彬長礦區基巖全深凍結監測研究*

孫希奎，呂 強

(1.山東能源淄博礦業集團，山東 淄博255120;2.山東省充填開采工程研究中心，山東 淄博255120)

0 引 言

凍結法是井筒通過復雜地層采用最多的特殊施工方法之一，采用凍結法鑿井較多的國家如德國、英國、波蘭、前蘇聯等，多為含水量大和地壓較大的基巖地段［1］。井筒凍結深度最大超過900 m，凍結井筒穿過的沖積層厚度最大接近600 m［2］。英國博爾比鉀鹽礦，凍結深度930 m，主要凍結地層為埋深645 ～930 m 的本特砂巖［3］。

國內采用凍結法鑿井以來，已施工700 多個立井井筒，最近幾年，國家對煤炭需求增加，大于500 m 特厚沖積層條件礦區開始探索并成功建井［4］。龍固礦、丁集礦、趙固一礦、趙固二礦新井需穿過的沖積層的厚度分別為567.7，530.4，526.5，530.5，600 m 左右的沖積層凍結施工已經基本成熟［5］。

在中國西部煤炭資源大開發初期，由于對深厚富水基巖地層認識不足，多采用普通法鑿井，遇水時借助注漿或降水等措施強行通過含水層。由于此類地區的基巖地層多為孔(裂)隙復合含水，注漿堵水效果差，疏排水亦較為困難，地面預注漿和工作面注漿堵水與降水效果不好。例如，亭南、塔然高勒、核桃峪等煤礦的立井井筒因注漿堵水無效被迫改用凍結法鑿井，麥垛山等礦井也因降水失敗而改用凍結法施工，使建設時間和建設費用受到重大影響［6］。

東部地區凍結的主要對象是第四系、第三系地層，厚500 ～600 m，以含水豐富的松散流砂層及粘土層為主。西部地區凍結的主要對象是白堊系、侏羅系軟弱地層，厚800 ～900 m，賦存基巖承壓含水層，靜水位高，水壓大。2 個地區的地層特性差異較大，地質條件之復雜，在世界上是罕見的。

文中基于基巖為主的強含水層深井全部凍結，重點介紹井壁結構設計方法和監測技術。

1 工程和地質概況

1.1 工程概況

高家堡礦井屬鄂爾多斯盆地南部陜西彬長礦區，設計生產能力5.0 Mt/a，采用立井開拓方式，采用特殊凍結法施工，主、副、風井凍結深度達分別到788，850，860 m，是目前國內最深的軟巖凍結井之一。

高家堡礦井井筒具有以下難度和特點

1)地下水流速大。主檢50 m 處流速為0.51 m/h，放水試驗結束后，測得風檢孔流速為2.26 m/h;

2)承壓水水壓高。主井第四系+基巖風化帶含水層水位深度18.86 m，水位標高+910.17 m;風井洛河組砂巖含水層水位深度16.11 m，水位標高+941.07 m;副井洛河組砂巖含水層水位深度17.70 m，水位標高+940.94 m，直羅組、延安組含水層水位深度99.72 m，水位標高+1 022.96 m.故承壓水水壓大會造成凍結孔垂向流動，增加凍結難度。

3)地溫高、結冰溫度低。測溫資料顯示主副風井井底溫度分別為40.3，38.4，39 ℃，所有測試巖體的結冰溫度均較低且差別不大，結冰溫度在-3.0 ～-3.5 ℃之間，為了保證深部巖體能夠處于穩定的凍結狀態，其井幫不能高于-5 ℃.

1.2 井筒地質水文條件

1.2.1 地層

依據鉆孔揭露地層由老至新依次有:三疊系上統胡家村組(T3h)侏羅系下統富縣組(J 1f)，中統延安組(J 2y)、直羅組(J 2z)、安定組(J 2a)，白堊系下統宜君組(K 1y)、洛河組(K 1l)、華池組(K 1h)及第四、三系地層(Q+N)。

其中:三疊系上統胡家村組(T 3h):巖性主要為灰綠色、灰色、深灰色砂質泥巖、粉砂巖以及細粒砂巖，由于該地段缺失富縣組，在三疊系的頂部具有不太明顯的暗紅色斑塊。三孔均未揭穿，主、副、風井井檢孔揭露厚度分別為123.84，106.70，52.95 m.

侏羅系地層:巖性為紫雜色、灰色、灰綠色泥巖，含有礫巖、泥質粉砂巖，呈團塊狀，質純、致密、細膩、松軟易破碎;厚度平均為78.92 m.

