西部白垩系地层冻结设计基本参数的选取

林波

（中煤邯郸特殊凿井有限公司，河北 邯郸 056003）

1 概况

国家经济与社会发展对矿产资源的需求，促使我国矿产资源的开发与利用从浅埋向超千米埋深挺进，从中部、东部地区为主，转向西部地区拓展。陕西北部、内蒙鄂尔多斯地区，该地区所揭露的主要地层为第四系、白垩系及侏罗系地层，第四系表土较浅，一般为50 m 左右，矿井穿过的大部分地层是白垩系、侏罗系地层。

第四系为风积砂，形成平缓沙地、新月形沙丘或不规则状沙丘等地貌形态，地形较为平缓。岩性以粉细沙为主，分选性好，磨圆度中等，且富含水。白垩系地层砂质泥岩及砂岩具有软弱不稳定岩石、水化、风化的特点，且其中的洛河组富含水、岩层饱水单轴抗压强度较高。岩性单一，为紫红色、砖红色块状中粒长石砂岩和细粒长石砂相间成层。矿物成分以石英、长石为主，泥质胶结，发育巨型楔状交错层理，局部为块状层理。据钻孔资料，洛河组上部30～40 m 岩石风化，紫红色，主要成分为石英、长石，分选性差，次棱角状，泥质胶结，水平及斜层理，含少量白云母碎片，手易搓碾呈粉末，轻敲易断裂，与下覆侏罗系安定组为平行不整合接触。该地域的主要充水途径为松散砂层孔隙和岩层中发育的风化裂隙及构造节理裂隙和粗颗粒岩层的孔隙。以围岩孔隙涌水和裂隙涌水为主要充水方式。各充水层以水平透水、汇水为特征，随着井筒的垂直向下延伸，水位（水头） 压力不断增大，井筒围岩渗水面压力增大，引起软岩段充水通道松弛，导水裂隙易张裂掉块，发生充水相对集中状况。

基于西部白垩系地层特点，该地区的井筒建设多采用冻结法施工。冻结的主要任务是封水，以使井筒可安全掘砌施工，冻结孔的布置为单圈孔冻全深，即主冻结孔；并依据冲积层的深度设置防片帮孔，采用主冻结孔辅以防片帮孔的冻结方式。

2 工程统计

对近年已顺利竣工的冻结工程资料进行了收集、整理，统计的井筒净径从6.00 m 至10.00 m，井筒深度多在500 m 以上，其范围涵盖了主井、副井及风井，冻结深度最深为802 m，立井冻结工程详见表1。

表1 西部白垩系地层立井冻结工程统计Table 1 Statistics of shaft freezing engineering of the Cretaceous strata of Western China

3 冻结设计基本参数的选取

3.1 冻结壁厚度的选取

冻结壁是冻结法凿井的中心环节，是岩层冷冻效果的集中体现。针对以上冻结工程，冻结壁厚度与冻结深度的关系如图1所示。

图1 冻结壁厚度与冻结深度的散点图Fig.1 Scatter plot of freezing wall thickness and freezing depth

可看出冻结壁厚度与冻结深度存在相应的线性关系，即冻结壁厚度随冻结深度的延伸增加，其关系可用回归拟合公式表示。

式中：E 为冻结壁厚度，m；H 为冻结深度，m。

参照冻结深度选取冻结壁厚度。冻结深度在300～650 m，冻结壁厚度可在3.30～3.80 m 选取；冻结深度在650 m 以下，冻结壁厚度可在4.50～4.80 m 选取。

3.2 主孔设计圈径的选取

主冻结孔的布置圈径直接影响冻结壁的厚度及强度，确保合理的井帮温度分布，提高冻结调控效果，使冻结方案与掘砌工程有机结合，为冻结段安全快速施工和降低工程造价创造有利条件。主冻结孔的布置圈径，即主孔距最大荒径距离，两者的线性关系如图2所示。

图2 主孔设计圈径与主孔最大荒径的散点图Fig.2 Scatter plot of main hole design circle diameter and maximum diameter of main hole

