矿区、兖州矿区、开滦矿区等地方建设矿井时,经常遇到几十米到上百米的表土层,表土层内含有多层流沙,涌水量较大,给井筒施工带来了严峻考验[3-4]。冻结施工技术具有适应性强、施工速度快、质量高等优点,是我国凿井施工的首选技术。冻结法施工预先在含水岩层中施工钻孔,并铺设钢管,在钢管内导入循环的液氮,加剧钢管周边的岩层冻结,以形成一层具有足够强度的冻土层壳,强度达5~10 MPa,可有效隔绝地下流沙和涌水,尤其适用于松散、含水、不稳定岩层凿井[5-6]。
东周窑矿设计年产量1000万t,井田地处山西黄土高原向内蒙古高原的过渡地带,属晋西北低山丘陵区,为黄土丘陵地貌,地形起伏不大,冲沟发育,地势南高北低,一般海拔标高1300~1500 m。矿井计划布置主斜井、副斜井、副立井及中央回风立井四个井筒。其中,主斜井布置于矿井工业场地东北约300 m处的选煤厂内,井筒倾角16°,净宽5.0 m,净断面16.6 m2,井口标高+1 335.50 m,落底于主采5号煤层,井底标高+866.0 m,斜长1 703.3 m。依据矿井水文地质资料,主斜井井筒在穿透表土层期间将穿过第四系松散含水层、碎屑岩含水层、岩溶裂隙含水层、风化壳含水层,需采用冻结施工技术。
(1)第四系松散含水层。位于河床漫滩及两岸一、二级阶地区,厚度为0.6~11.31 m。含水层由砂土,砾砂等组成,透水性较强,单位涌水量为1.21~2.47 L/s·m。
(2)碎屑岩含水层。岩性为中、粗砂岩、含砾粗砂岩,含水微弱,富水性差。其中侏罗系大同组可采煤层已普遍开采,开采中矿井排水改变了地下水的补给排条件,天然流场发生了改变。
(3)岩溶裂隙含水层。为富水程度极不均匀的承压含水层,在岩溶裂隙发育地带,富水性极好。
(4)风化壳含水层。不分地层时代而与地形相关,接近地表30 m之内,岩石呈强风化—微风化,风化裂隙发育,岩石破碎,易接受大气降水补给和地表径流补给,靠近河岸,含水性中等,单位涌水量一般在0.03~1.88 L/s·m。
由于主斜井井筒掘进断面大,斜长较长,技术难度相对较大,加之岩层地下水丰富,与地表水有直接联系,因此,解决好东周窑矿表土层是冻结施工技术的关键所在。主斜井表土段采用冻结施工技术,基岩段采用普通施工方法。表土段施工参数见表1。
表1 表土段施工参数
主斜井133.4~421.75 m段采用冻结施工技术,根据井筒断面与地质资料,设计采用分段钻孔、分段冻结的方法进行施工,保证钻孔、冻结、掘进、砌碹等工序连续。设计每60 m为一段,共计5段。第1段冻结30 d后第2段开始冻结,冻结60 d后第1段开始施工,依次完成5段冻结施工。共设计5排冻结钢管,778个冻结钻孔,33个温度测量钻孔,钻井量共计71 800.89 m。具体冻结施工技术参数如表2。
表2 表土段冻结参数
(1)在地面施工垂直钻孔,钻孔由浅入深。边排孔最浅、最深深度分别为41.554 m、122.289 m,中排孔最浅、最深深度分别为41.554 m、122.449 m。其中,中排孔穿过井筒断面,穿过井筒区域的钢管应进行必要的隔热保温措施。
(2)冻结期盐水温度设计为-30~ -32 ℃,井筒顶板冻结岩层平均温度设计-10 ℃,两帮和底板设计-8 ℃。
(3)井筒顶板冻结岩层厚度设计为8.0 m,两帮冻结岩层厚度设计为2.5 m,底板冻结岩层厚度设计为5.0 m。
(4)井筒顶板冻结采用Φ89 mm×5 mm无缝钢管,底板冻结采用Φ133 mm×5 mm无缝钢管,两者之间采用变径管相连。
冻结施工技术应用后,及时进行了现场监测,主要包括冻结状态信息和井筒变形监测。冻结状态信息主要采用盐水系统监测,同时还监测了筒壁冻结岩层的温度;井筒变形监测主要监测了顶底板及两帮的变形收敛情况。
现场盐水系统监测反馈,冻结技术施工过程中,系统运转良好,各钻孔盐水循环正常。图1给出了某一冻结基站盐水温度变化曲线。如图所示,盐水系统中去路温度-25 ℃,与回路温差1 ℃,表明该区段表土层已形成基本冻土层,每增加一路冻结钻孔,温度略微增加,后期盐水温度大概保持在18~20 ℃之间。图2给出了某一侧孔筒壁冻结岩层的温度变化曲线。如图所示,侧孔附近的岩层温度在0 ℃左右,具备良好的开挖条件。同时,现场开挖显示,筒壁岩层冻结效果良好,未出现漏水现象。
图1 冻结基站盐水温度变化曲线
图2 测孔筒壁岩层温度变化曲线
图3和图4分别给出了井筒掘进后顶底板和两帮的变形曲线。
图3 井筒顶底板变形曲线
图4 井筒两帮变形曲线
由图可知,顶底板变形主要发生在开掘35 d内,最大变形量约7.3 mm。变形初期(0~6 d),变形速度相对最大,约0.67 mm/d;变形中期(6~15 d),变形速度减缓,约0.45 mm/d;变形后期(25 d后),变形趋于稳定。两帮变形主要发生在开掘30 d内,最大变形量约23 mm,同比顶底板变形有明显增加,但其稳定时间有所减小。变形初期(0~12 d),变形速度相对最大,约2.2 mm/d;变形中后期(12~20 d),变形速度相对减缓,约0.38 mm/d。
东周窑矿主斜井穿过富水岩层采用冻结施工技术,设计了冻结施工技术与参数,并进行了现场应用与监测。钻孔盐水系统温度、筒壁冻结岩层温度、井筒变形等监测结果表明,筒壁岩层冻结效果良好,井筒变形在允许范围内,验证了富水表土层井筒冻结施工技术与参数的合理性和可靠性,为富水表土层井筒施工提供参考。