凍結(jié)法鑿井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題探討

賈成剛

凍結(jié)法鑿井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題探討

賈成剛

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430064)

在采用凍結(jié)法施工井筒的過程中，井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素是造成井筒施工出現(xiàn)問題的原因之一，本文結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分析了影響凍結(jié)法鑿井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，闡述了井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮的因素，給出了井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思路，在施工過程中避免了由于設(shè)計(jì)的缺陷造成井筒施工問題，具有參考價(jià)值。

凍結(jié)法鑿井;凍結(jié)深度;井壁結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

凍結(jié)法鑿井是國內(nèi)施工穿越不穩(wěn)定深厚沖積層井筒時(shí)最常用的一種工法，目前，國內(nèi)采用凍結(jié)法施工的井筒穿越最厚的沖積層為587 m，最大凍結(jié)深度800 m。盡管我國凍結(jié)法鑿井技術(shù)已經(jīng)比較成熟，凍結(jié)法工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)均達(dá)到了國際先進(jìn)水平。但是由于該工法的復(fù)雜性以及地層的不確定性，采用凍結(jié)法施工的井筒仍然存在一些問題。如一些井筒在建井過程中井壁破裂或在投入使用后井壁下沉撕裂，帶來了安全問題和經(jīng)濟(jì)損失。這些問題的出現(xiàn)可能是由于多種原因造成的，但在井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一定要對(duì)各影響因素考慮周全，避免由于設(shè)計(jì)的缺陷導(dǎo)致井筒施工出現(xiàn)問題。本文結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，就凍結(jié)法鑿井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行探討分析。

1 井筒凍結(jié)深度的確定

立井井筒的凍結(jié)深度應(yīng)根據(jù)地層埋藏條件及井筒掘砌深度確定，并深入穩(wěn)定的不透水基巖10 m以上，當(dāng)基巖段涌水量較大時(shí)，必須延長凍結(jié)深度。但由于國內(nèi)不同地區(qū)地層情況有別，在井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體過程中，還需要考慮以下幾個(gè)影響凍結(jié)深度確定的因素：

1.1 地層差異對(duì)凍結(jié)深度的影響

隨著我國西部地區(qū)礦區(qū)的開發(fā)建設(shè)，越來越多的井筒采用凍結(jié)法施工。我國西部地區(qū)由于成煤較晚，地層年代較新，含煤地層多數(shù)為侏羅系地層或者白堊系地層，不同于我國東部地區(qū)。這些地層普遍為不穩(wěn)定的軟弱巖層，尤其是遇到含有膨脹性的泥質(zhì)類巖層時(shí)，凍結(jié)壓力往往會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)井壁發(fā)生破壞變形。在這些地層中確定凍結(jié)深度時(shí)，井筒凍結(jié)深度不宜確定過淺。一般來說，當(dāng)設(shè)計(jì)的井筒穿過白堊系地層和侏羅系地層時(shí)，井筒凍結(jié)深度要凍結(jié)至侏羅系地層，并根據(jù)侏羅系地層巖層情況，選擇合理的凍結(jié)層位。

1.2 壁座設(shè)置層位對(duì)凍結(jié)深度的影響

采用凍結(jié)法技術(shù)施工的井筒掘砌底部需要將一定高度的內(nèi)、外層井壁整體澆筑作為壁座。由于壁座位于凍結(jié)段底部，因此，壁座設(shè)置層位對(duì)凍結(jié)深度也有影響。由于壁座是由下部臺(tái)階圍巖的承載力和其側(cè)面圍巖與壁座外緣混凝土的粘結(jié)力來承載，因此，壁座必須選擇在圍巖條件較好的層位，以承托壁座上部井壁的重量，壁座層位選擇好后，再根據(jù)其下部巖層含水量情況確定合適的凍結(jié)深度。

1.3 井筒開口巷道對(duì)凍結(jié)深度的影響

根據(jù)凍結(jié)法鑿井施工經(jīng)驗(yàn)，采用凍結(jié)法施工的井筒其凍結(jié)深度最好不穿過井筒上開口的大斷面硐室(如主井箕斗裝載硐室、副井馬頭門)，這是由于大斷面硐室施工時(shí)對(duì)于穿硐室的凍結(jié)管的處理非常復(fù)雜，若處理不當(dāng)，井筒解凍后涌水會(huì)經(jīng)過凍結(jié)管與地層之間的環(huán)形空間進(jìn)入井筒，即使采用封堵注漿等措施，但受井下施工條件限制，難以檢驗(yàn)封堵效果，當(dāng)硐室上部的水壓達(dá)到一定程度后硐室會(huì)承受相當(dāng)大的荷載，進(jìn)而對(duì)開口巷道或硐室造成破壞，使得巷道支護(hù)問題處理起來非常困難。因此，井筒的凍結(jié)深度也應(yīng)該考慮到這些因素。

