CN103277103B - 一种立井开凿穿越巨厚富水基岩非全深冻结方法 - Google Patents
一种立井开凿穿越巨厚富水基岩非全深冻结方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种立井开凿穿越巨厚富水基岩非全深冻结方法。该井筒自上而下依次穿越表土、富水基岩、隔水层、弱渗基岩,主冻结管自上而下依次穿越表土、富水基岩,深入到隔水层10~20m,非全深冻结深度为240m~260m,终止在弱渗水岩层中,防片帮冻深度为40m~45m;主冻管以井筒圆心为圆心环形布置,距离井筒外壁2m;防片帮冻结管只深入到表土43m,防片帮冻结管布置以井筒圆心为圆心环形布置,距离井筒外壁1m。具有施工快速、安全高效。可避免全深冻结井筒解冻后在施工马头门时容易导致地下水随着冻结管和测温管形成的环形导水通道损害马头门及有关硐室岩体引起的水害,节约了涌水治理费用,保证马头门及硐室安全施工。
Description
技术领域
本发明涉及立井开凿冻结施工法,具体涉及一种立井开凿穿越巨厚富水基岩非全深冻结方法。
背景技术
近年来的许多矿井建设都在地质条件复杂的地区进行,这些矿井大多需穿越400~700m(少数近1000m)的深厚土层或岩层,在这种情况下进行矿井建设将面临地下高应力岩石和长期超固结土及更为复杂的水文地质条件、瓦斯和高温等极端恶劣的工程环境条件,用常规凿井法将遇到很大困难,甚至不可能。当遇到富水岩层时,采用常规的凿井法,由于涌水量大,注浆质量不好,注浆后的涌水量仍在10m3/h,达不到预想的堵水效果,对工程进度和井壁质量均造成一定影响。而人工冻结凿井法通过冻结土层或岩层中的水使之形成帷幕,在堵水效果方面有更可靠的保证,可为施工单位创造良好的施工环境,保证了施工安全和工程质量,比较容易实现“打干井”的目标。但是全深冻结法存在施工工期长,工程费用高,严重影响了矿井的投产时间等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种施工速快,工程费用造价低,施工安全,效率高的一种立井开凿穿越巨厚富水基岩非全深冻结方法。
为了达到发明目的,本发明的技术方案是这样解决的:一种立井开凿穿越巨厚富水基岩非全深冻结方法,该井筒从上而下依次穿越表土、富水基岩、隔水层、弱渗基岩,主冻结管从上而下依次穿越表土、富水基岩,深入到隔水层10~20m,主冻结管布置以井筒圆心为圆心环形布置,距离井筒外壁2m;防片帮冻结管只深入到表土43m,防片帮冻结管布置以井筒圆心为圆心环形布置,距离井筒外壁1m,矿井井筒由主立井、副立井组成,其中,主井井深418.2m,井筒净直径φ7.5m;副井井深403.3m、井筒净直径φ8.5m,上述非全深立井冻结方法按下述步骤进行:
(1)冻结方式
根据井筒掘砌综合成井速度不少于65米/月的施工要求,为了保证冻结壁的有效厚度,实现井筒尽快开挖,并使井筒连续掘砌施工,经过对冻结壁形成及井筒掘进速度情况进行动态分析,以井筒掘砌至各水平时,冻结壁能够保证连续安全掘砌施工为原则,采取主冻结孔加防片帮冻结孔的冻结方案;
(2)冻结深度的确定
井筒冻结深度按地钻探柱状图和井筒穿过的岩层确定非全深冻结深度从地表至240m~260m,终止在弱渗水岩层中,防片帮孔冻结深度为40m~45m;
(3)冻结技术参数的确定
根据立井工程地质条件,冻结参数确定如下:
①积极冻结期盐水温度为-30~-32℃,维护冻结期盐水温度为-22~-24℃,盐水比重取1.27;
②冻结壁厚度
根据矿井基岩段地层的水文工程地质条件,冻结壁计算采用多姆克公式 计算;
——冻结壁厚度,m
——井筒掘进半径,m;
