南疆地区修复井冻结壁开窗出水原因分析及修复施工关键技术

刘明根

（中煤特殊凿井有限责任公司，安徽淮北235044）

塔什店矿区一号矿井主立井工程设计深度742.5m，最初采用普通法凿井施工，已掘深345.3m，因工作面涌水量过大采用工作面预注浆封水，最终因水量过大而淹井停工。而后采用冻结法进行修复处理，冻结深度设计499m。

近些年我国采用普通法开凿井筒而出现淹井的事故越来越多，考虑到施工成本和建井周期的问题，在一些地质情况相对稳定的地区一般采取普通法凿井，这样做的好处是矿井建设周期快、投产快、见效益块。目前国内采用冻结法修复井最深的是甘肃的核桃峪风井916m，但是在新疆地区还无此案例。本项目涉及到修复井施工不同于中东部地区井筒，该地区的地下水流速、水量受季节性影响巨大，不能按照以往的设计思路来进行设计、施工，必须综合考虑当地的气候、水文地质等条件的影响，否则将会造成严重的后果。本工程就是探讨这一情况。

1 工程概况

塔什店矿区一号井主立井工程设计直径5.5m，现有井壁厚度0.85m，冻结段井壁厚度1.35m，冻结深度499m。

2 工程地质及水文地质

根据井筒检查孔揭露及地质报告描述，主立井井筒穿过地层有：第四系、新生界的第三系、侏罗系、中生界的三叠系，工程地质及水文地质条件主要如下：

（1）根据井筒已开挖段实际揭露地层显示，主立井第四系为连续厚度近100m的砾石层，砾石层松散、破碎、未固结，完整性及稳定性极差，为透水不含水地层，可广泛接收大气降水补给和春季溶雪渗入补给。

（2）第三系上新统葡萄沟组以泥岩为主，泥质胶结是良好的隔水层。其中主井已掘砌段揭露8层流砂含水层。

（3）第三系中新统—渐新统桃树园组砂砾岩层是矿井的主要含水层，该层厚度较大，固结较差，含水丰富，能够广泛接受上部含水层的补给。主、副井井筒施工进入该层位后出水量较大，副井最大峰值达到400m3/h。

（4）主井筒在采用普通法施工出水后，由于涌水涌砂，可能造成主要含水地层的地质条件发生变化。

3 井筒冻结设计

根据塔什店主立井井筒冻结工程招标文件提供冻结施工方案，井筒主要冻结技术参数见表1。

表1 主立井冻结主要技术参数表见

4 施工情况经过

主井井筒施工组织设计于开工前评审完毕，根据工期安排主井井筒冻结孔施工于1月23日开钻；同年5月1日冻结站充氨开机运转，至7月14日冻结75d，井筒进行试排水，7月22日排水清理井底淤泥，施工探水孔至23m流砂层时钻机无法继续钻进，15∶50左右探孔开始出水，回收第一根探水钻杆时出水量逐渐增大，平均出水量约为305m3/h。随后每小时出水量逐渐减小，至7月31日12∶00水位至井口下-96.05m，8月3日14：30水位至-86.66m，基本恢复至开机冻结前水位。

4.1 出水现象

井筒出水后，项目部对测温孔温度、冻结器运行温度、盐水液位、井筒水位等的变化进行密切监测、监控。发现在井筒北偏西38°位置的测2孔320～395m温度大幅回升，具体测温数据见表2，其他层位温度没有任何变化，初步判断320～395m冻结壁已经开窗破坏。

4.2 出水位置及范围确定

表2 测2孔320～395m温度变化表（℃）

根据测1、测2、测3每2h温度变化情况，对西半部、东半部冻结孔进行纵向温度监测，然后对所有冻结孔纵向温度测量及温度分析，筛选出重点部位，对重点怀疑部位的W17、W18、W19、W20、W29、W30冻结孔均进行二次测温。根据数据数据分析结果，冻结壁开窗破损位置确定在井筒北偏西27°的W29、W30号冻结孔位置，深度在350～375m，中心位置在365m左右。

4.3 出水原因排查

4.3.1 冻结孔施工

通过查看每个冻结孔施工原始资料，冻结孔施工深度、孔间距、冻结管施工质量、供液管施工质量均符合设计要求。冻结壁开窗出水深度的冻结孔孔间距设计值不大于2.7m，出水方位北偏西27°位置W29～W30号冻结孔最大孔间距为1.56m。

4.3.2 冻结施工情况

主井设计积极冻结期盐水温度：ty=-28℃～-32℃；冻结5d盐水温度降至0℃，15d盐水温度降到-20℃以下，降至-25℃时运转10d后尽快降温至-30℃以下。根据冻结站每天降温数据及冻结器运行数据分析，冻结站机组运行良好，且降温速度较快，超过设计要求，冻结器运行正常。

