冻、注平行作业对冻结施工的影响.pdf

习一 6 第 2 I卷 第 期 2 0 0 0 年8月 问 题 探 讨 建 井 技 术 M I NE CONSTRUCTI O N TECH OGY { 21 NO 4 Au g 200 0 冻 、注平 行作业 对冻 结施 工 的影响 蓬坚 兰 ． 1 煤 科 总院北 京建 井研 究所 ． 1 0 0 0 1 3 王 开 惠 丽 否 ‘ 五 团 有 限 公 司 ，0 5 4 0 0 0 - T F． 担弓 摘要 邢东 矿 主 井 栗 取 冻 结 与 地 面 预注 浆 平 行 的作 业 方 式 ， 可 肚 显著 缩 短 井 筒 施 工 工 期 。 但 在 具 体 实 施 时 ， 应 考 虑 注 浆 对 冻 结 施 工 的影 响 问 题 ， 选 择 比较 稳 定 的地 层作为冻 结 与注浆 的交接段 ， 并 宜采 用完成冻 、 注交接段地 层注浆 后再进 行冻 结孔钻 进 的施 工 顺 序 。 关 键 词 井 筒 施 工 ；地 层 冻 结 ； 地 面 硬 注 浆 ； 兰 唑 穗爹， 孑 冻 结 中 图 分 类 号 1 ] 2 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 n 0 0 |6 o 0 0 叫 。 一o 0 。 0 客 1{ 氍述 邢东 矿 主井 总深 8 0 0余 米 ． 冲积 层 段用 冻 结法 施 工 ， 冻 结 深 度 2 4 9 6 m； 基 岩 段 用 地 面预注浆 法施 工 。为 了缩短 建 井 总工 期 ， 采 取冻 、 注平 行 作业 方式 ， 即先 打 冻结 孔 ， 再 在 冻 结 孔 布 置 圈 以 内 打 垂 直 注 浆 孔 ， 对 井 深 4 0 0 m 以 上基 岩 段 注 浆 ； 然 后 ． 将 钻 机 移 到 冻 结 孔 布 置 圈 以 外 打 “ S ” 形 注 浆 孔 ， 对 井 深 4 0 0 m 以下 基 岩 段 注 浆 ． 同 时 进 行 冲积 层 段 冻 结 施 工 过 去 没 有 采 用 冻结 与 注 浆 平 行 作 业 的经 验。从理 论上分 析 ， 冻结 孔 施 工应 在 完 成井 深 4 0 0 m 以上基 岩 段注 浆 后再 进行 ， 这 样冻 结 施工不用 中 断 ， 注 浆时可 避免 通 过 冻 结孔 串浆 ， 还可考虑 利用 注浆孔作 冻结 孔 ， 井且 注 浆 引起 的地 层扰动与地 温升高对 冻结 的影 响 也 会较小 。但 是 ， 由于邢 东 矿 主井 的 基 岩段 地 面预注 浆方 案 是在冻 结 开工 后才 确 定 的 ， 施 工 中采 用 了 先 打 冻 结 孔 再 进 行 井 深 4 0 0 m 以上基岩 段注浆 的作业顺 序 ， 加上冻 、 注交接 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 5 - 2 0 段 为强风化带 及上 部冲积地层 主要 为铝质粘 土 ， 稳定 性差 ， 不 好 冻结 ． 注浆 时 容易 对 冻结 管 和 冻结 壁 产 生 不 利 影 响 。 2注浆对 冻结 孔成 孔的影响 邢 东矿 主井 通 过松 散 冲积层 厚 2 3 1 ． 8 m 从 灰土盘平面算 起 ， 强 风化带 约 7 7 m。冲 积层 以砂质 土 为 主 ， 在浅 部 和底 部有 多层砾 石 ， 地层透水性 好。强 风化带 为泥岩 ， 上覆 卵 石层 底 砾层 和铝质 牯土层 。铝质粘 土具有 遇水嘭 胀特 性。冻结 和注浆 交接段 设在 风化 带 中 。 井 筒施 工 设 冻结 孔 2 8个 ， 孔 深 约 2 5 0 m； 水 文孔 2个 ， 深 度 分 别 为 6 0和 l 9 5 m。