可看出主孔设计圈径与主孔最大荒径存在相应的线性关系，其线性关系可用回归拟合公式表示。

式中：D0为主孔设计圈径，m；En为主孔距最大荒径距离，m。

参照井筒最大荒径选取主孔设计圈径。主孔距最大荒径为2.10～2.20 m，主孔设计圈径可布置在15 m 以内；主孔距最大荒径为2.40～3.80 m，主孔设计圈径可布置在15～21 m。

3.3 主孔开孔间距的选取

主冻结孔的开孔间距存在2 个方面，孔数多，则开孔间距小，如过小，会增加打钻的工程量，也可能打穿相邻的冻结管；反之，开孔间距增大，如偏斜过大，可能使终孔间距过大，将延长冻结时间，甚至使冻结困难，需重新钻孔或增打补孔。

对主冻结孔的开孔间距做出统计（图3），可看出平均值为1.333 m，故宜选取＜1.35 m 的数值作为开孔间距。

图3 主孔开孔孔间距的汇总Fig.3 Hole spacing summary of main hole

其次考虑主冻结孔的开孔间距对水文孔冒水时间的影响，依据以上已完工程的统计，绘制主孔开孔间距与水文孔冒水时间的散点图（图4）。

图4 主孔开孔间距与水文孔冒水时间的散点图Fig.4 Scatter plot of opening spacing of main holeand flooding time of hydrological hole

回归拟合公式可为：

式中：Ls为主孔开孔间距，m；Tf为水文孔冒水时间，d。

参照以上图形，可统计出：水文孔的冒水时间在40 d 以内，主孔开孔间距可设计在1.325 m 以内；水文孔的冒水时间在55 d 以内，主孔开孔间距可设计在1.370～1.390 m。

3.4 防孔距荒径的选取

考虑井筒在掘砌过程中易片帮，故防片帮孔的布置位置至关重要。防孔距荒径的距离多设置在1.20 m，防孔开孔孔间距在2.30～2.55 m，以确保井筒在开挖初期不片帮。其图形如图5所示。

图5 防孔距荒径与防孔设计孔间距的散点图Fig.5 Scatter plot of anti-hole distance and anti-hole design hole spacing

3.5 冻结壁交圈时间的选取

冻结壁的交圈时间直接影响积极冻结期的时间，即机器运转费用。水文孔的花管层位多布设在第四系及白垩系洛河组中。水文孔冒水时间与水文孔深度的散点图如图6所示。

图6 水文孔冒水时间与水文孔深度的散点图Fig.6 Scatter plot of flooding time and depth of hydrologic hole

回归拟合公式可为：

式中：Hs为水文孔深度，m。

参照上图，可统计出200 m 以上水文孔的冒水时间多在40 d 内，即冻结壁交圈时间。

水文孔冒水时间与含水层最大孔间距的散点图如图7所示。

图7 水文孔冒水时间与含水层最大孔间距的散点图Fig.7 Scatter plot of water discharge time of hydrological hole and maximum hole spacing of aquifer

据上图，回归拟合公式可为：

式中：L 为含水层最大孔间距，m。

另可看出含水层的最大孔间距宜在2.00 m 以内，可确保冻结壁的交圈时间在40 d 内。

3.6 钻机效率的选取

依据冻结深度与钻机台月效率绘制图8。

图8 钻机效率与冻结深度的散点图Fig.8 Scatter plot of drilling efficiency and freezing depth

据上图，可看出钻机施工平均台月为1700m/月。

回归拟合公式可为：

式中：η 为钻机效率，m/月。

4 结论

（1） 主冻结孔开孔间距平均在1.333 m，防片帮孔开孔间距平均在2.426 m，浅水文孔的冒水时间平均在37 d。

（2） 各设计参数均存在线性关系，但不能单一的看某一项数值，应全面考量后，方可确定各参数。

（3） 西部白垩系地层冻结设计一般以封水为设计原则。

（4） 依据水文孔冒水时间及含水层的最大孔间距，冻土圆柱发展速度平均为27 mm/d。

（5） 冻结管的管径宜选取大于140 mm 管，以确保冻结壁的有效形成。