浅议解决冻结壁交圈后水文孔不冒水现象

摘要：在冻结法凿井中冻结壁交圈时间是确定冻结段能否正式掘进的重要依据，是考核前期冻结效果的主要指标，水文孔按规定的冒水现象是确定冻结壁交圈的直观依据。在施工中常出现冻结壁交圈水文孔不冒水或推迟冒水现象，本文以水文孔为研究对象，对冻结壁交圈期水文孔不冒水的问题进行原因分析，为施工中预防水文孔不冒水工艺给予参考意见。

关键词：冻结法；冻结壁交圈；水文孔；含水层；水分迁移；冻胀；止水带

中图分类号： U445 文献标识码： A

随着煤炭行业市场向中国西部的迁移，冻结法施工在西北部土壤中运用的越来越多，在西部多为湿陷性黄土，在施工经常遇到冻结壁交圈后水文孔不冒水现象，因水文孔不冒水或者推迟冒水导致对冻结壁交圈时间的误判，对企业以及施工队伍造成直接和连带的经济损失是重大的。

1 水文孔设计

（1）水温观测孔布置在井筒中心附近，在打好钻孔后下放带有底锥的直径为108mm～168mm的无缝钢管，在含水层位置钢管设置有滤水装置的孔隙，在含水层上部钢管与钻孔环形空间设置隔水装置（止水带）。

（2）孔位设置在井筒中央，孔深应进入冲积层最下部的主要含水层，其含水层下部应有隔水层。孔深不得穿过冲基层，钻孔偏斜不得偏出井筒直径。

（3）浅井冻结，应设置一个水文观测孔，报导只要含水层水位。深井冻结，应设置1～3个水文观测孔。可采用一孔报导一个含水层，或者一孔用套管、隔板的结构形式报导二个含水层，必须保证套管和隔板的施工质量，防止含水层之间串通而影响正常报导。

（4）管箍焊接应严密，孔口应高出地下水位并加盖；

2 冻结壁交圈后水文孔冒水的原理

（1）冻结壁隔绝地下水流动

为了形成冻结壁,预先在拟凿井筒外围按圆周布置一定数量的冻结孔并下放冻结器，开始冻结后，每根冻结管周围逐渐形成冻结圆柱，各个冻结圆柱不断向外扩展而相互连成封闭的具有一定厚度和强度的冻结壁。冻结壁隔绝和井筒内外部的地下水流动，冻结壁内部存于的地下水属于静止的。

（2）冻胀

水结冰后体积膨胀约9%。冻结过程中，冻土体积增大，导致封闭的冻结壁内部空间体积减少，水位上升。

（3）水分迁移

在冻结过程中，已冻土内，以及已冻土和未冻土间存在着水的迁移现象，称为水分迁移。根据薄膜迁移理论和渗透压力理论，在形成冻结壁过程中水分迁移至井筒内部，导致封闭的冻结壁内部空间水位上升，通过水文孔溢出。水分迁移是水文孔冒水的主要原因。

3 冻结壁交圈后水文孔不冒水现象的分析

施工地区含水层水量过少

当地下水含水层富含水性弱或者潜水含水层因周围环境变化水量减少，在冻结壁交圈后，水分迁移的水量被为饱和土层或者基岩吸收，冻胀的作用也不能使水位明显上升。

水文孔钢管有破坏，水从破损处流失

在水文孔钢管下放过程中，由于焊缝质量不合格，下放后，从焊缝处出现裂缝，或者断裂，导致水在上升过程中从破损处流失到钻孔环形空间，被土壤吸收。这种情况的几率很小，但是在水文孔钢管焊接处必须要严密、合格，已杜绝这种情况发生。

钻孔环形空间过大，并且从环形空间上升的水被其他地层土壤所吸收，导致管内水压不足，不能使管内水溢出。

在出现多个含水层，并且之间没有明显的隔水层时，2个含水层水分相互串动，导致其中有含水层水压减小，水文孔不能冒水。

4 解决办法

首先在设计水文孔时候，应根据现场的地质状况分析有可能出现的情况种类，再制定相应措施。

人工注水发

地下含水层水量过小时，根据冻结参数计算出冻结壁已经交圈，这时可人为地向水文孔加适当水，至测量水文孔水位有明显上升并接近地表，停止加水后，水文孔水位继续上升并溢至管口。

加强焊缝质量，管箍焊接必须严密。

在易吸水土壤层下部设置止水带。

在易相互串动的水层之间设置止水带。

5 招贤矿井副立井冻结工程实例

5.1工程概况

招贤矿位于陕西省麟游县招贤镇北侧约3-4km的麦里沟新村矿井工业广场内。该矿井设计年产量240万吨。其中副立井井筒深度587.6米，冻结深度515米，井筒净径8.4米，表土厚度39米，36米表土属于西部湿陷性黄土，吸水性强。该井井筒设计参数见下表：

序号 项目名称 技术参数

1 井筒净直径(m) 8.4

2 最大荒径(m) 11.406

3 井筒深度(m) 587.6

4 冻结深度(m) 515

5 表土段埋深(m) 39

6 主排孔 布置圈径(m) 16.2

孔数(个) 20/20

孔深(m) 515/360

7 防片帮孔 布置圈径(m) 13.2

孔数(个) 9/10

孔深(m) 55/100

8 测温孔( m/个) 120/1、305/1、505/1

9 水文孔( m/个) 70/1、210/1

5.2井筒水文孔设计

5.2.1.本工程地质复杂，36米表土属于西部湿陷性黄土，吸水性强，造成交圈后水文孔水位上升至表土段，水分全部被黄土吸收，导致水文孔不易冒水；

5.2.2.基岩含水层间没有明显的隔水层，类似于彬长矿区、鄂厄多斯矿区，各含水层间水流上下串动，影响各层交圈。为解决以上两个问题，该工程吸取以往类似工程经验教训，采取以下措施：

a.水文孔洗孔时，只洗水文管内泥浆，管外环形空间不洗，借助泥浆封水，防止环形空间与管内导通，杜绝水分被黄土吸收。

b.分别在一含与表土之间，二含与一含之间加缠海带，人工增设隔水层。

5.3该井筒水文孔实际应用效果

该井筒冻结站于2013年8月22日正式开机运转，一号水文孔原始水位-61.7米，二号水文孔原始水位-35.6米。2013年9月10日1号水文孔水位有明显上升，至9月20日1号水文孔开始冒水，并持续冒水。2013年9月10日2号水文孔水文有明显上升，至9月22日开始冒水，并持续冒水一周以上。该项目部结合测温孔测温数据资料，确定冻结壁已经交圈，于2013年10月2日开始试挖，现井筒正在正常施工中。此井筒的水文孔顺利冒水给确定冻结壁交圈提供了直接依据，确定了及时、合理的掘进日期。

6 结束语

水文孔是观测冻结壁发展的重要依据，根据施工的地质条件分析水文孔有可能存在的技术问题，并为水文孔正常冒水提前做出相应的措施，本文以施工中常见的水文孔不冒水问题进行分析，并以湿陷性黄土地层水文孔的应用为实例，希望施工技术人员根据不同的地层对水文孔做出相应合理预防措施。

作者简介：姜孝美（1963），男，安徽淮北人，助理工程师，中专，从事特殊凿井、冻结技术等工作。