白堊系地層:巖性有雜色巨厚層狀粗礫巖、紫紅色、棕紅色細～粗粒長石石英砂巖、紫褐色、褐灰色泥巖。礫徑一般30 ～50 mm，最大150 mm 以上;砂巖次棱角-次圓狀，分選差，基底式或孔隙式膠結，致密堅硬;泥巖，細膩致密，較均勻。厚度平均為644.88 m.

第四系及第三系(Q +N):包括第四系中更新統離石黃土和上更新統馬蘭黃土。馬蘭黃土以粉土為主，疏松、具大孔隙，垂直節理發育，透水性好。離石黃土為亞粘土與古土壤互層，上部結構疏松，具孔隙，含不規則鈣質結核;下部致密，孔隙少而小，夾多層鈣質結核。包括第三系紅土及第四系下更新統午城黃土。接近底部有近4 m 厚的卵石層，松散，粒徑一般25 ～80 mm.最大200 mm，成份以石英巖、變質巖、灰巖為主。三個井筒井檢孔平均厚度23.97 m.

1.2.2 構造

彬長礦區位于鄂爾多斯盆地南部的彬縣-黃陵坳褶帶。總體構造形態為中生界構成的NW 緩傾的大型單斜構造。在此單斜上產生一些寬緩而不連續的褶皺。

本次施工的井筒位置位于廟-彬凹陷內，七里鋪-西坡背斜的南翼。傾角1° ～4°，巖層較為平緩。井田內斷層罕見，但在東南部的水簾礦、火石咀礦、下溝礦的生產礦井見少量斷距在1.2 ～6 m的小斷層。3#檢查孔附近沒有發現斷層，屬巖層平緩、簡單構造類型。

1.2.3 主要含水層

第四、三系含水層:抽水試驗涌水量單位涌水量q:0. 007 123 L/s·m，滲透系數K:0. 060 08 m·d-1，富水性微弱，礦化度0.846 g·L-1，水質類型為HCO3-Na 型。

洛河組砂礫巖含水層:鉆孔揭穿最厚為副井井檢孔373.40 m，風井井檢孔371.37 m，最薄為主井井檢孔371.28 m，平均厚度372.02 m.

該含水層靜水位標高+940.94 ～+941.07 m，降深5.54 ～16.19 m，涌水量6.839 ～19.642 L/s，單位涌水量1.210 ～1.487 L/s·m，平均1.338 L/s·m，滲透系數0. 379 7 ～0. 436 8 m/d，平均0.407 0 m/d，礦化度0.904 ～0.977 g/L，水溫24 ～25 ℃.水化學類型主要為HCO3·Cl·SO4-(K +Na)型，是影響井筒施工的主要含水層。

從井筒各含水層段涌水量結果來看，第四、三系含水層的富水性弱-中等，洛河組含水層富水性強，延安組含水層富水性較強-強。

2 井筒信息化監測內容與方案

由于井筒深，凍結深度大，為確保安全通過凍結段，并了解井筒掘進過程中井壁凍結情況、溫度變化等，有效評估凍結壁發展狀況，并分析凍結壁、井壁的安全與穩定性。需要對井幫溫度、井底溫度、空氣溫度以及井幫位移等進行監測，掌握井壁外載的增長狀況，從而能較為準確地評估外層井壁的安全性;混凝土應變、鋼筋應力監測，則可直接評估井壁結構的安全性［7-8］。

2.1 井筒工作面溫度與變形監測

1)溫度監測:包括井幫溫度、井底溫度、空氣溫度。

2)變形監測:包括井幫位移、井底位移、收斂位移。

2.2 已成型井壁段溫度、受力及變形監測

1)圍巖外層井壁及凍結壁內的溫度。

2)圍巖凍結壓力、外壁混凝土應變和鋼筋應力監測。

2.3 傳感器

本次監測采用壓力盒6 只，鋼筋計4 只，混凝土應變計4 只，儀器如圖1 ～5 所示。

圖1 溫度傳感器Fig.1 Temperature sensor

圖2 壓力盒Fig.2 Pressure box

圖3 混凝土應變計Fig.3 Concrete strain gauge

圖4 鋼筋應力計Fig.4 Reinforcement stress meter

圖5 傳感器引線的匯總電纜Fig.5 Sensor wire of the gather cable

2.4 測點布置

每一監測斷面沿井筒外壁周向均勻布置6 個壓力盒，4 個混凝土應變計，4 個鋼筋計，測點布置具體布設位置，如圖6 所示。

圖6 傳感器測點布置Fig.6 Arrangement points of the sensor measurement

3 測試數據的分析

3.1 溫度監測

井壁溫度測點:從J1到J10，依次從井壁內側沿徑向向外，其中J1距離井壁內表面約20 mm，測點之間的平均間距約100 mm.

