西部白堊系地層凍結設計基本參數的選取

林波

（中煤邯鄲特殊鑿井有限公司，河北 邯鄲 056003）

1 概況

國家經濟與社會發展對礦產資源的需求，促使我國礦產資源的開發與利用從淺埋向超千米埋深挺進，從中部、東部地區為主，轉向西部地區拓展。陜西北部、內蒙鄂爾多斯地區，該地區所揭露的主要地層為第四系、白堊系及侏羅系地層，第四系表土較淺，一般為50 m 左右，礦井穿過的大部分地層是白堊系、侏羅系地層。

第四系為風積砂，形成平緩沙地、新月形沙丘或不規則狀沙丘等地貌形態，地形較為平緩。巖性以粉細沙為主，分選性好，磨圓度中等，且富含水。白堊系地層砂質泥巖及砂巖具有軟弱不穩定巖石、水化、風化的特點，且其中的洛河組富含水、巖層飽水單軸抗壓強度較高。巖性單一，為紫紅色、磚紅色塊狀中粒長石砂巖和細粒長石砂相間成層。礦物成分以石英、長石為主，泥質膠結，發育巨型楔狀交錯層理，局部為塊狀層理。據鉆孔資料，洛河組上部30～40 m 巖石風化，紫紅色，主要成分為石英、長石，分選性差，次棱角狀，泥質膠結，水平及斜層理，含少量白云母碎片，手易搓碾呈粉末，輕敲易斷裂，與下覆侏羅系安定組為平行不整合接觸。該地域的主要充水途徑為松散砂層孔隙和巖層中發育的風化裂隙及構造節理裂隙和粗顆粒巖層的孔隙。以圍巖孔隙涌水和裂隙涌水為主要充水方式。各充水層以水平透水、匯水為特征，隨著井筒的垂直向下延伸，水位（水頭） 壓力不斷增大，井筒圍巖滲水面壓力增大，引起軟巖段充水通道松弛，導水裂隙易張裂掉塊，發生充水相對集中狀況。

基于西部白堊系地層特點，該地區的井筒建設多采用凍結法施工。凍結的主要任務是封水，以使井筒可安全掘砌施工，凍結孔的布置為單圈孔凍全深，即主凍結孔；并依據沖積層的深度設置防片幫孔，采用主凍結孔輔以防片幫孔的凍結方式。

2 工程統計

對近年已順利竣工的凍結工程資料進行了收集、整理，統計的井筒凈徑從6.00 m 至10.00 m，井筒深度多在500 m 以上，其范圍涵蓋了主井、副井及風井，凍結深度最深為802 m，立井凍結工程詳見表1。

表1 西部白堊系地層立井凍結工程統計Table 1 Statistics of shaft freezing engineering of the Cretaceous strata of Western China

3 凍結設計基本參數的選取

3.1 凍結壁厚度的選取

凍結壁是凍結法鑿井的中心環節，是巖層冷凍效果的集中體現。針對以上凍結工程，凍結壁厚度與凍結深度的關系如圖1所示。

圖1 凍結壁厚度與凍結深度的散點圖Fig.1 Scatter plot of freezing wall thickness and freezing depth

可看出凍結壁厚度與凍結深度存在相應的線性關系，即凍結壁厚度隨凍結深度的延伸增加，其關系可用回歸擬合公式表示。

式中：E 為凍結壁厚度，m；H 為凍結深度，m。

參照凍結深度選取凍結壁厚度。凍結深度在300～650 m，凍結壁厚度可在3.30～3.80 m 選取；凍結深度在650 m 以下，凍結壁厚度可在4.50～4.80 m 選取。

3.2 主孔設計圈徑的選取

主凍結孔的布置圈徑直接影響凍結壁的厚度及強度，確保合理的井幫溫度分布，提高凍結調控效果，使凍結方案與掘砌工程有機結合，為凍結段安全快速施工和降低工程造價創造有利條件。主凍結孔的布置圈徑，即主孔距最大荒徑距離，兩者的線性關系如圖2所示。

圖2 主孔設計圈徑與主孔最大荒徑的散點圖Fig.2 Scatter plot of main hole design circle diameter and maximum diameter of main hole

