水文孔对特殊地层中交圈的判定
水文孔对特殊地层中交圈的判定
摘要：本文通过对几类特殊地层中水文孔实际报导情况作详细的判定分析，为今后在类似地层矿井冻结施工中如何判定冻结壁的交圈情况提供一些参考。
关键词：冻结法；水文孔；特殊地层；判定
Abstract: based on several categories of special strata in actual hydrological hole for detailed reports the judgement of the analysis for future similar strata in mine construction freeze in how to determine the frozen wall into providing some reference circle.
Keywords: freezing method; Hydrological hole; Special formation; judgement
中图分类号：[P345]文献标识码：A文章编号：
水文孔冒水是判断冻结壁是否形成交圈的最直观表象，被形象地称为冻结法施工的眼睛。但在实际施工过程中，并不是所有地层的冻结井筒水文孔都能正常冒水，报导冻结壁的交圈情况。在一些富含承压水的地层，水文孔下管后水位就可能到达管口甚至溢出；还有一些含水率极低的地层，即使冻结壁已经交圈，但是由于报导层位含水量过少，导致水文孔不能正常冒水。本文根据水文孔实际报导情况对其在特殊地层中交圈的判定作详细的分析。
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一、含水率极低地层中判断冻结壁是否交圈
甘肃中东部地区某井筒，冻结段以第四系、第三系地层为主，第四系厚110m，地质资料显示，该系含水层主要集中在75～109m，地层为砂砾层、含水率低。项目部依据地层将水文孔布置距井筒中心1.2m圈径上，深度定为101m，报导层设置在85～99m之间，经实测水文孔的原始水位为95m。为了通过水文孔准确判定冻结壁是否交圈，施工中将水文孔兼作内侧测温孔使用，经测定水文孔报导层90m处原始地温12.8℃，冻结孔最大孔间距为1.699m,50天后该点温度降至8.5 ℃，该井筒设计冻结壁厚4.3m，冻结孔布置圈径为14.7m。为了确定水文孔报导层位以上冻结壁是否交圈，可以通过零阶贝塞尔函数计算分析。
依据零阶贝塞尔函数知x=r=1.2m时，=0.671
井内降温区温度场公式为：
式中：t——对应于r点的温度；t0——原始温度；α——导温系数；τ——时间；R——冻结壁内侧壁面距井筒中心的距离；r——圆柱坐标。
将上式转化为：t/=0.619
其中=；R==5.17m
冻结壁厚度E为：
E==3.96~3.63m
冻结壁厚度表明，冻结孔冻土发展的最小半径为1.815m，大于冻结孔最大孔间距（1.699m），由此可判定冻结壁已经交圈。此例中运用零阶贝塞尔函数计算分析成功的判定在含水率极低地层中水文孔不冒水的情况下冻结壁的交圈情况，而在井筒实际掘砌过程中，通过对冻结壁的发展计算、井筒顺利掘进、井帮情况的观测等也证实了上述分析判断是准确的。
二、水文孔水位波动异常地层冻结壁交圈的判定
安徽淮南地区某井筒，冻结深度为532m，井筒净直径7.5m，采用4排孔冻结，依据水文地质情况共布设3个水文孔，深度分别为：38m、77m和321m，对应编号为1#、2#、3#。冻结于2009年4月30日开机运转，1#水文孔于2009年6月12日冒水，历时44天；2#水文孔于6月15日冒水，历时47天；3#水文孔水位在7月1日大幅度的上升，但随后两天趋于缓慢上升,最高上升至距水文孔管口2.94米，7月4日水位开始下降，随后在距水文孔管口3.06米处上下徘徊。
针对3#水文孔水位从大幅上升——缓慢上升——下降的现象，根据测得数据对冻结壁发展情况进行计算，根据经验公式计算中圈冻结壁的发展半径为