冻 结 孔 布置 圈直径 1 0 m， 开孔 问距 1 ． 1 2 2 m。井深 4 0 0 m 以上注 浆段共 设 4个注 浆孔 ， 分 南北 和 东 西 向两 组 施 工 。 注 浆 孔 布 置 圈 直 径 8 m ， 孔 间距 约 5 6 m， 见 图 l 冻 、 注 交接 段 岩 帽 注 浆 的 固 管 深 度 约 为 2 3 9 m，岩 帽 注 浆 施 工 顺 序 为先 钻进 第 1组 注 浆孔 井 下好 套 管 注浆 ， 再 进行第 2组孔 的钻 进与注 浆。 维普资讯 建井拄术 图 1 冻结 孔与 冻结 孔 布置 圈 以 内注浆孔 的 布置 由 于冻 结 段 地 层 有 多 层砂 、 砾 ， 透 水性 好 ， 在施 工冻结 孔 时就 遇 到 了冻 结孔 之 间 串 浆 问题 在 冻 、 注交接段岩帽注 浆时 ， 由于地 层稳 定性差 ， 且具 有遇水膨胀特性 ， 在高 压注 浆作 用下 ， 扰 动、 破坏 严重 ， 从 而 影 响 了岩 帽 止 浆 效 果 ， 注 浆 时 地 层 之 间通 过 冻 结 孔 串 浆 的情 况 更 为 严 重 。 在 井 深 4 0 0 m 以 上 基 岩 段 注浆 的 整 个 过 程 中 在 地 面 可 看 到 冻 结 管 周 围有不 同程 度的泛浆 现象 。并且 在 完成 第 1 段 注浆后检 查发 现 两个水 文孔 已被 水泥 浆 充 填堵塞 。其 中浅 水文 孔经 冲 孔后 恢复 ； 而 深 水 文 孔 中 深 1 5 0 m 以下 的 水 泥浆 已 完 全 硬 化 ， 扫孔 后也无法 恢复 ， 只得重 新施 工 1个 。 。 在 岩 帽注 浆时发 现 ， 因受第 2组孔 注浆 的影响 ， 先 固管 的第 1组注浆孔移 位 、 破 坏严 重 ， 只得 重新 扫孔 、 固管 。在第 1组孔 重新 固 管 时 ， 还从 孔底 捞 出了大 量从 冲积 层掉 下 去 的砾 石 ， 可 见 注 浆 对 风 化 带 附 近 地 层 的 扰 动 是 很 大 的 而 冻 结 孔 与 注 浆 孔 的 布 置 圈 相距 仅 l m， 冻结孔 与注浆孔之间 的距离 比两组注 浆 孔 间 的 距 离 要 小 得 多 ， 因此 ， 可 以 推 断 冻 结 孔 受 注 浆 的 影 响 将 会 比两 组 注 浆 孔 之 间 的 相 互影响 大得 多 ， 造 成 冻结 管移 位变 形 的 可 能 性也更 大 。井深 4 0 0 m 以上基 岩段 注浆 结束 后下供 液管 ， 结 果有 7根 冻 结管 在下 供 液 管 2 0 0 0年第 2 1卷 时其配 重 管被 卡 住 ． 被 卡 深 度 为井 深 2 3 5～ 2 3 8 m 配重 管 长 约 为 8 m ， 最 后 只 得 改 变 供 液管结构 ， 用塑料软管 下到孔底 。另外 ， 通过 下 钢筋 棍 探 测 ， 其它 冻 结 管在 深 2 3 0 m 附 近 有被 阻挡的 现象 ， 说 明 冻结 管在 冲积层 与 基 岩交界面 附近都有 较大 的变形 。结合 在该层 位中注浆孔严重坍 塌 、 套 管移 位 的情况 ． 可 以 确定 冻结管 变形 是 由于冻 、 注 交接段 岩帽 注 浆 所 造 成 的。 供 液 管 配 重 管 的 外 径 为 6 3 tun a ， 长 约 8 m； 冻结 管 内径 为 1 1 5 ram， 计 算 得供 液管被卡处冻结 管弯 曲的相对挠度 大于 0 ． 0 0 6 7 。下完供 液 管后 进 行 了冻 结 管 试漏 ． 确定 冻结管没有 断裂。 3注浆 对 冻 结 壁 形 成 和 稳 定 性 的 影 响 在 地 层 中注 人 的 水 泥 浆 放 出的 水 化 热 将 使 地层温度升 高。