CN111734416A - 一种深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法，并公开了具体的七个步骤，包括设计井筒的冻结孔、隔温孔、水文孔，并确定每个孔的深度；在造孔施工前堵漏，以防止塌孔、卡钻、埋钻、减少漏浆量；施工冻结孔、隔温孔、水文孔，在井筒掘砌荒径外冻结孔打钻完成后，由地面制冷站向冻结孔不断供应冷量，使地层冻结形成封闭的冻土墙，确保已成井筒地层和未掘砌段地层冻结壁交圈封水，冻结孔继续供应冷量，使封闭的冻土墙不断扩展达到一定的厚度和强度，确保下部冻结段井筒掘砌不受地层中水及流沙的影响。本发明安全、可靠性高，对环境污染小；不但实现了井筒安全顺利开挖，而且保证了井壁的质量，为深厚富水软岩井筒的施工提供可靠保障。

Description

一种深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法

技术领域

本发明涉及一种深厚富水岩井的施工方法，尤其涉及一种深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法。

背景技术

矿井正常的施工方法主要有三种，普通法施工、冻结法施工、注浆法施工，其中，普通法施工的优点在于成本最低，但是，受地质条件影响较大，井筒越深，地质条件越复杂，尤其是西部地区，地下含水层厚度大，涌水量较大，导致普通法凿井无法正常施工。

注浆法施工，在遇到白垩系风化带和洛河组等深厚含水地层后，都因为岩系涌水量大，自稳性差，注浆效果达不到预计效果，甚至出现淹井，不得不停止掘砌进。

冻结法施工的成本最高，主要是考虑岩石地层裂隙多、岩石倾角大，地层含水率等原因，采用冻结法施工。

而对于在普通法正常施工的过程中，遇到深厚富水岩的地层结构时，如何继续施工，存在各种各样的问题，现有的方法无法完成。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法，适用于采用普通法凿井过程中出现涌水、涌砂等导致无法继续掘进的各类井筒。

为达到上述目的，本发明所采用的技术手段是：一种深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法，具体步骤如下：

步骤一、根据井筒的水文地质情况，设计井筒的冻结孔、隔温孔、水文孔，并确定每个孔的深度；

步骤二、在造孔施工前，在已掘砌部分，尤其是表土段与基岩段交界面，采用水泥浆灌浆封孔，实现地层、井壁后及硐室或马头门的堵漏，保证钻孔正常施工；对表土段地层、基岩段，配制携砂堵漏型化学泥浆，以防止塌孔、卡钻、埋钻、减少漏浆量，提高钻孔速度；

步骤三、施工冻结孔，采用定向纠偏，每钻进30m测斜一次，严格控制内偏，对超偏及时进行纠偏，并及时绘制钻孔偏斜图，不符合设计要求的必须打补孔；

步骤四、为防止冻结孔解冻后串水，在钻孔成孔后、冻结管下放前，用加缓凝剂的水泥浆置换冻结孔内的泥浆，充填冻结管与孔壁之间的透水通道，在硐室施工时对冻结管进行封堵处理，内衬管焊接要打坡口分层焊接，试压封口后，及时将冻结管周围空隙用土填实，防止泥浆串孔；

步骤五、施工隔温孔，隔温孔布置圈径与采用冻结法进行下部冻结处理的井筒成品井壁之间设定安全距离，防止冻结壁发展对已成井壁产生冻胀而冻坏井壁；

步骤六、施工水文孔，水文孔开孔位置布置在井筒以外，在满足施工的前提下，位置靠近井壁，防止水文孔在观测过程中被冻结，钻孔穿过已掘砌井筒深度后，采用钻孔定向纠偏，使下部钻杆偏进原井筒中心附近打孔，下部偏斜率不得影响水文管下放；

步骤七、在井筒掘砌荒径外冻结孔打钻完成后，由地面制冷站向冻结孔不断供应冷量，使地层冻结形成封闭的冻土墙，确保已成井筒地层和未掘砌段地层冻结壁交圈封水，冻结孔继续供应冷量，使封闭的冻土墙不断扩展达到一定的厚度和强度，确保下部冻结段井筒掘砌不受地层中水及流沙的影响。

进一步的，所述步骤二中，水泥浆的水灰比在1：0.8～1：1.4之间，其抗压强度在5.00MPa～12.00MPa；施工中要根据具体地层情况来选择浆液的施工配合比；携砂堵漏型化学泥浆为在粘土中添加锯末、高粘堵漏剂，用搅拌机拌匀获得，施工时，孔外再配高粘度浆液，冲孔2个小时，所述高粘度浆液为按5m³清水中加50Kg高粘堵漏剂配置而成。