凍結壁溫度測點:從D1到D6，依次從井幫測溫孔深部向外，受測溫孔深度(約400 mm 限制)，D5，D6測點位于井壁內。

圖7 掘進井壁溫度變化曲線Fig.7 Driving shaft temperature change curve

圖8 井壁內溫度隨時間的變化Fig.8 Borehole wall temperature changes over time

圖9 安裝后某時刻井壁內溫度的徑向分布Fig.9 After installing the radial distribution of temperature in borehole wall in a moment

圖10 凍結壁內溫度隨時間的變化Fig.10 Frozen wall temperature changes over time

圖11 安裝后某時刻凍結壁內溫度的徑向分布Fig.11 After install some time after the radial distribution of the temperature of the frozen wall

3.2 凍結壓力

對壓力盒測試數據進行處理后，獲得了凍結壁側向壓力隨時間的變化曲線，分別如圖12，13所示。

1)根據井壁溫度的測試數據、曲線可見

由J10測點的溫度曲線可見，傳感器安裝16 h之內，J10測溫點一直處于降溫過程中;此后溫度開始緩慢回升，受水化熱的影響明顯滯后于其余測點。該現象估計與該測點緊貼泡沫板、且距上一段井壁較近有關。預計隨時間延長，J10測點溫度會繼續升高，逐漸與J9測點溫度接近，使井壁內部-外側之間的溫差得以減小。

由D5，D6溫度曲線可見，上述兩測點先后達到的最高溫度分別是60.937，67.3 ℃，遠高于同一時刻位置相近的J9，J10測點，分析認為，上述兩熱電偶測試結果存在較大誤差。

然而，鑒于段高中間位置的水化熱更容易積聚，因此，就整個段高而言，井壁內的溫度最高點應位于段高的中間部位。此次由于測溫桿需要借助儀表箱托架進行安裝，未能測得最大溫度值，

通過上述測試數據分析可見，混凝土澆注后，由于水化熱的釋放，井壁內外的溫差是客觀存在的，尤其是澆注初期，井壁外表面與井壁內部的溫差較大，但是，隨時間延長，該溫差有望逐漸降低，從而使得井壁中部與其內、外表面的溫差均保持的25 ℃之內。減輕溫度裂縫的出現。

2)根據凍結壁測溫數據、曲線可見:

井壁澆注過程中，井幫測溫孔深部的3 個測點(D1～D3)溫度略有升高，但趨勢緩慢;位于井幫淺層、距井幫表面約10 cm 的D4測點在安裝16 h(此時約為混凝土澆注完畢后的8 h)后，呈現處明顯的升溫趨勢。

由于混凝土水化熱釋放、傳導對外側凍土的影響必然存在一定的滯后，而此次溫度測量數據不足24 h，因此，尚無法對于井幫凍土是否融化、以及融化深度進行確鑿地判斷。

但是，從井壁拆模，并歷經數個段高后，井壁接茬部位往往存在一定的輕微流水現象看，壁后凍土出現融化、并進而發生回凍是客觀存在的。何時開始回凍、凍脹壓力如何增長及其最大值是開展井壁安全研究需要關注的重點之一。

由測試數據及其曲線可見

1)當凍結壁側向壓力正處于逐漸增長過程中，增長速度以A 測點最為顯著，C，B 點次之。

2)最大凍結壓力為A 點的1.18 MPa，其余測點測得的凍結壓力均遠小于1 MPa，其中C，B 點分別為0.28，0.24 MPa. 因此，從凍結壓力測試結果看，井壁處于正常工作狀態。

3.3 鋼筋軸力

由鋼筋計測試數據處理后獲得了鋼筋的軸力變化曲線，如圖14，15 所示。

通過鋼筋軸力測試數據及曲線可見

圖12 凍結壁側向壓力的變化曲線Fig.12 Frozen wall change of lateral pressure curve

圖13 凍結壁側向壓力的變化曲線Fig.13 Frozen wall change of lateral pressure curve

1)豎向鋼筋目前呈現為受拉狀態，尤其B 點拉力最大，達到24.3 kN，D 點達到16.5 kN，A，C測點數據異常，但曲線顯示，其豎向鋼筋也屬于受拉狀態。

2)環向鋼筋目前呈現受壓狀態，尤其D 點壓力最大，達到57.4 kN，A 點達到38.9 kN，B，C 測點也分別達到了34.5，16.4 kN.