2 井壁所受荷載及井壁厚度的確定

2.1 井壁徑向荷載

目前，我國凍結(jié)法施工井筒以采用雙層井壁結(jié)構(gòu)為主，并在內(nèi)、外層井壁之間鋪設(shè)塑料夾層的井壁結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于雙層井壁結(jié)構(gòu)形式的井筒，其內(nèi)層井壁荷載按靜水壓力計(jì)算，外層井壁荷載按承受凍結(jié)壓力計(jì)算，全井筒按水土壓力校核并考慮負(fù)摩擦力作用。

1)內(nèi)層井壁荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

式中：

Pn，k—內(nèi)層井壁所承受的荷載標(biāo)準(zhǔn)值，MPa;

kz—荷載折減系數(shù)，一般取 0.81 ～1.00;

H—計(jì)算處井筒深度;

0.01 —水的似重力密度，MN/m3。

2)外層井壁荷載。

外層井壁承受凍結(jié)壓力，凍結(jié)壓力由土層的原始應(yīng)力、土層中水結(jié)冰時(shí)體積膨脹、黏土吸濕后體積膨脹以及凍土的蠕變等因素形成。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，不同地區(qū)、同樣深度的土層凍結(jié)壓力存在一定的差別。就目前我國施工的凍結(jié)井筒來看，井筒在施工過程中井壁破壞往往是由于對(duì)凍結(jié)壓力估計(jì)不足而造成的。凍結(jié)壓力目前尚無準(zhǔn)確的計(jì)算公式，但在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于沖積層段尤其是黏土層的凍結(jié)壓力可參考表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行取值。

表1 不同深度黏土層的凍結(jié)壓力標(biāo)準(zhǔn)值

在以基巖為主的凍結(jié)地層中，凍結(jié)壓力相對(duì)較小，一般來說，外層井壁只要滿足厚壁圓筒理論(即t＜r/10，t為井壁厚度，r為井筒半徑)的構(gòu)造厚度即可。但對(duì)于一些成巖較差的地層如白堊系地層，該地層屬不穩(wěn)定地層，其凍結(jié)壓力不同于一般基巖凍結(jié)，因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)部分特殊基巖地層有區(qū)別的對(duì)待。

3)內(nèi)、外層井壁整體所受徑向荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

內(nèi)、外層井壁整體受力校核時(shí)，需要考慮均勻荷載和不均勻荷載兩種情況。

a)均勻荷載標(biāo)準(zhǔn)值公式如下：

Pk=0.013H，MPa;

式中：

H—計(jì)算處井筒深度，m。

b)不均勻荷載標(biāo)準(zhǔn)值公式如下：

式中：

βt—沖積層不均勻荷載系數(shù)，凍結(jié)法鑿井時(shí)，βt=0.2 ～0.3。

2.2 井壁厚度確定

凍結(jié)法鑿井井筒的井壁厚度按下式初步擬定后，尚需進(jìn)行各種應(yīng)力校核。

混凝土井壁：fs=0.85fc

式中：

t—井壁厚度，m;

rn—計(jì)算處井壁內(nèi)半徑，m;

fs—井壁材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MN/m2;

fc—混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MN/m2;

Pk—計(jì)算處作用在井壁上的設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，MPa;

P—計(jì)算處作用在井壁上的設(shè)計(jì)荷載計(jì)算值，MPa;

ρmin—井壁圓環(huán)截面的最小配筋率，全截面配筋率不應(yīng)小于0.4%，當(dāng)采用HRB400級(jí)、RPB400級(jí)鋼筋時(shí)，配筋率不應(yīng)小于0.3%;當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60及以上時(shí)，配筋率不應(yīng)小于0.5%;

νk—結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，均勻水土壓力 νk=1.35，靜水壓力 νk=1.35，凍土壓力 νk=1.05。

3 其它應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素

3.1 混凝土的選用

目前，我國應(yīng)用于凍結(jié)井壁工程的混凝土最高強(qiáng)度等級(jí)為C80。在井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于特厚沖積層凍結(jié)井壁，一般在井筒深部采用高強(qiáng)度混凝土，一方面是為減少井壁支護(hù)厚度，避免大體積混凝土由于水化熱帶來的混凝土自身的養(yǎng)護(hù)問題而導(dǎo)致混凝土達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度;另一方面是由于地區(qū)不同，可配制最高混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同。為此，高強(qiáng)度混凝土的選擇要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合確定。

3.2 井壁分段的選擇

從工程量和施工角度來說，井壁分段少，根據(jù)荷載計(jì)算，會(huì)形成較大的支護(hù)強(qiáng)度富余，必然導(dǎo)致井筒掘砌工程量增加;井壁分段多，尤其是內(nèi)層井壁分段多，外層井壁施工模板制作多，施工進(jìn)度降低。