进一步的，所述步骤七中，冻结孔保持运行同时，隔温孔投入运行，控制上部已成井壁段地层冻结壁的发展，保护上部已成混凝土井壁不会因为冻胀而被破坏；冻结施工时监测监控供冷，及时调整冻土发展速度，有效防止冻土入荒对已有井壁造成破坏，冻结壁交圈后隔温孔立即循环热水。

更进一步的，所述隔温孔运行采用隔温孔循环节能系统，以地面冷凝器回水作为隔温孔循环水，水温度控制在20～25℃，当冷凝回水温度低于20℃时开启辅助加热装置对隔温孔进水加热，当冷凝器回水温度满足隔温孔温度要求时，辅助加热装置停止加热；循环水通过水泵加压进入隔温孔，进行冷热交换后，重新回到冷凝器中作为冷却水水源。

更进一步的，所述隔温孔循环节能系统包括蒸发式冷凝器、安装辅助加热装置的热水箱、水泵、热水配液圈、冷水集液圈，蒸发式冷凝器中的热水进入热水箱，水泵将热水箱中的热水泵入热水配液圈，热水配液圈与冷水集液圈冷热交换后，冷水返回蒸发式冷凝器作为冷却水水源。

进一步的，所述步骤七中，冻结壁交圈过程中，设置关门冻结孔，关门冻结孔最后投入冻结运行，施工中，分析比较各含水层位孔间距大小，用关门冻结孔控制冻结壁交圈时间，避免不同含水层交圈的冻胀水相互影响，实现各层冻结壁的快速交圈。

进一步的，所述步骤五中，隔温孔设置在距离井筒混凝土外壁1.2±0.2 m，在隔温孔与已成井壁之间设置同等深度的测温孔，以监测内侧冻结壁的温度和分析隔温孔的隔热效果，施工时严格控制内偏，并进行水泥浆置换。

本发明的有益效果在于：

1、用普通转冻结法，安全、可靠性高，对环境污染小；

2、不但实现了井筒安全顺利开挖，而且保证了井壁的质量，加快了建井速度；

3、为西部深厚富水软岩井筒的继续施工提供可靠保障，推动冻结施工技术的发展，完善和发展了井筒冻结施工技术理论和技术体系；

4、关门冻结孔设计使得井筒提前开挖，减少了制冷站开机台班；

5、隔温孔循环水与冷凝器循环水的相互充分利用，实现了节能降耗目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

图1 为本发明的施工工艺流程图；

图2 为本发明的隔温孔循环节能系统图；

图3 为本发明冻结孔、水文孔布置示意图；

图4 为本发明冻结孔、水文孔布置剖面示意图。

图中：1、蒸发式冷凝器，2、热水箱，3、水泵，4、热水配液圈，5、冷水集液圈，6、水文孔，7、隔温孔，8、冻结孔，9、已成井壁，10、未掘砌井壁。

具体实施方式

一种深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法，具体步骤如下：

步骤一、根据井筒的水文地质情况，设计井筒的冻结孔8、隔温孔7、水文孔6，并确定每个孔的深度；

步骤二、在造孔施工前，在已掘砌部分，尤其是表土段与基岩段交界面，采用水泥浆灌浆封孔，实现地层、井壁后及硐室或马头门的堵漏，保证钻孔正常施工；对表土段地层、基岩段，配制携砂堵漏型化学泥浆，以防止塌孔、卡钻、埋钻、减少漏浆量，提高钻孔速度；

步骤三、施工冻结孔，采用定向纠偏，每钻进30m测斜一次，严格控制内偏，对超偏及时进行纠偏，并及时绘制钻孔偏斜图，不符合设计要求的必须打补孔；

步骤四、为防止冻结孔解冻后串水，在钻孔成孔后、冻结管下放前，用加缓凝剂的水泥浆置换冻结孔内的泥浆，充填冻结管与孔壁之间的透水通道，在硐室施工时对冻结管进行封堵处理，内衬管焊接要打坡口分层焊接，试压封口后，及时将冻结管周围空隙用土填实，防止泥浆串孔；

步骤五、施工隔温孔，隔温孔布置圈径与采用冻结法进行下部冻结处理的井筒成品井壁之间设定安全距离，防止冻结壁发展对已成井壁产生冻胀而冻坏井壁；

步骤六、施工水文孔，因井筒已开挖到一定的深度，为防止管外环形空间串水，水文孔开孔位置布置在井筒以外，在满足施工的前提下，位置尽量靠近井壁，防止水文孔在观测过程中被冻结，钻孔穿过已掘砌井筒深度后，采用钻孔定向纠偏技术，使下部钻杆偏进原井筒中心附近打孔，下部偏斜率不得影响水文管下放；

