富水软岩地层特点及凿井方法

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　　【摘要】 总结了软岩特点，结合近年来软岩地层井筒施工经验和教训，对软岩地层筒施工方法进行分析和探讨，并着重对安全可靠的冻结法施工的优劣及应注意的问题进行了探讨，可以供设计和建设单位参考和借鉴。
　　【关键词】 软岩特点   井筒施工方法   冻结
　　 在我国，随着西部大开发步伐的加快，内蒙、陕甘宁等软岩地区煤炭资源的开发力度也大大加快。所以近年来在软岩内开凿的井筒大量涌现，而且在取得一定成绩的同时，也存在着大量的问题和教训，并已引起业界的关注。可以说，在软岩内开凿井筒目前在我国基本上算是新生事物，虽然经过几年来的探索和研究，取得了巨大的进步，获得了一些新的认识，但仍需进一步深入研究和总结，其中包括井筒施工方法选择。
　　 1  软岩的基本特点
　　 1.1 强度低。这是软岩的典型特点之一。软岩普氏系数一般小于1.5，大部分小于3，局部手可搓碎，但同时又有别于其它地区强度亦较低的风化破碎岩。软岩尽管强度低，但在不受水和风化等影响时自稳性较好，这种条件下采用普通法凿井即可。
　　 1.2 水敏性强、遇水软化。这也是软岩的典型特点之一。软岩遇水软化而强度降低，有的软岩具吸水膨胀特性，极端的遇水溶解或崩解成流沙状。软岩的这一特点是普通法凿井不能顺利通过富水软岩的原因之一。
　　 1.3 易风化。软岩与空气接触后易风化、失水碎裂，部分极易风化、呈粉末状。
　　 1.4 泥质胶结。这是软岩的又一典型特点，也可以说是软岩存在上述几个特点的根本原因所在。软岩一般裂隙不发育，富存的水以空隙水为主，一旦水力联系被扰动、泥质胶结物被破坏，则软岩软化甚至液化，此时地层可注性差。
　　 1.5 以砂岩为主，含水层单层厚度较大，且往往无相对较好的隔水层，即各含水层之间存在一定的水力联系。
　　 1.6 井筒实际涌水量往往比钻探成果偏大，且区域差异性也较大。造成这种现象的原因可能是软岩既有别于第四系砂层又有别于硬岩的特殊结构。
　　 1.7 软岩地层以白垩系最为典型。
　　 2  施工方法
　　 2.1 普通法
　　 软岩地层内采用普通法开凿的井筒亦不少，既有成功的经验，也有惨痛的教训。这也正好可以联系岩层富水和无水两种地质条件。无水条件下井帮稳定、多以钻爆法为主；富水条件下片帮、抽帮现象严重，井壁质量差，甚至不得不采用特殊工法进行处理，如陕西的亭南煤矿、内蒙的塔然高勒、五间房、甘肃的花草滩煤矿等等，教训极为深刻。
　　 2.2 注浆法
　　 软岩注浆施工也有地面和工作面预注浆两种方式。采用地面预注浆的如宁夏的石槽村、麦垛山煤矿等；采用工作面预注浆的如塔然高勒、五间房、红柳、花草滩煤矿等。
　　 纵观近年来软岩地层注浆法施工结果，多以失败告终，但也有成功经验，如石槽村、红柳等：若软岩富含水且以空隙水为主时注浆均告失败；反之，若以裂隙水为主或含水量小时注浆有一定效果。此外，软岩地层采用化学注浆效果相对好一些。
　　    究其原因如下：泥质胶结→水的扰动→流沙→可注性极差。
　　 因此，笔者认为井检孔资料（如含水层水的富存状态等）准确性很重要，不要轻易对注浆报有较大的希望。
　　 2.3 超前降水法
　　 以宁夏的麦垛山主副井为例，在采用地面预注浆失败后，决定采用超前降水法施工，即在井筒周围均布4个降水井、超前工作面50m降水。经过数月实践，目前又以失败告终，拟采用冻结法施工。
　　 2.4 钻井法
　　    在深厚软岩地层中采用钻井法施工在国内尚无先例，但仅从软岩的结构和强度分析，该法的确可行，值得业界探讨和尝试。当然，有几个显而易见的问题需要考虑，如进度、废浆排放与处理、冬季低温环境中泥浆系统防冻及井壁养护条件的改善等。
　　 2.5 冻结法
　　 冻结法是被业界普遍认可的、最可靠的工法，具有工期、费用可控，安全度高、有保障，井壁质量好及地层扰动小等优势。但也存在费用高和对供电能力要求高等劣势。目前，冻结法已被广泛应用于软岩凿井中去。
　　 3  软岩冻结施工特点及注意事项
　　 3.1 软岩冻岩试验表明：冻结条件下强度大大提高（4倍以上），试样破坏形态与完整硬岩的破坏形态相似。
　　 3.2 冻结孔施工难度大：岩石软硬不一、进尺较慢，地层不造浆，冬季气温极低，局部易缩径等。
　　 3.3 应注意的几个问题：
　　 ① 优化方案：尽可能减少钻孔工程量，必要时可延长开挖前冻结时间来弥补。
　　 ② 冻结井壁设计：目前既有采用单层井壁的亦有采用双层井壁的。仍需进一步研究和实践。
　　 ③ 煤层冻结：近年来，有多个井筒在穿越煤层时发生透水事故。但实践表明，煤层一般不含水且极不易冻结，因此，作者认为应该认真分析事故产生的机理和条件，不宜仅考虑煤层自身冻结交圈封水。
　　 ④ 供电系统满足需要。
　　 ⑤ 冻结深度：由于含水层厚度一般较大、各含水层之间往往无相对较好的隔水层，因此一定要慎重地确定冻结深。
　　 ⑥ 井检孔抽水试验：方法要科学、标准要提高、成果要可靠，要认清软岩与第四、三系地层和硬岩基岩的区别。
　　 ⑦ 斜井冻结：长距离斜井冻结施工在国内尚无已竣工先例，尽管目前有多个冻结斜井在施工过程中。但作者认为斜井冻结不容易，仍有大量细节问题需要认真对待。
　　 4  井筒开工顺序
　　 井筒建设对整个矿井来说是极为重要的一个环节，可结合实际合理确定各井筒的开工时间，并优先选择最可靠的施工方法确保关键线路上的井筒安全、顺利到底。这样不仅可以减轻供电压力，而且必要时利用井底联络巷结合导水法等为其它井筒施工创造条件。
　　 5  结语
　　 在软岩内开凿的井筒在急剧增加，应认真总结以往的经验和教训，认清软岩的特点，选择合理的施工方法和井筒开工顺序，同时加大科研投入和力度，为我国新矿井建设又好、又快、又省奠定基础。
　　作者简介
　　王宗金（1971--），男，安徽淮北人，高级工程师，工程硕士。1996年毕业于西安矿业学院矿井建设专业，从事冻结法施工多年。现任中煤特殊凿井集团冻结工程处总工程师。

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