4.3.3 冻结壁状况

根据冻结盐水温度、测温孔温度、井筒水位变化、水文孔水位数据资料分析井筒排水前冻结壁已经全部交圈，且具有一定的厚度。

分析层位选取：选择具有代表性的层位进行冻结壁发展状况分析，根据井筒穿过地层的水文、地质条件及井筒实际情况选择表3列举的层位进行分析。

根据布置在冻结壁外侧的测1、测2孔温度监测数据保守分析，井筒冻结64d即可全部交圈，这与根据水文孔和井筒水位判断的交圈时间基本一致。按照最不利条件原则，分析水流上方冻土发展速度最慢的测2数据，计算350～375m层位探孔施工时W29～W30之间的冻结壁在1.6m以上，冻结壁平均温度约-5.5℃以下。

4.4 出水原因分析

通过以上出水原因排查分析，施工过程中各项技术参数和施工质量均符合设计要求，能够满足井筒施工需要。且井筒在排水、清理淤泥、施工探水孔时均未出水，说明冻结壁处于交圈封水状态，但探水钻孔施工至368m位置时冻结壁开窗出水。综合各种因素分析冻结壁开窗出水原因主要以下几项：

（1）350～375m地层是井筒主要含水层，普通法掘砌至345.3m时井筒出水，出水过程中原始地质条件发生变化，使原本复杂的地质情况变得更加复杂，且难于估判实际情况。使得在设计规定的冻结时间内，冻结壁形成的实际厚度和强度小于正常发展的数值，在W29、W30冻结孔区域的冻结壁未能抵抗外围水土压力，导致冻结壁被击穿开窗出水。

（2）350～375m含水层含水丰富，地质报告中没有明确水的流速值，通过测温监测数据虽然发现水流动对冻结有些影响，但受季节和外部不确定性因素影响地下水的实际流速过大，超出正常的预测，使得在设计规定的冻结时间内，冻结壁形成的实际质量小于正常发展的数值。在W29、W30冻结孔区域的冻结壁厚度和强度未能抵抗外围水土压力，导致冻结壁被击穿开窗出水。

表3 冻结壁分析层位表

（3）从周边3个井筒普通法施工出水深度、出水量及3条井筒的相对位置图对比分析，3个井筒的主要含水层和出水点虽然均为第三系中新统—渐新统桃树园组含水层，但3个井筒在该层段的水文、地质条件存在很大的差异，主井和副井的水文、地质条件比风井地质资料描述的更复杂。

（4）主井井筒设计抽水前冻结75d，通过冻结壁出水后资料和延长冻结时间后井筒顺利掘砌完冻结段分析，该井筒冻结方案设计的冻结时间短。

4.5 出水后的修复措施

主立井井筒冻结壁开窗出水后，施工人员及时采取应急预案，保证了冻结器的安全，较短时间内分析并排查出了冻结壁开窗破损位置，分析出了原因，制定了冻结壁快速修复方案并进行实施。

4.5.1 向井筒内灌水

井筒检查孔抽水试验出水段含水层静止水位深度为-86.3m，为了促进井筒内外水力快速平衡，向井筒内灌水，消除出水引起的水流动对冻结壁形成的影响。

4.5.2 进一步降低盐水温度

所有冻结器全部排查完毕后，冻结站进一步降低冻结盐水温度，实施强化冻结。

4.5.3 加强开窗位置冻结孔冻结

在W29、W30冻结器上安装管道泵，增大盐水流量，提高冻结效果。同时适当控制冻结壁完好部位的冻结孔的流量。

4.5.4 对开窗位置地层注浆

根据现场实际情况，在W29、W30号冻结孔界面外侧施工一个注浆孔，对冻结壁破损区域范围内地层进行注浆充填。

4.5.5 增加冻结加强孔

由于地层条件复杂，水流速过大，本着安全可靠的理念，为了降低水流的影响，增大冻结温度场影响范围，在W27、W28孔和W30、W31孔之间再分别施工2个深度390m左右的冻结孔。主要目的是：一是进一步探明冻结壁破损范围，加强该部位地层的冻结，扩大冻结壁修复范围。二是与注浆补孔、测2孔在冻结壁破损部位形成冻结面，改变原定单个注浆补孔的线状冻结为多个孔并排的面冻结，并能与原冻结孔产生群孔冻结效应，进一步加快该区域冻结壁的修复，提高修复后的冻结壁强度。

4.5.6 测2孔改为冻结孔

待测2孔原测温点和加密测温点温度全部下降到0℃以后，将测2孔改为冻结孔使用，加强W28、W29孔界面部位地层的冻结，扩大冻结温度场影响区域。

5 重新抽水及正常掘进

主井井筒出水后加强冻结146d后，通过测1、测2孔数据可以看出2个测温孔数据均达到0℃以下，经计算冻结圆柱直径至少达到2.6m，井筒已完全交圈形成闭环状态。井筒水位处于稳步缓慢上升状态且不断减小趋于平缓状态，井筒内部已经平衡。过后井筒连续进行了5次抽水试验，对监测数据综合分析，冻结壁的形成质量完全能够满足井筒掘砌需要，井筒可以进行正常抽水和掘砌施工。5月18日井筒安全顺利掘砌完冻结段。

6 结束语

该工程有别于中东部的修复矿井，地下水流速随季节变化而变化，要更好地掌握当地的气温、水文地质条件变化，在此基础上进行方案的优化，并在施工过程中要根据实际情况做好调整，解决施工中存在的关键技术难题，才能保证井筒未施工段的安全施工和以后有井壁的保护问题。