步骤七、在井筒掘砌荒径外冻结孔打钻完成后，由地面制冷站向冻结孔不断供应冷量，使地层冻结形成封闭的冻土墙，确保已成井筒地层和未掘砌段地层冻结壁交圈封水，冻结孔继续供应冷量，使封闭的冻土墙不断扩展达到一定的厚度和强度，确保下部冻结段井筒掘砌不受地层中水及流沙的影响。

采用理论研究、现场测试、关键工序控制等多种方法相结合，其施工工艺流程如图1所示。

步骤二中，所述水泥浆的水灰比在1：0.8至1：1.4之间，其抗压强度在5.00MPa至12.00MPa。施工中要根据具体地层情况来选则优化浆液的施工配合比，从而得到合适水泥浆液的性能参数。

携砂堵漏型化学泥浆为用粘土、锯末、高粘堵漏剂堵漏，发生钻孔漏浆后起钻，在粘土中添加锯末、高粘堵漏剂，用搅拌机拌匀后慢慢加到孔内，孔外再配5m³高粘度浆液，即5m³清水中加50公斤高粘堵漏剂，冲孔2个小时，然后下钻用小泵量钻进即可。

步骤七中，冻结孔保持运行同时，隔温孔投入运行，控制上部已成井壁段地层冻结壁的发展，保护上部已成混凝土井壁不会因为冻胀而被破坏；冻结施工时监测监控供冷，及时调整冻土发展速度，有效防止冻土入荒对已有井壁造成破坏，冻结壁交圈后隔温孔立即循环热水。

隔温孔运行采用隔温孔循环节能系统，以地面冷凝器回水作为隔温孔循环水，水温度控制在20～25℃，当冷凝回水温度低于20℃时开启辅助加热装置对隔温孔进水加热，当冷凝器回水温度满足隔温孔温度要求时，辅助加热装置停止加热；循环水通过水泵加压进入隔温孔，进行冷热交换后，重新回到冷凝器中作为冷却水水源。

如图2所示，隔温孔循环节能系统包括蒸发式冷凝器1、安装辅助加热装置的热水箱2、水泵3、热水配液圈4、冷水集液圈5，蒸发式冷凝器1中的热水进入热水箱2，水泵3将热水箱2中的热水泵入热水配液圈4，热水配液圈4与冷水集液圈5冷热交换后，冷水返回蒸发式冷凝器作为冷却水水源。

隔温孔循环节能系统主要原理是地面冷凝器回水（当温度较低时加热）作为隔温孔循环水，进水温度20～25℃，通过水泵3加压进入热循环孔，在地下进行冷热交换后的回水温度10℃左右，重新回到冷凝器的冷却水循环系统中作为冷却水水源，有效地降低冷凝压力，提高制冷效率。当冷凝回水温度低于20℃时开启辅助加热系统对隔温孔进水加热；当冷凝器回水温度能够满足隔温孔去路温度要求时，辅助加热系统停止加热（辅助加热系统可设置温度报警自控装置），实现节能循环利用。

步骤七中，冻结壁交圈过程中，设置关门冻结孔，关门冻结孔最后投入冻结运行，施工中，分析比较各含水层位孔间距大小，用关门冻结孔控制冻结壁交圈时间，避免不同含水层交圈的冻胀水相互影响，实现各层冻结壁的快速交圈。

步骤五中，隔温孔设置在距离井筒混凝土外壁1.2±0.2 m，在隔温孔与已成井壁之间设置同等深度的测温孔，以监测内侧冻结壁的温度和分析隔温孔的隔热效果，施工时严格控制内偏，并进行水泥浆置换。

冻结孔施工是冻结的关键，直接关系到井筒普通法转冻结法施工工程能否顺利实施。如图3、4所示，在造孔施工时已掘砌部分尤其是表土段与基岩段交界面，会出现漏浆影响造孔施工质量及施工进度，需采用水泥浆灌浆封孔，实现地层、井壁后及硐室或马头门的堵漏，保证钻孔正常施工；

表土段地层容易塌孔、缩径，基岩段尤其是白垩系宜君组岩石破碎，易出现掉块卡钻等孔内事故，需配制携砂堵漏型化学泥浆，以防止塌孔、卡钻、埋钻、减少漏浆量，提高钻孔速度；