4 2 5号普 通硅酸盐 水泥 7 d 内放 出 的 水 化 热 约 为 2 5 0 8 k J ／ k g ， 接 近 1 m 冻结 管 0 ． 6 h吸收 的热 量。按此估 算 ， 如果 在 每根冻结 管 周 围 1 m 厚 的 地层 内注人 1 t 水 泥 ， 其水 化热 全部 由冻 结 管 吸 收 ， 则 将 消耗 2 5 d的冻结 时间。可见 ， 在注 浆孔严 重 坍塌 、 水泥注人 量较 大 的情 况下 ， 注浆 对冻 结 壁形 成的影响是值 得 考虑 的。此 外 ， 由于冻 结 与 深 4 0 0 m 以下基岩段 注浆 平 行作业 ， 且 “ s ” 形 注 浆 孔 离 冻 结 壁 较 近 ， 泥 浆 和 粘 土 水 泥 浆 液 在注浆孔 中流动 及 向地层 中扩 散 ， 也有 可 能 局部 影 响 冻 结 壁 的 形 成 。 在 施 工 中 发 现 ， 井 深 2 0 0 m 左 右 冻 结 壁 井帮温度 一般 为 一5 ℃左右 ， 砂质 土层 中冻土 进人荒径 达 到 了 近 l m。而 在 井 深 2 3 0 m 附 近 的牯土和 砂质 粘 土层 中， 井 帮 温度 升 高到 了 ， 一l ℃ ， 冻 土 剐 进 人 荒 径 ， 其 冻 结 壁 扩 展 速 度明显低 于上 部 ， 表明 岩 帽注 浆 对冻 结壁 形 成 有 不 小 的影 响 。此 外 在 井 深 4 0 0 m 以 下 基 岩 段 注 浆 时 ， 井 深 2 4 8 m 壁 座 处 有 泥 浆 涌 出 ， 表明深 部 基岩 注 浆 对 冻 结 壁 也 有 直 接 的影 响 。特别 是深部 基岩段 开 始 注浆 当天 ， 发 现 井深 2 3 0 m 水 平 附 近 井 壁 破 坏 ， 第 2天 停 止 维普资讯 第 4期 楼 根达 等 冻 、 注平 行 作业 对 冻结 施 工 的影 响 2 9 注 浆 后 ， 井 壁 变 形 也 基 本趋 于 稳 定 ， 这 然 不 是 一 种 巧 台 ， 而 是 由 于 注 浆 压 力 的直 接 作 用 ， 使冻 结壁受 到 1个额 外荷 载 ， 从 而加 速 了井 壁 的 破 坏 和 变 形 。 4冻 、 注 交 接段 冻 结 管裂 漏 的 原 因分 析 当 井 筒 掘 进 到 深 约 2 4 5 m 时 ， 在 基 岩 风 化 带 附 近 出 现 了 严 重 的井 壁 压 坏 问 题 ， 井 伴 随发生 了在 风化带 附近冻结管裂 漏的罕见 现 象 。盐水 出水 点靠 近 底砾层 ； 井壁 开始 破坏 处 位于底砾层 上 、 下的粘性 地层 中 ， 方位北稍 偏 东 。在底砾 层位置井壁基本未 破坏 。冻结 管裂 漏 部位 与下 供 液 管被 卡 的部 位 基 本 一 致 ， 都在 冲积层 与 风化 基岩 交界 面 附近 。岩 帽注浆 塌孔 、 套 管位 移 和冻结 管 变形 引起 供 液管下放 困难 、 井 壁压 坏 、 冻结管 断裂的方 位 也大致相 近 ， 都在 井筒 的北 侧 。按 照每 根 冻 结 管材长度 8 ～9 m 推算 ， 冻结 管裂 漏位 置 应 在 其 自下而 上第 2个 接 头处 ， 也 就是 在基 岩 风化带靠近底砾层 位置 ， 见图 2 。 ． 谋度 I m 柱状 砂质鹎 l士 错质粘 士 含砥【 砂 ● _．‘ 卵 1 混 岩 图 2井壁 破 坏与 出盐 水位 置 示意 结合 以 上所述 ， 经分 折认 为 冻结 管 断裂 的 原 因 主 要 有 以下 几个 方 面 1 在岩帽注浆时 ． 冻结 管 已受到 了很 大 的注 浆压力作用 并产生 了严重弯 曲 ； 因此 ， 在 以后开 挖过程 中冻 结 壁位 移 时 ， 容易 造成 冻 结管裂 漏。 