——瞬时抗压强度的1/(2~2.5),MPa;
——计算深度的地压,按重液公式计算,MPa。
由于井筒冻结的主要地层均为白垩系软岩,根据计算结果和类似地质条件井筒冻结施工经验,确定井筒冻结壁厚度取2.8m~3.0m;
(4)、冻结钻孔布置
1)、主井冻结孔圈φ为13.0m~14.0m,副井冻结孔圈φ为14.0m~15.0m,;
2)、主井冻结防片帮孔圈φ为11.0m~12.0m,副井冻结防片帮孔圈φ为12.0m~13.0m;
3)、主井冻结孔深度为240m~245m,副井冻结孔深度为245m~260m;
4)、主井冻结防片帮孔深度为40m~45m,副井冻结防片帮孔深度为40m~45m;
5)、主井冻结孔圈径上等距离设置33~40个冻结孔;
6)、主井冻结防片帮孔圈径上等距离设置13~18个冻结孔;
7)、两个相邻的冻结孔中心线之间的距离为1260㎜~1350㎜;
8)、两个相邻的防片帮冻结孔中心线之间的距离为1260㎜~1350㎜;2400㎜~2420㎜;
9)、主井筒中心线与井壁内径之间的半径Υ为3700㎜~3800㎜;
10)、主井筒中心线与井壁外径之间的半径Υ为4700㎜~4800㎜;
11)、主井筒中心线与防片帮冻结孔中心线之间的半径Υ为5700㎜~5800㎜;
12)、主井筒中心线与主井冻结孔中心线之间的半径Υ为6600㎜~6700㎜;
13)、主井筒中心线与第一水文孔中心线之间的距离为1000㎜~1200㎜;
(5)冻结管结构
井筒冻结孔在200m以上位置,***140×5mm的无缝钢管,井筒冻结孔在200m以下位置,***140×6mm无缝钢管,两壁厚的无缝钢管通过内接箍连接方式连接;
(6)测温孔设计
为了准确掌握冻结温度场变化情况,主、副井各设计至少3个测温孔,测温孔深度由地表至井底依次分别为:1#孔布置在水流上方,布置在主井冻结孔圈径外侧主面上,测温孔距孔圈距离相距1.0m,主、副井测温孔深为50m;测温2#孔布置在主孔终孔孔间距最大处,布置在主孔圈径外侧界面上,距布孔圈径1.0m,主、副井孔深为223m;测温3#孔布置在防片帮孔终孔间距最大处,布置在防片帮孔圈径内侧界面上,距布孔圈径0.3m,主、副井孔深均为250m;测温管采用108×5mm无缝钢管,外接箍连接;
(7)水文孔设计
为了准确报导冻结壁交圈情况,根据井检孔资料,主、副井各设计水文孔1个,孔深130m~140m,其中滤水层位从地表依次分别为10~15m、71~76m、128~133m,采用108×5mm无缝钢管,外接箍连接方式;
封止水位置
主、副井水文孔均在3~8m段进行封止水,封止水材料为海带粘土;封止水材料下置后要进行效果检查,不合格应重新下置,直至合格为止。
本发明的非全深冻结法施工立井与全深冻结施工立井相比具有的主要优点是:
第一,经济效益显著,某矿区立井井筒冻结费用每延米7.8万元,主井筒采用非全深冻结法比采用全深冻结节约冻结费用1374.36万元,副井井筒采用非全深冻结法比采用全深冻结节约冻结费用1195.74万元,合计节省冻结费用2570.1万元。
第二,非全深冻结法冻结管和测温管的终孔位置在安定组中,避免出现全深冻结井筒解冻后在施工马头门时容易导致的地下水随着冻结管和测温管形成的环形导水通道损害马头门及有关硐室岩体引起的水害,减少了水害,节约了涌水治理费用,保证了马头门及有关硐室的安全施工。广泛用于煤矿建设行业。
附图说明
图1为本发明冻结法凿井结构示意图;
图2为图1的A-A剖视结构示意图;
图3为主井冻结钻孔俯视布置结构示意图;
图4为图3的主视剖视结构示意图;
图5为副井冻结钻孔俯视结构示意图;
图6为图5主视剖视结构示意图;
图7为表土及风化基岩段井筒破裂机理结构示意图;