可看出主孔設計圈徑與主孔最大荒徑存在相應的線性關系，其線性關系可用回歸擬合公式表示。

式中：D0為主孔設計圈徑，m；En為主孔距最大荒徑距離，m。

參照井筒最大荒徑選取主孔設計圈徑。主孔距最大荒徑為2.10～2.20 m，主孔設計圈徑可布置在15 m 以內；主孔距最大荒徑為2.40～3.80 m，主孔設計圈徑可布置在15～21 m。

3.3 主孔開孔間距的選取

主凍結孔的開孔間距存在2 個方面，孔數多，則開孔間距小，如過小，會增加打鉆的工程量，也可能打穿相鄰的凍結管；反之，開孔間距增大，如偏斜過大，可能使終孔間距過大，將延長凍結時間，甚至使凍結困難，需重新鉆孔或增打補孔。

對主凍結孔的開孔間距做出統計（圖3），可看出平均值為1.333 m，故宜選取＜1.35 m 的數值作為開孔間距。

圖3 主孔開孔孔間距的匯總Fig.3 Hole spacing summary of main hole

其次考慮主凍結孔的開孔間距對水文孔冒水時間的影響，依據以上已完工程的統計，繪制主孔開孔間距與水文孔冒水時間的散點圖（圖4）。

圖4 主孔開孔間距與水文孔冒水時間的散點圖Fig.4 Scatter plot of opening spacing of main holeand flooding time of hydrological hole

回歸擬合公式可為：

式中：Ls為主孔開孔間距，m；Tf為水文孔冒水時間，d。

參照以上圖形，可統計出：水文孔的冒水時間在40 d 以內，主孔開孔間距可設計在1.325 m 以內；水文孔的冒水時間在55 d 以內，主孔開孔間距可設計在1.370～1.390 m。

3.4 防孔距荒徑的選取

考慮井筒在掘砌過程中易片幫，故防片幫孔的布置位置至關重要。防孔距荒徑的距離多設置在1.20 m，防孔開孔孔間距在2.30～2.55 m，以確保井筒在開挖初期不片幫。其圖形如圖5所示。

圖5 防孔距荒徑與防孔設計孔間距的散點圖Fig.5 Scatter plot of anti-hole distance and anti-hole design hole spacing

3.5 凍結壁交圈時間的選取

凍結壁的交圈時間直接影響積極凍結期的時間，即機器運轉費用。水文孔的花管層位多布設在第四系及白堊系洛河組中。水文孔冒水時間與水文孔深度的散點圖如圖6所示。

圖6 水文孔冒水時間與水文孔深度的散點圖Fig.6 Scatter plot of flooding time and depth of hydrologic hole

回歸擬合公式可為：

式中：Hs為水文孔深度，m。

參照上圖，可統計出200 m 以上水文孔的冒水時間多在40 d 內，即凍結壁交圈時間。

水文孔冒水時間與含水層最大孔間距的散點圖如圖7所示。

圖7 水文孔冒水時間與含水層最大孔間距的散點圖Fig.7 Scatter plot of water discharge time of hydrological hole and maximum hole spacing of aquifer

據上圖，回歸擬合公式可為：

式中：L 為含水層最大孔間距，m。

另可看出含水層的最大孔間距宜在2.00 m 以內，可確保凍結壁的交圈時間在40 d 內。

3.6 鉆機效率的選取

依據凍結深度與鉆機臺月效率繪制圖8。

圖8 鉆機效率與凍結深度的散點圖Fig.8 Scatter plot of drilling efficiency and freezing depth

據上圖，可看出鉆機施工平均臺月為1700m/月。

回歸擬合公式可為：

式中：η 為鉆機效率，m/月。

4 結論

（1） 主凍結孔開孔間距平均在1.333 m，防片幫孔開孔間距平均在2.426 m，淺水文孔的冒水時間平均在37 d。

（2） 各設計參數均存在線性關系，但不能單一的看某一項數值，應全面考量后，方可確定各參數。

（3） 西部白堊系地層凍結設計一般以封水為設計原則。

（4） 依據水文孔冒水時間及含水層的最大孔間距，凍土圓柱發展速度平均為27 mm/d。

（5） 凍結管的管徑宜選取大于140 mm 管，以確保凍結壁的有效形成。