采用定向纠偏技术，每钻进30m测斜一次，严格控制内偏，如有超偏应及时进行纠偏，并及时绘制钻孔偏斜图，不符合设计要求的必须打补孔；

冻结管下放时，进行冻结管长度复测，清除管内异物，保证下放深度和畅通性；

为防止冻结管出现裂缝、渗漏，考虑放炮施工对冻结管的影响，必须严格控制冻结管焊接质量。内衬管焊接要打坡口分层焊接；

试压封口后，及时将冻结管周围空隙用土填实，防止泥浆串孔；

冻结管必须进行打压试漏，压力不小于规定的试验压力，经试压30分钟，压力下降不超过0.05 Mpa，再延续15分钟压力保持不变者为合格；

为防止冻结孔解冻后串水，在钻孔成孔后、冻结管下放前，需用加缓凝剂的水泥浆置换冻结孔内的泥浆，以充填冻结管与孔壁之间的透水通道；

对穿过硐室的冻结管如不加以有效处理，解冻后冻结管在自重力作用下对硐室结构威胁。除了冻结管下放前用水泥浆置换泥浆外，在硐室施工时还应对冻结管进行封堵处理。

如图3、4所示，水文孔6是判断冻结壁是否交圈的重要依据，修复井因井筒已开挖到一定的深度，无法按正常冻结井筒设置水文孔，需改变常规思维，对水文孔布置位置、结构进行改进，防止管外环形空间串水。

水文孔6布置位置改变：设计时不能在正常位置（井中）施工水文孔，将水文孔开孔位置布置在井筒以外，在满足施工的前提下，位置尽量靠近已成井壁9，这样可以有效防止水文孔在观测过程中被冻结。钻孔穿过已掘砌井筒深度后（在井筒已掘砌范围内要严格控制钻孔内偏，以防破坏已有井壁），采用定向纠偏技术，使下部钻孔偏进井筒内，下部偏斜不得过大，以免影响水文孔下放。

隔温孔7开启时间影响已成井筒地层冻结壁交圈封水和冻胀力是否对井壁作用。冻结施工时加强监测监控、合理供冷，以及时调整冻土发展速度，为有效防止冻土入荒对已有井壁造成破坏，冻结壁交圈后隔温孔即循环热水。

关门孔的选取应用，设计关门冻结孔，有效地实现了多层含水层冻结壁快速交圈，确保水文孔反映冻结壁交圈真实可靠，为确定井筒恢复施工时间提供依据。该技术同时适用于类似地层的新井冻结。

关门孔，即在冻结壁交圈过程中最后投入冻结系统运行的冻结孔。施工中，分析比较各含水层位孔间距大小，综合选取设计关门孔。采用关门孔来控制冻结壁交圈时间，避免不同含水层交圈的冻胀水相互影响，以实现各层冻结壁的快速交圈。关门孔设计实现了井筒的快速交圈，使得井筒提前开挖，减少了制冷站开机台班；隔温孔循环水与冷凝器循环水的相互充分利用，实现了节能目的。

根据矿井地质、水文特点，结合施工技术应用、分析和研究，结合西部富水软岩深立井冻结造孔、地下硐室堵漏及井筒冻结的工程实践，就修复井筒的冻结方案设计、施工方法、冻结壁快速交圈技术、施工过程控制及水文孔、冻结造孔堵漏工艺创新做全面研究，形成深厚富水软岩井筒普通转冻结法施工技术，解决了普通法施工遇到的技术难题，实现了上部井壁的完好及下部井筒的安全、顺利开挖。通过该方法施工，能充分考虑井筒建设的安全管理、质量、工期和施工费用达到可控状态。

本发明应用到普通法转冻结法施工的井筒中，获得了成功，安全、可靠性。不但实现了上部已成井壁完好，而且保证了下部井筒安全顺利开挖。为西部富水软岩井筒的继续施工提供可靠保障，推动冻结施工技术的发展，完善和发展修复井筒冻结施工技术理论和技术体系。

本发明的有益效果在于：

1、用普通转冻结法，安全、可靠性高，对环境污染小；

2、不但实现了井筒安全顺利开挖，而且保证了井壁的质量，加快了建井速度；

3、为西部深厚富水软岩井筒的继续施工提供可靠保障，推动冻结施工技术的发展，完善和发展了井筒冻结施工技术理论和技术体系；

4、关门冻结孔设计使得井筒提前开挖，减少了制冷站开机台班；

5、隔温孔循环水与冷凝器循环水的相互充分利用，实现了节能降耗目的。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法，具体步骤如下：