2 注 浆 引 起 的 地 层 位 移 、 松 动 甚 至 破 坏 ， 使其稳 定性受到影 响 在 冻 、 注交接段 地 层 中注入 的大量水 泥浆放 出的水化热使 地层 温度 升 高 。在 深 部基 岩段 注 浆 时 ， 由 于 “ s ” 形注 浆孔离冻 结壁 较 近 ， 注 浆孔 浆 液流 动井 向浅 部地层 中扩散 这些都将 影响冻结壁 的 形成 ， 从 而降低冻结壁 的承载能力 。 3 由于注浆压 力的直接作用 ， 使冻结 壁 受到 1个 额 外 的 荷 载 ， 加 速 了 井 壁 的 破 坏 和 变形 ， 从而会 引起冻结管裂漏 。 此外 ， 在 冲积 层 与基 岩交 界 面附 近 有少 量铝 质粘 土层 ， 在 施 工 中为 了避免 冻 土 进 入 荒径 太多 ， 未对这 些 容易 出 问题 的地 层 进 行 强化冻 结 。再加 上井 筒掘 砌 速 度 快 ， 掘 进 到 该层位 时的冻 结 时 问比设 计少 了近 1个 月 。 这样尽管冻 结 壁厚 度也达 到 了设 计 要 求 ， 但 或多或少会 影 响冻 结壁 的 稳定 性 。凿 井时 ， 在铝质 粘土层 中外 层井 壁 未采 用缓 压措 施 ， 根据过 去经验 是 比较 容易 出现 井壁 压坏 的。 并且 ， 由于施 工 中采 用整 体下 放金 属模 板砌 筑外壁 ， 当冻结 壁稳 定 性差 ， 位 移快 时 ， 容易 出现 外层井 壁厚度 不 够 的情 况 ， 从 而 可 能影 响 外 层 井 壁 的 承 载 能 力 。 5结语 综 上分 析 可见 ， 引起 风化 带附 近外 层 井 壁破坏和冻 结 管裂漏 的根 本 原 因 ， 是 由 于原 来 确定冻结 深 度时 没有 考虑 基 岩需 要 注浆 ， 冻 、 注 交 接 段 落 在 了 以 铝 质 粘 土 为 主 的 强 风 化带 中 ， 并采 用 了先 打冻结 孔后 注 浆 的施 工 工序 。铝 质粘土 具有 遇水 膨 胀 特性 ， 稳 定 性 极差 ， 且不易冻结 ， 在 注浆 过程 中 ， 地层破坏 、 位移严重 ， 冻结管弯 曲 ， 水 泥水 化热影 响冻结 壁形成 ， 冻结壁稳定性 降低 ， 并有部分 注浆压 力 施 加 到 冻 结 壁 上 ， 从 而 造 成 了 并 壁 破 坏 和 冻结管 裂漏 。此外 ， 由于事 先对 地 层 了解 不 够 ， 对 冻 、 注平 行作 业 缺乏 经 验 ， 致 使 在 并壁 设 计 和冻结 、 掘进 、 注浆施 工 中未能 采取 有效 预防措施 ， 消除 或 减缓 注浆 对 冻结 和 凿井 施 工 的 不 良影 响 。 下转 3 6页 维普资讯 建井技术 2 0 0 0年 第 2 l卷 由于 采 用 了 阿 状 多 孔 吊 盘 ， 井 筒 的 通 风 断 面 得到有救保 证 ， 并 且 为井 筒 中 的管 路 安装 提 供 了 足 够 的 空 间 。 2 4算 它 有 关技 术 措 施 由于井 筒 中风 速 较 大 ， 特别 是 多孔 吊盘 上 的风 速将 近 1 2 m／ s ， 不 仅 影 响施 工 人 员 的 作业 安全 ， 而且还 容 易造 成 轻 型易 飘 浮材 料 上 飘 。当飘 浮 物 沿 回风 风 流进 人 总扇 风 机 叶 道 时 ， 将会 酿成严重 的总 扇风机机械 故障 ， 从 而 影 响 整 个 矿 井 通 风 。 为 此 采 取 了 以 下 措 施 ①对矿 井总 回风 量进 行临 时性 调整 ， 将总 回风量 降为 1 2 6 2 6 m ／ rai n ， 从而 使 吊盘上 的 风 速降为 1 0 ． 4 8 m／ s ； ②施工 人员严 禁携带 手 套 及毛 巾下井 ， 安 全帽要 系好 拉带 ， 防水 雨衣 要 穿好 系牢 ； ③ 小 型施 工材 料 不准 使 用塑 料 和纸盒等轻包 装 ， 要 用钢线 和铁盒 捆扎包装 ； ④钢板尺 、 钢卷 尺 等轻 型量 具 在使 用 时要 配 置手环或 系手 带 ， 防 止脱 落 。