水文孔對特殊地層中交圈的判定
水文孔對特殊地層中交圈的判定
摘要：本文通過對幾類特殊地層中水文孔實際報導情況作詳細的判定分析，為今后在類似地層礦井凍結施工中如何判定凍結壁的交圈情況提供一些參考。
關鍵詞：凍結法；水文孔；特殊地層；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
中圖分類號：[P345]文獻標識碼：A文章編號：
水文孔冒水是判斷凍結壁是否形成交圈的最直觀表象，被形象地稱為凍結法施工的眼睛。但在實際施工過程中，并不是所有地層的凍結井筒水文孔都能正常冒水，報導凍結壁的交圈情況。在一些富含承壓水的地層，水文孔下管后水位就可能到達管口甚至溢出；還有一些含水率極低的地層，即使凍結壁已經(jīng)交圈，但是由于報導層位含水量過少，導致水文孔不能正常冒水。本文根據(jù)水文孔實際報導情況對其在特殊地層中交圈的判定作詳細的分析。
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一、含水率極低地層中判斷凍結壁是否交圈
甘肅中東部地區(qū)某井筒，凍結段以第四系、第三系地層為主，第四系厚110m，地質(zhì)資料顯示，該系含水層主要集中在75～109m，地層為砂礫層、含水率低。項目部依據(jù)地層將水文孔布置距井筒中心1.2m圈徑上，深度定為101m，報導層設置在85～99m之間，經(jīng)實測水文孔的原始水位為95m。為了通過水文孔準確判定凍結壁是否交圈，施工中將水文孔兼作內(nèi)側測溫孔使用，經(jīng)測定水文孔報導層90m處原始地溫12.8℃，凍結孔最大孔間距為1.699m,50天后該點溫度降至8.5 ℃，該井筒設計凍結壁厚4.3m，凍結孔布置圈徑為14.7m。為了確定水文孔報導層位以上凍結壁是否交圈，可以通過零階貝塞爾函數(shù)計算分析。
依據(jù)零階貝塞爾函數(shù)知x=r=1.2m時，=0.671
井內(nèi)降溫區(qū)溫度場公式為：
式中：t——對應于r點的溫度；t0——原始溫度；α——導溫系數(shù)；τ——時間；R——凍結壁內(nèi)側壁面距井筒中心的距離；r——圓柱坐標。
將上式轉(zhuǎn)化為：t/=0.619
其中=；R==5.17m
凍結壁厚度E為：
E==3.96~3.63m
凍結壁厚度表明，凍結孔凍土發(fā)展的最小半徑為1.815m，大于凍結孔最大孔間距（1.699m），由此可判定凍結壁已經(jīng)交圈。此例中運用零階貝塞爾函數(shù)計算分析成功的判定在含水率極低地層中水文孔不冒水的情況下凍結壁的交圈情況，而在井筒實際掘砌過程中，通過對凍結壁的發(fā)展計算、井筒順利掘進、井幫情況的觀測等也證實了上述分析判斷是準確的。
二、水文孔水位波動異常地層凍結壁交圈的判定
安徽淮南地區(qū)某井筒，凍結深度為532m，井筒凈直徑7.5m，采用4排孔凍結，依據(jù)水文地質(zhì)情況共布設3個水文孔，深度分別為：38m、77m和321m，對應編號為1#、2#、3#。凍結于2009年4月30日開機運轉(zhuǎn)，1#水文孔于2009年6月12日冒水，歷時44天；2#水文孔于6月15日冒水，歷時47天；3#水文孔水位在7月1日大幅度的上升，但隨后兩天趨于緩慢上升,最高上升至距水文孔管口2.94米，7月4日水位開始下降，隨后在距水文孔管口3.06米處上下徘徊。
針對3#水文孔水位從大幅上升——緩慢上升——下降的現(xiàn)象，根據(jù)測得數(shù)據(jù)對凍結壁發(fā)展情況進行計算，根據(jù)經(jīng)驗公式計算中圈凍結壁的發(fā)展半徑為
