钻井法与冻结法凿井浅析

赵智慧 张艳妮 高云龙

摘要:地层冻结法和钻井法是深厚表土不稳定含水地层中施工井筒的有效方法,文章首先介绍了钻井法与冻结法凿井,然后从技术和常见问题两方面进行了对比。

关键词:钻井法;地层冻结法;凿井技术;打井不下井;钻井性能

中图分类号:TD352文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0164-02

一、钻井法与冻结法凿井简介

(一)钻井凿井法

钻井法是用钻头破碎岩石,用洗井液进行洗井排渣和护壁,当井筒钻至设计直径和深度以后,在洗井液中进行支护的机械化凿井方法。钻井法实现了全部凿井工序在地面进行,大大减轻凿井工人的劳动强度,工作安全,施工质量好。钻井法已有百余年的历史,我国于1969年首次采用钻井法钻凿煤矿立井获得成功。钻井法凿井技术可应用于任何地层。但就其技术经济效益来看,目前仍以钻进表土底层时效果最佳。

(二)冻结凿井法

立井冻结凿井是利用传统的氨循环制冷技术来完成的。它是在井筒开挖之前,用人工制冷的方法,将井筒周围含水地层冻结成一个封闭的不透水的帷幕——冻结壁,用于抵抗地压、水压,隔绝地下水与井筒之间的联系。而后,在其保护下进行掘砌施工。为形成冻结壁,首先在欲开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔,孔内安装冻结器。低温盐水在冻结器中流动,吸收其周围地层之热量,形成冻结圆柱。冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭的冻结壁,直至达到其设计厚度和强度为止。然后在其保护下进行掘砌施工,以便安全穿过含水地层。

二、钻井法与冻结法凿井技术对比

钻井法凿井具有打井不下井的独特优势,是一种劳动强度低、安全可靠的井筒先进施工方法,技术水平发展很快。仅仅几年时间,就从仅能施工几十米的小型井筒发展到90年代采用国产煤矿专用大型钻机,施工钻井Φ9.3m,深500m左右的深大井筒,在钻进工艺、破岩刀具、钻进参数监测、泥浆临时支护井帮,以及井筒支护技术等方面,取得了迅速的进步,实现了全套设备国产化,全部工序机械化,综合技术达到国际先进水平。

冻结法施工其主要的技术包括冷冻站的安装、钻孔的施工、井筒冻结、井筒掘砌,在复杂和特殊地层施工中具有很大的优越性:

1.适应性强。它适应于各种复杂地质及水文地质条件下的任何含水地层的土层加固,并且基本不受基坑形式、平面尺寸和深度的影响。

2.支护结构灵活、易控制。可根据不同地质条件、环境及场地条件灵活布置冻结孔、调节冷媒水的温度,从而获得高质量的冻土帷幕,特殊情况下还可以采用液氮进行快速抢险,与盐溶液人工冻结法相比,液氮人工冻结法具有温度低、冻结速度快、冻结强度高、无污染等优点。同时可通过地温监测指导施工,符合现代信息化施工的要求。

3.隔水性好。它本身就是地下水的控制系统,防渗性能是其它施工方法无法相比的。

4.对环境影响小。它充分利用土体自身的特点,材料是土体本身,对地下水及周围环境无污染,冻结壁解冻后,冻结管可回收,地下土层恢复原状,对地下工程较为有利。

三、钻井法与冻结法凿井常见问题

(一)钻井法凿井常见问题

1.在钻凿第四系厚粘土地段时,由于其具有缩水膨胀、超细颗粒极易分散、粘结力特别强等特点,所以易出现泥包钻头现象。

2.成井偏斜率大,影响井筒端面利用率,以致于影响整个凿井的成败。

3.钻头在通过破碎或不稳定底层后,如果泥浆质量较差、井内浆液平面较低,岩帮将会失稳,在泥浆临时护壁作用薄弱处将会突破缺口而掉入井内,造成卡钻事故。

4.钻井井壁结构形式及设计理论均难以满足设计与施工要求,造成井壁塌陷等重大事故的发生。

5.在钻井过程中,由于设计、加工、使用和管理等方面的原因,常常发生钻头、刀盘、滚刀、吸收器及风管等物意外掉落井内,若不及时打捞,轻则影响钻井工程的继续进行,重则使已经完成的钻井工程全部报废。

6.在不稳定地层中、松散的流沙及砂砾层中易出现塌帮。在个别地层中由于其化学成份有时可以迅速破坏泥浆质量,而又未及时调整,亦会导致塌帮。

(二)冻结法凿井常见问题

1.在冻结钻孔施工中,钻机性能跟不上要求,不能满足深冻结孔施工要求,以致影响工期。

2.掘进段高是指掘进段未经支护的高度。由于影响段高的因素较多,没有成熟的理论,目前只能采用工程类比法,按施工经验选取。

3.深厚膨胀性黏土层的冻结外壁发生破坏在国内冻结井施工中是一种较为普遍的现象,也是困扰国内建井界的棘手问题。究其原因,有以下几个方面:(1)对地层土体性质掌握不全面,尤其是含有膨胀性矿物的地层;(2)冻结壁强度低,黏土蠕变膨胀挤裂外层井壁;(3)低温下混凝土早期强度低,在其未达到最终强度前井壁破裂;(4)因冻结壁形状不规则和厚度不同等造成冻胀力不均匀以及在掘砌过程中,由于冻结壁流变量的不均匀,造成砌筑外壁前冻结壁冻胀量释放不均匀,致使作用在外壁上的冻胀力不均匀。

4.在冻结井筒掘进中,冻结管断裂现象时有发生。近年来,由于冻结深度逐年增加,遇到厚粘土层的机会越来越多,冻结管断裂的现象也就会越来越严重。

四、结论

通过对两种凿井法的比较可知,两种凿井法各有利弊,所以不能简单地断言哪种凿井法更为有利。实践中要结合各地层的具体情况,合理地使用两种凿井法。冻结法、钻井法在深厚表土层中建凿井筒时广泛应用,冻结法还应用到建设斜井、城市地下铁道、过江隧道的引道工程,钻井法不只开凿井筒,在高层建筑桩基础、大桥墩桩、高架公路基墩工程中也广泛应用。

参考文献

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[2]汪正云.钻井法与冻结法凿井技术对比研究[J].山东煤炭科技,2008,(4).

[3]胡坤,吕晓亮,荆留杰.冻结法凿井需注意问题的探讨[J].山西建筑,2008,(19).

[4]路耀华,崔增祁.中国煤矿建井技术[M].中国矿业大学出版社,1995.

作者简介:赵智慧(1987-),男,山西晋中人,中国矿业大学建筑工程学院06级土木工程专业学生,研究方向:矿山与地下工程方向;张艳妮(1988-),女,陕西西安人,中国矿业大学建筑工程学院06级学生,研究方向:建筑环境与设备工程;高云龙(1988-),男,四川绵阳人,中国矿业大学建筑工程学院06级学生,研究方向:建筑环境与设备工程。