图8为冻结法施工流程结构示意图。
图1中1—盐水泵;2—蒸发器;3—氨液分离器;4—氨压缩机;5—中间冷却器;6—油氨分离器;7—集油器;8-冷凝器;9—氨贮液器;10—空气分离器;11—冷却水泵;12—配、集液圈;13—冻结管;14—冻结壁;15—井壁。
图2中13—冻结管;14—冻结壁;15—井壁;16—水文观测孔;17--—测温孔。
具体实施方式
附图为本发明的实施例。
下面结合附图对发明内容作进一步说明:
参照图1、图2所示,盐水泵1通过管道及阀门依次分别与蒸发器2、氨液分离器3、氨压缩机4、中间冷却器5、油氨分离器6、集油器7、冷凝器8、氨贮液器9、空气分离器10、冷却水泵11、配、集液圈12、冻结管13、冻结壁14、井壁15连接;水文观测孔16、测温孔17单独成孔,不与之相连接。
实施例1
图3、图4所示,一种立井开凿穿越巨厚富水基岩非全深冻结方法,该井筒从上而下依次穿越表土、富水基岩、隔水层、弱渗基岩,主冻结管从上而下依次穿越表土、富水基岩,深入到隔水层10~20m,主冻结管布置以井筒圆心为圆心环形布置,距离井筒外壁2m;防片帮冻结管只深入到表土43m,防片帮冻结管布置以井筒圆心为圆心环形布置,距离井筒外壁1m,矿井井筒由主立井、副立井组成,其中,主井井深418.2m,井筒净直径φ7.5m;副井井深403.3m、井筒净直径φ8.5m,上述非全深立井冻结方法按下述步骤进行:
(1)冻结方式
根据井筒掘砌综合成井速度不少于65米/月的施工要求,为了保证冻结壁的有效厚度,实现井筒尽快开挖,并使井筒连续掘砌施工,经过对冻结壁形成及井筒掘进速度情况进行动态分析,以井筒掘砌至各水平时,冻结壁能够保证连续安全掘砌施工为原则,采取主冻结孔加防片帮冻结孔的冻结方案;
(2)冻结深度的确定
井筒冻结深度按地钻探柱状图和井筒穿过的岩层确定非全深冻结深度从地表至240m~260m,终止在弱渗水岩层中,防片帮孔冻结深度为40m~45m;
(3)冻结技术参数的确定
根据立井工程地质条件,冻结参数确定如下:
①积极冻结期盐水温度为-30~-32℃,维护冻结期盐水温度为-22~-24℃,盐水比重取1.27;
②冻结壁厚度
根据矿井基岩段地层的水文工程地质条件,冻结壁计算采用多姆克公式计算;
——冻结壁厚度,m
——井筒掘进半径,m;
——瞬时抗压强度的1/(2~2.5),MPa;
——计算深度的地压,按重液公式计算,MPa。
由于井筒冻结的主要地层均为白垩系软岩,根据计算结果和类似地质条件井筒冻结施工经验,确定井筒冻结壁厚度取2.8m~3.0m;
(4)、冻结钻孔布置
1)、主井冻结孔圈φ为13.0m~14.0m,副井冻结孔圈φ为14.0m~15.0m,;
2)、主井冻结防片帮孔圈φ为11.0m~12.0m,副井冻结防片帮孔圈φ为12.0m~13.0m;
3)、主井冻结孔深度为240m~245m,副井冻结孔深度为245m~260m;
4)、主井冻结防片帮孔深度为40m~45m,副井冻结防片帮孔深度为40m~45m;
5)、主井冻结孔圈径上等距离设置33~40个冻结孔;
6)、主井冻结防片帮孔圈径上等距离设置13~18个冻结孔;
7)、两个相邻的冻结孔中心线之间的距离为1260㎜~1350㎜;
8)、两个相邻的防片帮冻结孔中心线之间的距离为2400㎜~2500㎜;
9)、主井筒中心线与井壁内径之间的半径Υ为3700㎜~3800㎜;
10)、主井筒中心线与井壁外径之间的半径Υ为4700㎜~4800㎜;
11)、主井筒中心线与防片帮冻结孔中心线之间的半径Υ为5700㎜~5800㎜;
12)、主井筒中心线与主井冻结孔中心线之间的半径Υ为6600㎜~6700㎜;
13)、主井筒中心线与第一水文孔中心线之间的距离为1000㎜~1200㎜;