1.32m；根據(jù)R2=計算中圈凍結壁的發(fā)展半徑為1.55m，中排孔最大孔間距2.2m，說明凍結壁壁均能形成交圈，進而推斷凍結壁帷幕沒有形成交圈封閉不成立。觀察測量后發(fā)現(xiàn)水文管在-3.06m處因焊接質(zhì)量或材質(zhì)問題有滲漏顯然也不成立。之后，假設凍結壁被擊破，導致水文孔水位下降，從監(jiān)測數(shù)據(jù)得知，7月1日水位下降的幅度小于2cm/h，說明即使凍結壁被擊破裂隙也很小。凍結帷幕交圈后，井筒內(nèi)的水受凍土產(chǎn)生的凍脹力擠壓，將通過水文管內(nèi)冒水向外釋放，即水文孔內(nèi)的水位上升。為了減小因水位升高產(chǎn)生的壓力，采用人為的辦法降低水位，用自吸泵把水文管內(nèi)的水抽到管外，加快凍結帷幕的形成。7月4日從水文管內(nèi)分析得知，每次抽水隨時間延續(xù)水位上升速度減緩，如果水文管滲漏，管內(nèi)的水位上升應是勻速。進一步證明水文管滲漏的假設是不成立的。7月5日水文孔水位從2.96m持續(xù)下降到7月11日4.95m。下降的幅度比抽水試驗前大，與預期的截然相反。注水后發(fā)現(xiàn)相同的時間內(nèi)第二次注滿水位下降速度比第一次減緩。7月13日，對水文管水位進行觀測，頻率每兩小時一次，下午14:00水位降至6.09m,隨后發(fā)現(xiàn)水位向上波動，14日6:00水位6.02m，1更多內(nèi)容請訪問久久建筑網(wǎng)
5、16日水位開始持續(xù)上升，17日22時2分，3#水文孔實現(xiàn)冒水。
3#水文孔的冒水，不僅為工程前期建設贏得工期，更重要的是它為今后這一地區(qū)的礦井凍結施工積累了寶貴的經(jīng)驗。如果不對水文孔處理，而是一味等待，或許也能冒水，將勢必給井筒掘砌施工帶來更大的困難（下部凍土入荒量必然增大），增加建井成本的同時將延長建井周期。
三、富含承壓水地層水文孔交圈的判定
河南焦作礦區(qū)某井筒，凍結深度575m，井筒凈直徑6.5m,為當時國內(nèi)第一凍結深井，采用4圈孔凍結，在井筒中共設有3個水文孔，深度分別為235m、343m、489m，對應編號為1#、2#、3#，其中3#水文孔報導466. 8～472.6m和480.7～484.0m兩個層位。由于該地區(qū)受太行山脈影響，地層承壓水較大，3#水文孔下管后，管口即噴出承壓水，為防止水流擾動影響凍結效果，采取將該水文孔管口焊接蓋板密封加裝壓力表測得水壓為3.5kgf/cm2，凍結于2005年2月28日開機，開機初期該水文孔壓力一直在維持在3.5kgf/cm2，說明承壓水的水頭壓力為
3.5kgf/cm2，4月13日即開機41天壓力表水壓出現(xiàn)變化，達到4.5 kgf/cm2，說明地下水已經(jīng)受到凍脹作用的影響。觀測前期，為防止水壓過大，將剛形成的凍結壁擊穿，每次觀測水壓后，都會將壓力釋放掉，然后重新記錄水壓變化情況；后期，通過估算凍結壁已經(jīng)具有一定的強度和厚度，不再釋放壓力，到4月28日水文孔壓力達到19.3 kgf/cm2，結合測溫資料及凍結造孔資料分析判定水文孔報導層凍結壁已經(jīng)交圈。
承壓是由一定的靜水壓所致，承壓水在水文管管口安裝壓力表后，由于虹吸作用，表壓在很短時間內(nèi)反映出靜水壓，此后不再增加；而凍脹水是由于凍結壁交圈，地層內(nèi)含水土體轉(zhuǎn)變成結冰土體，土體體積膨脹后產(chǎn)生凍脹力將報導層中未結冰的水通過設置在水文管上的花管，擠入水文管，隨著凍結的延續(xù)，擠入水文管內(nèi)的水越來越多，從而使水從水文管冒出，形成冒水。當在觀測過程中隨著凍脹力的增加，表壓不斷增加，若不釋放，凍脹力增大到一定程度將擊穿凍結壁的某一薄弱環(huán)節(jié)，從而釋放而出。依據(jù)二者的區(qū)別，在水文孔水位報導異常時，可以借助壓力測試等手段判斷出凍結壁是否交圈。
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四、結語
通過對上述幾例特殊地層中水文孔交圈情況的分析和判定，看出隨著各類礦井的建設需要、礦井建設區(qū)域的擴展和凍結工藝的快速發(fā)展，在凍結井筒的施工過程中將會遇到各種各樣的新問題，只要運用系統(tǒng)的思維，科學的分析和嚴謹?shù)膽B(tài)度對待施工實踐，相信這些方面的難題都能迎刃而解。
參考文獻：
[1]中國礦業(yè)學院.特殊鑿井.北京：煤炭工業(yè)出版社，1981.
[2]沈季良.建井工程手冊（四）.北京：煤炭工業(yè)出版社，1986.
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