浅析富水岩层条件下冻结内壁冻胀力变化规律及与冻结深度间关系

2022-09-14朱洪利

山东煤炭科技 2022年8期

朱洪利

（山东能源枣庄矿业（集团）有限责任公司，山东枣庄 277000）

井筒建设施工过程中遇到地质条件十分复杂时，必须采用特殊凿井法进行施工，如冻结法[1-5]。冻结法具有强适应性、高安全性及技术成熟等显著优点而被广泛采用[6-10]。由于冻结法应用在穿过富水白垩系岩层中的井筒施工中并不多见，其在冻结设计施工方案及井壁结构形式的选用存在一些不足，迫切需要针对富水岩层条件下冻结施工技术理论及实践进行研究完善。海子矿在采用冻结法凿井施工过程中出现部分冻结管断裂问题，断裂处出现冻结盐水泄漏，造成冻结壁化冻，对施工过程中的安全保障带来极大的困扰。本文对海子矿立井井筒冻结施工过程中冻结内壁的冻胀力变化进行现场实测，分析其变化规律，为井壁合理性设计及安全施工提供依据。

1 设计实测方案

海子矿设计生产能力4 Mt/a，工业广场内布置主、副、风三个井筒，采用立井开拓。副立井井筒全长514 m，井筒主要穿越地层为白垩系和侏罗系。第四系冲积表土层覆盖厚度比较浅，仅仅为6.0 m左右，但富水白垩系岩层厚度占井筒穿过全部地层厚度的75%。

在深入对该立井井筒有关的地质资料及井壁设计资料等进行分析的基础上，结合井筒施工现场的实际状况及其他因素，采取在井筒深度方向上设置3 个实测水平进行冻结内壁的冻胀力实测，水平深度分别为120 m、220 m、320 m，在每个监测水平不同方向共埋设4 个压力传感器。具体方案设计见图1 及表1。

图1 压力传感器埋设图

表1 实测方案设计表

2 分析实测数据

2.1 分析冻结内壁的冻胀力实测数据

冻结内壁的冻胀力与多种因素有关，如冻结地层的力学性质、冻结地层深度及开机冻结温度等。由于影响因素众多，所以，这些因素的耦合程度非常复杂，在此无法进行单因素分析，而是将全部影响因素综合考虑，利用在冻结内壁与井壁外壁之间埋置压力传感器，通过计算机、数据采集仪及通信供电电缆采集实时数据，分析总结冻结内壁的冻胀力与冻结时间之间的动态变化规律，具体见图2 ～图4。

将现场实测数据拷贝至画图软件进行具体分析时，发现压力传感器少部分数据与其他数据存在较大的误差及离散程度，造成该现象的原因多数是在采集数据时压力传感器的激励电压不足及当时不可预知的意外情况导致，所以在进行数据分析时应该予以剔除。

图2 ～图4 的实测数据变化规律大致相同，通过曲线发展趋势基本可以划分为4 个过程：快增过程、快降过程、缓增过程及稳定过程。

图2 120 m 测点冻胀力变化曲线图

图3 220 m 测点冻胀力变化曲线图

图4 320 m 测点冻胀力变化曲线图

（1）快增过程。在预定地点通过打钻埋入预压力传感器之后，由于冻结壁处于积极冻结期，岩体水分从未冻结区域迁移至冻结壁内部，冻结成冰，造成冻结壁体积增大，并向井筒侧出现偏移变形，与未开挖岩层之间相互挤压，造成冻结内壁的冻胀力快速增长。

（2）快降过程。冻结壁内壁所包围的岩层开挖之后，使得冻结壁靠近开挖侧一定范围内出现应变能释放，造成冻结壁沿径向向开挖侧出现部分岩体变形及释放部分冻胀应力。另外，在井壁浇筑完成后，浇筑的混凝土会在短时间内产生大量水化热，由于空间狭小，且沿井筒深度方向散热困难，几乎全部热量都被冻结壁吸收，导致冻结壁内部部分凝冰变成水产生相变，造成冻结内壁出现收缩变形，同时下一井筒段也在爆破开挖，造成冻结壁冻胀量继续减小，综合导致冻结内壁的冻胀力快速下降。

（3）缓增过程。混凝土浇筑释放水化热，被冻结壁内部的冰吸收，变成水，此时井筒建设尚未结束，冻结壁处于积极冻结期，地面冻结站会将冷量通过冻结盐水持续向冻结壁输送，冷量会持续增加，造成冻结壁二次冻结，致使冻结内壁的冻胀力出现回升，但冻结壁产生的二次冻胀量小于初次冻胀量，冻胀力的最大值也小于首次冻胀力。同时，已浇筑混凝土的凝结时间持续加大，其强度呈现指数级增加，导致井壁外侧对冻结内壁的约束刚度增大，但由于冻结内壁冻胀变形慢慢变大，使得应变能转化为冻胀应力，导致冻结内壁的冻胀力升高。

（4）稳定过程。随着时间的推移，由于冻结锋面迁移速度减小至零，处于稳定状态，至此冻结壁的冻胀量不再增加，而且井壁强度也已经基本不再增加，冻结内壁的冻胀力出现平稳发展趋势。

2.2 拟合冻结内壁的冻胀力实测数据

将各水平的4 个实测点所测得最终稳定的冻胀力进行平均取值，得到的平均值作为此水平的实测平均冻胀力。经过计算后得出，3 个水平所得平均值分别为：1.29 MPa、3.09 MPa、5.09 MPa。对该三个平均值进行曲线拟合，通过拟合曲线得出冻结内壁的平均冻胀力与冻结深度之间几乎呈线性关系，具体见式1 及图5。式中：P为冻结内壁的平均冻胀力，MPa；h为冻结深度，m。