(5)冻结管结构
井筒冻结孔在200m以上位置,***140×5mm的无缝钢管,井筒冻结孔在200m以下位置,***140×6mm无缝钢管,两壁厚的无缝钢管通过内接箍连接方式连接;
(6)测温孔设计
为了准确掌握冻结温度场变化情况,主、副井各设计至少3个测温孔,测温孔深度由地表至井底依次分别为:1#孔布置在水流上方,布置在主井冻结孔圈径外侧主面上,测温孔距孔圈距离相距1.0m,主、副井测温孔深为50m;测温2#孔布置在主孔终孔孔间距最大处,布置在主孔圈径外侧界面上,距布孔圈径1.0m,主、副井孔深为223m;测温3#孔布置在防片帮孔终孔间距最大处,布置在防片帮孔圈径内侧界面上,距布孔圈径0.3m,主、副井孔深均为250m;测温管采用108×5mm无缝钢管,外接箍连接;
(7)水文孔设计
为了准确报导冻结壁交圈情况,根据井检孔资料,主、副井各设计水文孔1个,孔深130m~140m,其中滤水层位从地表依次分别为10~15m、71~76m、128~133m,采用108×5mm无缝钢管,外接箍连接方式;
封止水位置
主、副井水文孔均在3~8m段进行封止水,封止水材料为海带粘土;封止水材料下置后要进行效果检查,不合格应重新下置,直至合格为止。
上述井筒特征见表1所示
所述冻结段井壁为双层井混凝土壁,内外壁共三层钢筋。其井壁结构见表2所示。
冻结壁厚度
根据矿井基岩段地层的水文工程地质条件,并结合类似地质条件下的冻结施工经验,冻结壁计算采用多姆克公式计算,计算参数及结果见表3所示。
由于井筒冻结的主要地层均为白垩系软岩,根据计算结果和类似地质条件井筒冻结施工经验,确定井筒冻结壁厚度取2.8m。
(4)钻孔布置设计
钻孔布置参数见表4所示。
冻结管结构设计
井筒冻结孔均下置140×5mm无缝钢管(200m以上)、140×6mm无缝钢管(200m以下)均采用内接箍连接方式。
实施例2
图5、图6所示,副井井深403.3m、井筒净直径φ8.5m,副井冻结孔深度为250m,冻结孔数为36孔,防片帮孔为16孔;两个相邻的冻结孔中心线之间的距离为1281㎜,两个相邻的防片帮冻结孔中心线之间的距离为2478㎜;副井井筒中心线与井壁内径之间的半径Υ为4250㎜;副井井筒中心线与井壁外径之间的半径Υ为5350㎜;副井井筒中心线与防片帮冻结孔中心线之间的半径Υ为6350㎜;副井井筒中心线与主井冻结孔中心线之间的半径Υ为7350㎜;副井井筒中心线与第一水文孔中心线之间的距离为1000㎜,其他参数同实施例1。
图7所示为主、副井筒涌水发生的机理,主副井所处地区洛河砂岩的透水性较好,渗透系数为0.07915m/d,洛河砂岩含水层与井筒间存在水力联系,地下水对井筒有较强的补给能力;基岩段出水地层分别为洛河砂岩及宜君砾岩,富水性中等,不易疏干。解冻后井筒周围冻结管形成环形导水通道,增大了井筒周围地下水的渗流速度,由于隔水层的存在,环形通道并未贯通整个井筒穿越地层,不会将水直接导入井筒下部周围弱含水层,从而导致巷道顶板渗漏水,但是却使冻结管所在地层井筒周围的渗流速度大大增加,增大了井筒周围地下水的压力,使得井筒出现渗漏水现象。煤矿主副井筒表土及风化基岩段井壁采用双层钢筋混凝土井壁支护,内外壁间存在空隙,井筒施工完成后,由于某些地方初期充填效果不好,冻结井壁解冻后,地下水会通过外层井壁施工接缝或其它裂缝处进入内外壁空间,基岩段单层井壁直接涌人井筒,表土及风化基岩段在一定水压条件下,地下水穿过井筒内壁薄弱处涌入,造成井筒涌水严重;一方面因为井筒的***开挖,围岩一定范围内产生非连续的塑性破坏,造成表土段各含水层存在一定的水力联系通道,导致注浆封堵过程中发现有串浆和新涌水点;另一方面井筒涌水,使岩土体静水平衡状态遭到破坏,孔隙水压减小,颗粒间有效应力增大,加之井壁周围冻结土融化造成地层部分液化,致使表土段地层产生固结沉降,因井筒周围地层整体下移与井壁竖直位移不同步,导致井壁外表面产生竖直附加应力(图7为表土及风化基岩段井筒破裂机理示意图)同时温度升高,井壁混凝土热胀冷缩,缝隙合拢,周围岩土体对井壁的包裹力产生向下的竖向压应力,这就导致井筒涌水量不增反减,这就导致井壁沿接茬或环形缝隙等弱面继续破坏。