1.32m；根据R2=计算中圈冻结壁的发展半径为1.55m，中排孔最大孔间距2.2m，说明冻结壁壁均能形成交圈，进而推断冻结壁帷幕没有形成交圈封闭不成立。观察测量后发现水文管在-3.06m处因焊接质量或材质问题有渗漏显然也不成立。之后，假设冻结壁被击破，导致水文孔水位下降，从监测数据得知，7月1日水位下降的幅度小于2cm/h，说明即使冻结壁被击破裂隙也很小。冻结帷幕交圈后，井筒内的水受冻土产生的冻胀力挤压，将通过水文管内冒水向外释放，即水文孔内的水位上升。为了减小因水位升高产生的压力，采用人为的办法降低水位，用自吸泵把水文管内的水抽到管外，加快冻结帷幕的形成。7月4日从水文管内分析得知，每次抽水随时间延续水位上升速度减缓，如果水文管渗漏，管内的水位上升应是匀速。进一步证明水文管渗漏的假设是不成立的。7月5日水文孔水位从2.96m持续下降到7月11日4.95m。下降的幅度比抽水试验前大，与预期的截然相反。注水后发现相同的时间内第二次注满水位下降速度比第一次减缓。7月13日，对水文管水位进行观测，频率每两小时一次，下午14:00水位降至6.09m,随后发现水位向上波动，14日6:00水位6.02m，1更多内容请访问久久建筑网
5、16日水位开始持续上升，17日22时2分，3#水文孔实现冒水。
3#水文孔的冒水，不仅为工程前期建设赢得工期，更重要的是它为今后这一地区的矿井冻结施工积累了宝贵的经验。如果不对水文孔处理，而是一味等待，或许也能冒水，将势必给井筒掘砌施工带来更大的困难（下部冻土入荒量必然增大），增加建井成本的同时将延长建井周期。
三、富含承压水地层水文孔交圈的判定
河南焦作矿区某井筒，冻结深度575m，井筒净直径6.5m,为当时国内第一冻结深井，采用4圈孔冻结，在井筒中共设有3个水文孔，深度分别为235m、343m、489m，对应编号为1#、2#、3#，其中3#水文孔报导466. 8～472.6m和480.7～484.0m两个层位。由于该地区受太行山脉影响，地层承压水较大，3#水文孔下管后，管口即喷出承压水，为防止水流扰动影响冻结效果，采取将该水文孔管口焊接盖板密封加装压力表测得水压为3.5kgf/cm2，冻结于2005年2月28日开机，开机初期该水文孔压力一直在维持在3.5kgf/cm2，说明承压水的水头压力为
3.5kgf/cm2，4月13日即开机41天压力表水压出现变化，达到4.5 kgf/cm2，说明地下水已经受到冻胀作用的影响。观测前期，为防止水压过大，将刚形成的冻结壁击穿，每次观测水压后，都会将压力释放掉，然后重新记录水压变化情况；后期，通过估算冻结壁已经具有一定的强度和厚度，不再释放压力，到4月28日水文孔压力达到19.3 kgf/cm2，结合测温资料及冻结造孔资料分析判定水文孔报导层冻结壁已经交圈。
承压是由一定的静水压所致，承压水在水文管管口安装压力表后，由于虹吸作用，表压在很短时间内反映出静水压，此后不再增加；而冻胀水是由于冻结壁交圈，地层内含水土体转变成结冰土体，土体体积膨胀后产生冻胀力将报导层中未结冰的水通过设置在水文管上的花管，挤入水文管，随着冻结的延续，挤入水文管内的水越来越多，从而使水从水文管冒出，形成冒水。当在观测过程中随着冻胀力的增加，表压不断增加，若不释放，冻胀力增大到一定程度将击穿冻结壁的某一薄弱环节，从而释放而出。依据二者的区别，在水文孔水位报导异常时，可以借助压力测试等手段判断出冻结壁是否交圈。
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四、结语
通过对上述几例特殊地层中水文孔交圈情况的分析和判定，看出随着各类矿井的建设需要、矿井建设区域的扩展和冻结工艺的快速发展，在冻结井筒的施工过程中将会遇到各种各样的新问题，只要运用系统的思维，科学的分析和严谨的态度对待施工实践，相信这些方面的难题都能迎刃而解。
参考文献：
[1]中国矿业学院.特殊凿井.北京：煤炭工业出版社，1981.
[2]沈季良.建井工程手册（四）.北京：煤炭工业出版社，1986.
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