凍結壁形成與擴展特性綜合分析法在建井中的應用

文/周景龍

一、工程概況

鄭煤集團公司李糧店煤礦設計生產能力為240萬t/年，采用立井開拓方案，主副井布置在同一個工業(yè)廣場內，主副井井筒凈直徑分別為Ф5.0m、Ф6.5m，深度分別為 763.5m、788.5m。根據井檢孔揭露的巖層柱狀分析，副井穿過481.5m沖積層，選用凍結法施工，一次凍全深，凍結深度分別為800m，凍結深度居國內第一位和國際第三位。

二、井筒地質、水文地質特征及對副井全井深凍結掘砌施工造成問題

通過副井井檢孔反映出副井沖積層總厚度為481.49m，其中粘性土層比例占76.80%，含單層大于10m的粘性土層12層，最大粘性土層厚度為82.27m，埋深為473.52m；砂性土層比例占23.20%，最大單層厚度為19.8m，大于5m單層的最大埋深為481.49m。

1.沖積層厚度達481.5m，凍結深度達800m，同時解決深厚沖積層和深厚含水松軟巖層凍結問題，國內外尚無成熟的實踐經驗可供借鑒。

2.沖積層中粘性土層厚度比例大，達76.8%，特別是深部（大于300m段）粘性土層厚度比例達91.97%；含單層29m～83m厚度3層。

3.深部粘性土層的含水量小，凍結強度低，蠕變特性顯著，凍掘矛盾突出，容易出現(xiàn)淺部片幫嚴重和深部凍土挖掘量大、外層井壁因過早砌筑被凍土膨脹壓壞以及凍結管斷裂。

三、開展全井深凍結掘砌工程預報，解決深厚沖積層和深厚含水基巖層對施工造成的問題

1.全井深凍結掘砌工程預報的原理

李糧店煤礦與北京煤科聯(lián)技術研究所合作對井筒的凍結掘砌施工開展了系統(tǒng)的技術研究活動?？蒲腥藛T首次建立綜合計算、工程預報與調整的分析方法，為凍結法鑿井工程安全快速施工提供科學依據。

2.凍結壁形成特性的基本規(guī)律

（1）單孔凍土擴展速度。根據層流狀態(tài)下凍結管的直徑、凍結孔間距、土層性質因子、土層含水率因子、凍結管外徑科學計算數值。

（2）單圈孔凍結壁平均擴展速度。由單孔凍土擴展速度，凍結時間因子，凍結孔間距因子，鄰層凍土因子，凍結孔圈徑因子來準確計算數值。由于凍結孔圈內、外側等厚度的面積不相等和凍結壁外側受外來熱源的影響，從能量原理分析，內外側冷量擴展不等速，凍結壁內側、外側的凍土擴展速度不相等。

（3）相鄰凍結孔圈交匯成整體凍結壁的內側、外側擴展速度。由原內圈凍結壁內外側擴展速度，原外圈凍結壁內外側擴展速度，原內圈向內外側擴展因子，原外圈向內外側擴展因子計算數值。交匯時間因子，隨交匯時間延長而增長。

（4）凍結壁的交圈時間。主要與凍結孔間距、鹽水溫度、土層性質、凍結管直徑、凍結孔布置方式、地下水流速、地層原始溫度和凍結工藝、凍結器環(huán)形空間內鹽水運動狀態(tài)等因素有關，可根據凍結孔最大成孔間距得出預測值。

（5）凍結壁有效厚度平均溫度。單圈孔凍結壁有效厚度的平均溫度，等于按凍結壁0℃邊界計算的平均溫度值，與井幫溫度對平均溫度的影響值之和；主凍結孔內側增設輔助孔（含防片孔）的凍結壁有效厚度的平均溫度，是在成冰單圈孔凍結壁平均溫度計算公式的基礎上，增加主凍結孔與輔助凍結孔之間部位對平均溫度的影響值。

四、凍結壁形成特性分析及工程預報

1.沖積層和基巖段各具體層位凍結壁形成特性分析情況

根據凍結鉆孔偏斜平面投影圖、水位孔冒水情況和實踐經驗等綜合分析，-130m細砂層凍結壁已于凍結第50d交圈，-247m細砂層凍結壁于凍結第61d經交圈，-387m細砂層凍結壁于凍結第61d已經交圈。-115m水平粘土層凍、-222m水平砂質粘土層、-292m水平砂質粘土層、-342m水平砂質粘土層、-430m水平粘土層、-460m水平粘土層至凍結70d時已經形成穩(wěn)定的凍結壁，副井壁座（－537m）以下砂質泥巖層于凍結110d時已經形成穩(wěn)定的凍結壁。

2.副井粘性土層及泥巖的凍結壁形成特性工程預報主要指標

運用凍結壁形成特性基本規(guī)律，科研人員提出了井幫溫度、主凍結孔外側擴展速度及凍結壁有效厚度、主凍結壁內側凍結壁有效厚度、凍結壁有效厚度、凍結壁平均溫度等工程預報主要指標，用以指導凍結掘砌施工。

五、凍結掘砌工程預報發(fā)揮的作用

1.工程預報對啟用分段套壁預案的影響

科研人員經分析和預測，認識到提前套壁能夠彌補加強凍結所需要的時間，確保深部沖積層凍結壁有效厚度、平均溫度、井幫溫度、穩(wěn)定性都得到明顯改善，從而獲得安全、快速施工雙贏，所以副井在掘深393m處啟動分段套壁預案，提前進行上部內層井壁套壁施工，由于準備充足、措施到位，主副井用40d完成上部井筒內壁套壁，繼續(xù)掘進時凍結壁形成較好的特性指標。

2.凍結壁徑向位移和井幫裸露時間的實測與調控

（1）280m～400m深度工程預報與調控。李糧店副井粘性土層占沖積層的比例為76.8%，沖積層下部基本以厚粘性土層為主，埋藏深地壓大，掘砌速度卻很快，造成凍結時間偏短；根據凍結壁形成特性分析和穩(wěn)定性計算的工程預報可知，300m深度的粘性土層井幫溫度為3.27℃，井幫溫度偏高，凍結壁平均溫度偏高，280m～400m深度安全掘砌段高應取 3.0～3.5m。

從凍結壁徑向位移的實測表明：加強凍結和縮小段高之后凍結壁徑向位移量減小，掘砌段高為4m時位移量為2.9～6.5mm/h，縮小段高至2.5m后位移量為1.1～2.2mm/h，每個段高的循環(huán)時間為16h或12h，凍結壁的徑向位移由45～103mm減小到13～26mm，縮小段高有效地控制了凍結壁徑向位移速度，有利于施工安全。

（2）-400m以下深度工程預報及調控。為提高凍結壁強度和穩(wěn)定性，5月15日副井掘砌至393m深度后啟動提前套壁預案，6月26日完成上部內層井壁套壁工作轉為繼續(xù)掘進，施工單位改為4m段高掘進；根據凍結壁形成特性分析和穩(wěn)定性計算的工程預報，因深部地壓大凍結鑿井的安全掘砌段高不宜超過3.5m。從凍結壁徑向位移的實測結果分析，400m以下深度采用4m段高施工穩(wěn)定性差；經過實測、凍結壁形成特性穩(wěn)定性和凍結壁徑向位移分析和工程預報，掘砌單位在井深421m以下沖積層中將施工段高降低到了2.5m，使循環(huán)時間小于24h，井筒掘砌安全穿過沖積層。