因此,应及时进行涌水防治工程,通过壁后注浆等手段堵死解冻后可能的涌水通道。
图8所示为冻结法施工流程结构示意图,首先收集水文和工程地质勘探资料,原状土和冻土试验资料,工程永久结构资料,通过对资料的整理和试验,组织有关专业的工程技术人员进行冻结施工组织设计,施工组织设计包括确定冻结壁厚度,冻结管间距、数量及布置,确定制冷量大小,冷媒及流速、流量,冷却水***设计,用电量大小,工程安全措施,施工工期,待施工组织设计完成后,承包方开始采购冷冻设备及材料进行冻结***安装和钻孔、测斜补挖及安装冻结管,然后分别进行试漏及密封、积极冻结及检验、工程开挖及维护冻结直至工程结束。
综上所述,结合矿区的地质及水文资料,对该矿井作了大量实验研究,最后的结论是:
(1)结合某矿区主、副井筒水文地质的具体情况,参照邻近矿井的井筒施工经验,可知该井筒采用普通方法无法安全施工,采用冻结法是可行的。
(2)基于主、副井筒水文地质赋存条件的分析、冻融岩石物理力学特性研究、普通方法和非全深冻结法法立井施工过程弹塑性渗流应用有限元耦合分析计算对比研究,得到了处于富水洛河砂岩地层的井筒采用非全深冻结法立井凿井方案决策的的理论基础。某矿区立井井筒非全深冻结法施工决策的三个条件是:
第一,当富水弱渗洛河砂岩层的渗透系数K0.07m/d,在普通方法施工时,井筒涌水量随着开挖深度增大急剧增长,主井在施工到一定埋深时数值模拟计算预测的涌水量达到警戒值。由于弱渗地层注浆效果差,采用普通方法凿井无法保证正常施工。
第二,立井井筒埋深范围内有安定组为隔水岩层(弱渗水岩层)作为冻结管的终孔位置。
第三,立井井筒埋深范围内隔水岩层(弱渗水岩层)至井筒底部的岩层渗透系数小,普通方法施工时的涌水量小,可进行普通方法施工。
(3)基于研究得到的某矿区富水洛河砂岩地层的立井采用非全深冻结法立井凿井方案的决策理论,确定了该煤矿井筒采用非全深冻结法法凿井。非全深冻结法施工立井与全深冻结施工立井相比具有的主要优点是:
第一,经济效益显著,某矿区立井井筒冻结费用每延米7.8万元,主井筒采用非全深冻结法比采用全深冻结节约冻结费用1374.36万元,副井井筒采用非全深冻结法比采用全深冻结节约冻结费用1195.74万元,合计节省冻结费用2570.1万元。
第二,非全深冻结法冻结管和测温管的终孔位置在安定组中,避免出现全深冻结井筒解冻后在施工马头门时容易导致的地下水随着冻结管和测温管形成的环形导水通道损害马头门及有关硐室岩体引起的水害,减少了水害,节约了涌水治理费用,保证了马头门及有关硐室的安全施工。
Claims (1)
1.一种立井开凿穿越巨厚富水基岩非全深冻结方法,立井井筒依次穿越表土、富水基岩、隔水层、弱渗基岩;主冻结管自上而下依次穿越表土、富水基岩,深入到隔水层10~20m,主冻结管布置以井筒圆心为圆心环形布置,距离井筒外壁2m;防片帮冻结管只深入到表土43m,防片帮冻结管布置以井筒圆心为圆心环形布置,距离井筒外壁1m,矿井井筒由主立井、副立井组成,其中,主立井井深418.2m,井筒净直径φ7.5m;副立井井深403.3m、井筒净直径φ8.5m,上述非全深立井冻结方法按下述步骤进行:
(1)冻结方式