步骤一、根据井筒的水文地质情况，设计井筒的冻结孔、隔温孔、水文孔，并确定每个孔的深度；

步骤二、在造孔施工前，在已掘砌部分，尤其是表土段与基岩段交界面，采用水泥浆灌浆封孔，实现地层、井壁后及硐室或马头门的堵漏，保证钻孔正常施工；对表土段地层、基岩段，配制携砂堵漏型化学泥浆，以防止塌孔、卡钻、埋钻、减少漏浆量，提高钻孔速度；

步骤三、施工冻结孔，采用定向纠偏，每钻进30m测斜一次，严格控制内偏，对超偏及时进行纠偏，并及时绘制钻孔偏斜图，不符合设计要求的必须打补孔；

步骤四、为防止冻结孔解冻后串水，在钻孔成孔后、冻结管下放前，用加缓凝剂的水泥浆置换冻结孔内的泥浆，充填冻结管与孔壁之间的透水通道，在硐室施工时对冻结管进行封堵处理，内衬管焊接要打坡口分层焊接，试压封口后，及时将冻结管周围空隙用土填实，防止泥浆串孔；

步骤五、施工隔温孔，隔温孔布置圈径与采用冻结法进行下部冻结处理的井筒成品井壁之间设定安全距离，防止冻结壁发展对已成井壁产生冻胀而冻坏井壁；

步骤六、施工水文孔，水文孔开孔位置布置在井筒以外，在满足施工的前提下，位置靠近井壁，防止水文孔在观测过程中被冻结，钻孔穿过已掘砌井筒深度后，采用钻孔定向纠偏，使下部钻杆偏进原井筒中心附近打孔，下部偏斜率不得影响水文管下放；

步骤七、在井筒掘砌荒径外冻结孔打钻完成后，由地面制冷站向冻结孔不断供应冷量，使地层冻结形成封闭的冻土墙，确保已成井筒地层和未掘砌段地层冻结壁交圈封水，冻结孔继续供应冷量，使封闭的冻土墙不断扩展达到一定的厚度和强度，确保下部冻结段井筒掘砌不受地层中水及流沙的影响。

2.根据权利要求1所述的深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法，其特征在于：所述步骤二中，水泥浆的水灰比在1：0.8～1：1.4之间，其抗压强度在5.00MPa～12.00MPa；施工中要根据具体地层情况来选择浆液的施工配合比；携砂堵漏型化学泥浆为在粘土中添加锯末、高粘堵漏剂，用搅拌机拌匀获得，施工时，孔外再配高粘度浆液，冲孔2个小时，所述高粘度浆液为按5m³清水中加50Kg高粘堵漏剂配置而成。

3.根据权利要求1所述的深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法，其特征在于：所述步骤七中，冻结孔保持运行同时，隔温孔投入运行，控制上部已成井壁段地层冻结壁的发展，保护上部已成混凝土井壁不会因为冻胀而被破坏；冻结施工时监测监控供冷，及时调整冻土发展速度，有效防止冻土入荒对已有井壁造成破坏，冻结壁交圈后隔温孔立即循环热水。

4.根据权利要求3所述的深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法，其特征在于：所述隔温孔运行采用隔温孔循环节能系统，以地面冷凝器回水作为隔温孔循环水，水温度控制在20～25℃，当冷凝回水温度低于20℃时开启辅助加热装置对隔温孔进水加热，当冷凝器回水温度满足隔温孔温度要求时，辅助加热装置停止加热；循环水通过水泵加压进入隔温孔，进行冷热交换后，重新回到冷凝器中作为冷却水水源。

5.根据权利要求4所述的深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法，其特征在于：所述隔温孔循环节能系统包括蒸发式冷凝器、安装辅助加热装置的热水箱、水泵、热水配液圈、冷水集液圈，蒸发式冷凝器中的热水进入热水箱，水泵将热水箱中的热水泵入热水配液圈，热水配液圈与冷水集液圈冷热交换后，冷水返回蒸发式冷凝器作为冷却水水源。

6.根据权利要求1所述的深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法，其特征在于：所述步骤七中，冻结壁交圈过程中，设置关门冻结孔，关门冻结孔最后投入冻结运行，施工中，分析比较各含水层位孔间距大小，用关门冻结孔控制冻结壁交圈时间，避免不同含水层交圈的冻胀水相互影响，实现各层冻结壁的快速交圈。

7.根据权利要求1所述的深厚富水岩井筒普通转冻结法的施工方法，其特征在于：所述步骤五中，隔温孔设置在距离井筒混凝土外壁1.2±0.2 m，在隔温孔与已成井壁之间设置同等深度的测温孔，以监测内侧冻结壁的温度和分析隔温孔的隔热效果，施工时严格控制内偏，并进行水泥浆置换。

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