從井壁分段與巖性、荷載關(guān)系來看，井壁分段少，分段處上下井壁厚度必然相差較大，造成分段處井壁應(yīng)力集中，因此，井壁分段處最好選擇在巖層力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較好或不透水巖層的位置。一是盡量減少應(yīng)力集中的問題，二是降低井筒解凍后涌水從變斷面處透入井筒的問題。

根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般將井壁每150 m左右分為一段，分段處的上、下井壁總厚度之差控制在300 mm為宜。

3.3 泡沫板、塑料夾層的敷設(shè)

在沖積地層的外層井壁與凍結(jié)壁間輔設(shè)聚苯乙烯泡沫塑料板，可有效防止膨脹性土層迅速增長的初期凍結(jié)壓力對(duì)井壁的破壞，起到緩卸壓作用。泡沫塑料板鋪設(shè)的厚度與井幫位移速度有關(guān)。泡沫塑料板厚度選擇過大，可能出現(xiàn)的問題是井幫位移過小，導(dǎo)致井幫與井壁接觸不實(shí)，井壁摩擦力小，井壁可能發(fā)生下沉。泡沫塑料板厚度選擇過小，則在有膨脹性的黏土中井筒開挖后迅速增長的井幫變形壓力使得澆筑的混凝土在達(dá)不到最終強(qiáng)度的情況下井壁發(fā)生破壞。因此，井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)認(rèn)真分析各巖層情況，確保選擇的泡沫塑料板厚度適應(yīng)巖層變形情況。

在內(nèi)、外層井壁之間鋪設(shè)塑料夾層的目的是：內(nèi)、外層井壁可以較為自由地做相對(duì)位移，避免因溫差過大而產(chǎn)生溫度應(yīng)力并拉裂井壁。

3.4 凍結(jié)管穿馬頭門、硐室、巷道的處理措施

在凍結(jié)管穿過井筒開口相關(guān)巷道或硐室時(shí)，若不采取相關(guān)措施封堵凍結(jié)管與地層之間的環(huán)形空間，那么井筒解凍后涌水會(huì)經(jīng)過凍結(jié)管與地層之間的環(huán)形空間進(jìn)入井筒。穿過馬頭門、硐室、巷道的凍結(jié)管與地層之間的環(huán)形空間充填長度自馬頭門、硐室、巷道頂板向上不應(yīng)小于100 m。

3.5 壁間注漿

理論研究和工程測(cè)試發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)井內(nèi)壁套壁結(jié)束后一段時(shí)間，內(nèi)、外層井壁壁間處于正溫狀態(tài)，能夠?qū)嵤┧芰蠆A層壁間注漿，充填井壁間隙、裂縫，提高井壁密實(shí)度和整體強(qiáng)度，可有效防止凍結(jié)壁解凍后涌水大量進(jìn)入塑料夾層壁間，降低壁間靜水壓力，減少內(nèi)壁承載力。井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要注意內(nèi)壁套壁結(jié)束后凍土解凍初期即進(jìn)行壁內(nèi)注漿。

4 結(jié)語

通過以上對(duì)凍結(jié)法鑿井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題分析，在具體的設(shè)計(jì)過程中，只要通過科學(xué)的計(jì)算校核，并注意考慮各種因素對(duì)凍結(jié)井筒井壁產(chǎn)生的影響，理論聯(lián)系實(shí)際，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，就能保證凍結(jié)井筒井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確合理性，為井筒安全施工打下可靠的基礎(chǔ)。

［1］ 李現(xiàn)春，林鴻苞.煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2007：25－27.

［2］ 蒲耀年.煤礦井巷工程施工規(guī)范［S］.北京：人民出版社，2011：38－40.

［3］ 張榮立，何國緯.采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2003：157－159.

Key Problems on Shaftlining Structure Design of Freeze Sinking Method

Jia Cheng－gang

In the process of the shaft construction by using the freezing method，shaftlining structure design factors are one of the reasons which caused the problems of the shaft construction.This paper combines the design experience，analyzes the key problems of impacting shaftlining structure design of freeze sinking method，expounds the factors to be considered in the design process of shaftlining structure，and gives the guiding thought of shaftlining structure design，in construction process avoids the design defects caused shaft construction problems，have the reference value.

Freeze sinking method;Frozen depth;Shaftlining structure;Design

TD262.1

A

1672－0652(2012)07－0013－03

2012－06－13

賈成剛(1978—)，男，河北邯鄲人，2002年畢業(yè)于河北建筑科技學(xué)院，工程師，主要從事采礦設(shè)計(jì)與研究、項(xiàng)目管理等工作(E －mail)zsh0201@163.com