根据井筒掘砌综合成井速度不少于65米/月的施工要求,为了保证冻结壁的有效厚度,实现井筒尽快开挖,并使井筒连续掘砌施工,经过对冻结壁形成及井筒掘进速度情况进行动态分析,以井筒掘砌至各水平时,冻结壁能够保证连续安全掘砌施工为原则,采取主冻结孔加防片帮冻结孔的冻结方案;
(2)冻结深度的确定
井筒冻结深度按地钻探柱状图和井筒穿过的岩层确定非全深冻结深度为240m~260m,终止在弱渗水岩层中,防片帮孔冻结深度为40m~45m;
(3)冻结技术参数的确定
根据立井工程地质条件,冻结参数确定如下:
①积极冻结期盐水温度为-30~-32℃,维护冻结期盐水温度为-22~-24℃,盐水比重取1.27;
②冻结壁厚度
根据矿井基岩段地层的水文工程地质条件,冻结壁计算采用多姆克公式E=Ra[0.29(P/K)+2.3(P/K)2]计算;
E——冻结壁厚度,m
Ra——井筒掘进半径,m;
K——瞬时抗压强度的1/(2~2.5),MPa;
P——计算深度的地压,按重液公式计算,MPa;
由于井筒冻结的主要地层均为白垩系软岩,根据计算结果和类似地质条件井筒冻结施工经验,确定井筒冻结壁厚度取2.8m~3.0m;
(4)、冻结钻孔布置
1)、主井冻结孔圈φ为13.0m~14.0m,副井冻结孔圈φ为14.0m~15.0m;
2)、主井冻结防片帮孔圈φ为11.0m~12.0m,副井冻结防片帮孔圈φ为12.0m~13.0m;
3)、主井冻结孔深度为240m~245m,副井冻结孔深度为245m~260m;
4)、主井冻结防片帮孔深度为40m~45m,副井冻结防片帮孔深度为40m~45m;
5)、主井冻结孔圈径上等距离设置33~40个冻结孔;
6)、主井冻结防片帮孔圈径上等距离设置13~18个冻结孔;
7)、两个相邻的冻结孔中心线之间的距离为1260㎜~1350㎜;
8)、两个相邻的防片帮冻结孔中心线之间的距离为1260㎜~1350㎜;2400㎜~2420㎜;
9)、主井筒中心线与井壁内径之间的半径Υ为3700㎜~3800㎜;
10)、主井筒中心线与井壁外径之间的半径Υ为4700㎜~4800㎜;
11)、主井筒中心线与防片帮冻结孔中心线之间的半径Υ为5700㎜~5800㎜;
12)、主井筒中心线与主井冻结孔中心线之间的半径Υ为6600㎜~6700㎜;
13)、主井筒中心线与第一水文孔中心线之间的距离为1000㎜~1200㎜;
(5)冻结管结构
井筒冻结孔在200m以上位置,***φ140×5mm的无缝钢管,井筒冻结孔在200m以下位置,***φ140×6mm无缝钢管,两壁厚的无缝钢管通过内接箍连接方式连接;
(6)测温孔设计
为了准确掌握冻结温度场变化情况,主、副井各设计至少3个测温孔,测温孔深度由地表至井底依次分别为:1#孔布置在水流上方,布置在主井冻结孔圈径外侧主面上,测温孔距孔圈距离相距1.0m,主、副井测温孔深为50m;测温2#孔布置在主孔终孔孔间距最大处,布置在主孔圈径外侧界面上,距布孔圈径1.0m,主、副井孔深为223m;测温3#孔布置在防片帮孔终孔间距最大处,布置在防片帮孔圈径内侧界面上,距布孔圈径0.3m,主、副井孔深均为250m;测温管采用φ108×5mm无缝钢管,外接箍连接;
(7)水文孔设计
为了准确报导冻结壁交圈情况,根据井检孔资料,主、副井各设计水文孔1个,孔深130m~140m,其中滤水层位从地表依次分别为10~15m、71~76m、128~133m,采用φ108×5mm无缝钢管,外接箍连接方式;
封止水位置
主、副井水文孔均在3~8m段进行封止水,封止水材料为海带粘土;封止水材料下置后要进行效果检查,不合格应重新下置,直至合格为止。
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