这 些 措 施有 效 地解 决 了 困风 速 过 大 而 造 成 的安 全施 工 问 题 。 由于要 求 采用 非 明火 安装 施工 ， 在 安装 过程 中 ． 对管路 气 密性 质 量必 须加 以严 格控 制 ， 否则一但在 安 装 就位 后 发生 泄漏 将 难 以 处理 。为加 强气 密 性质 量 控制 ， 采 取 了 以下 措施 ① 为减少 井筒 中管路 的法兰联 接接 口 ， 在 两 道 托 管 大 梁 之 间 每 5 0 m 管 路 的 联 接 采 用套 管焊 接 ， 只 有在 两 端和 管座 部 位采 用 法 兰联 接 ； ②所 有 的法 兰 盘及 法 兰短 管必 须 在 地 面 完 成 气 密性 试 验 ； ③ 每 5 0 m 局 部 管 在 井 上完 成逐 段 套管 焊 接联 接后 ， 即对 该段 管 路 做 整 段 试 压 ； ④ 每 两 段 5 0 m 管 经 法 兰 联 接 后 ， 即对 其进 行局 部试 压 ； ⑤ 井筒 中管路全都 联接完后 ， 做 管路 的全 长 试 压。这 些措 施 有 救地 保证 了整个 管路 及各个 接 口的气 密性质 量 3施 工 效 果 由于 施 工 技 术 措 施 得 当 ， 加 之 严 密 的 施 工 组 织 和 工 程 监 督 ， 用 1 0 d时 间 便 完 成 了 井 筒 管路安装 ， 工 程质量全优 ， 安 全无 事故 。该 段 瓦斯抽放 管 路于 2 0 0 0年 初 与井 上 下 管路 阿络联 阿运 行 ， 其 运 行 质量 完全 达到 了设 计 要 求 。在井 筒提 升 运行 中， 管路 的整 体 尺寸 精 度符台 MT 5 0 1 0 -- 9 5安装 工 程 质 量标 准 ， 管 路 布 置 及 运 行 安 全 间 距 符 台 煤 矿 安 全 规 程 的具体规定 。实践证 明 ， 此 次风井井 筒 中 在矿 井不 停产条件 下所进 行 的管路 装备安装 施 工 中所 采 取 的技 术 和施 工 组 织 上 的有 效 措 施 ， 较好地解决 了井筒 中高风 速 、 大淋水和 一 定 瓦 斯 含 量 条 件 下 施 工 困 难 的 问 题 ， 为 类 似 条 件 下 的 井 筒 装 备 安 装 施 工 积 累 了经 验 。 第 1作 者简 介 高云 ． 男 ， 1 9 6 4年 出生 ， 工 程师 。1 9 8 8年毕 业于 淮南 矿业 学 院矿建 专 业 主要 从事 施工 技术 ‘蹙管 理工 作 ， 现 任新 集 二 矿 副 总 工 程 师 。 发 表 过 多 篇 论 文 上接 2 9页 为 了避 免冻 、 注平 行作业 中出现的 问题 ， 建 议 将 冻 结 、 注 浆 交 接 段 设 在 较 稳 定 的 岩 层 中， 保证 “ s ” 形 定 向注 浆 孔 与 冻 结 壁有 较 大 的 距 离 ； 并 尽 可 能 在 冻 结 、 注 浆 交接 段 注 浆 结 束 后 再 施 工 冻 结 孔 ， 这 样 也 有 利 于 冻 结 施 工 的连续性 ， 并可 避免冻 ， 注交接 段注浆时通过 冻结 孔 串浆和堵塞 水文孔 。 第 1作 者简 介 楼 根 达 ． 男 ， 4 0岁 ， 高 级 程 师 ， 一 级 施 1． 项 H经 理 。 1 9 8 2年 毕业 于淮南 矿业 学 院矿 井建设 专 业 ． 1 9 8 4年于 煤炭 科芈 研究 总 院裴顽 学 位 。 主要 从事 地 层冻 结与 地下 工程 结构 的研 究 、 设计 与施 工 管理 工作 曾获 “ 茅 以升 北京 青 年 科技 奖 ” 。 巳发表 论文 2 0亲篇 ， 维普资讯