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技術研究所合作對井筒的凍結掘砌施工開展了系統的技術研究活動。科研人員首次建立綜合計算、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律

（1）單孔凍土擴展速度。根據層流狀態下凍結管的直徑、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、凍結器環形空間內鹽水運動狀態等因素有關，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段高施工穩定性差；經過實測、凍結壁形成特性穩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，使循環時間小于24h，井筒掘砌安全穿過沖積層。