3)就鋼筋軸力的絕對值而言，環向鋼筋的受力普遍大于豎向鋼筋的受力，但相對于鋼筋的抗拉、抗壓強度而言，均處于安全狀態。

4)鋼筋受力的不均勻性明顯，顯示了井壁外側凍結壓力的不均勻性。

3.4 混凝土應變

通過對混凝土應變計測試數據的處理，得到井壁混凝土應變值的變化曲線。

其中，處于同一方位、沿徑向分布的A，E，F 點的混凝土應變曲線，如圖16，17 所示;而處于井壁外緣、分布于不同方位的A，B，C，D 測點的混凝土應變曲線，如圖18，19 所示。

由混凝土應變測試數據及其隨時間的變化曲線可見

圖14 鋼筋計軸力隨時間變化曲線Fig.14 Steel bar meter axial force changing with time curve

圖15 鋼筋計軸力變化曲線Fig.15 Steel bar meter curves of axial force

圖16 A，E，F 測點的混凝土應變曲線Fig.16 A，E，F measuring point concrete strain curve

1)井壁豎向應變、徑向應變均為拉應變，而環向應變均為壓應變。圖16，17 中，沿同一方位、徑向布置的A、E 測點的徑向應變極為接近，表明該方向傳感器工作狀態良好。

2)豎向應變中，A 點測值較大(B 點豎向應變計僅取得了部分數據)，目前達到290 με;D，E，F較為接近，目前均在150 με 左右;

圖17 A，E，F 測點的混凝土應變曲線Fig.17 A，E，F measuring point strain curve of concrete

圖18 A，B，C，D 測點的混凝土應變曲線Fig.18 A，B，C，D measuring point strain curve of concrete

3)環向應變中，B 測點的測試值較大，達到150 με，而C 點測值最小，不足50 με，位于同一方位上的A，E，F 測點，環向應變較為接近，分別為96，112，118 με，位于外側的A 點最小，位于內側的F 點最大，其大小關系與理論分析一致，也證明了傳感器測試結果的可靠性。

4)徑向應變中全部為拉應變，分析認為與井壁內各點環向壓應力占主導地位有關，同時，也與井壁內的溫度變化有關。

圖19 A，B，C，D 測點的混凝土應變曲線Fig.19 A，B，C，D measuring point strain curve of concrete

4 結 論

高家堡礦井井筒穿越巖層遇水泥化和裂隙發育，同時面臨高地溫的地質條件和大流速高承壓的復雜水文條件，采用全深凍結方案，主、副、風井凍結深度達分別到788，850，860 m，是目前國內最深的軟巖凍結井之一。為確保安全通過凍結段，并了解井筒掘進過程中井壁凍結情況、溫度變化等，有效評估凍結壁發展狀況，并分析凍結壁、井壁的安全與穩定性，對凍結施工全過程進行信息化監測，實現了安全快速掘進，節約了礦井建設成本。監測成果如下

1)監測部位井壁外側凍結壓力仍處于增長狀態，井壁鋼筋受力繼續增大，混凝土應變類似增長，但增速趨緩，凍結壓力、鋼筋計軸力、混凝土環向壓應變等最大值均處于允許范圍內，表明該部位井壁處于安全狀態。

2)從監測點凍結壓力變化情況表明井壁不均勻受壓明顯。鋼筋受力、混凝土應變的最大值均小于允許值，井壁是安全的，仍需要進一步觀測以確定其安全性。

3)隨深度增加，井壁外側凍結壓力來壓早，且增長迅速，量值大。在此條件下，如果井壁混凝土不能達到較高的早期強度，則井壁結構將面臨因承載力不足而發生強度破壞的危險。

References

［1］ 姚直書，程 樺，榮傳新.西部地區深基巖凍結井筒井壁結構設計與優化［J］. 煤炭學報，2010，35(5):760 -764.YAO Zhi-shu，CHENG Hua，RONG Chuan-xin. Shaft structural design and optimization of deep freezing bedrock shaft in west area［J］.Journal of China Coal Society，2010，35(5):760 -764.

［2］ 王宗金，曹化春.我國凍結法施工技術及其發展［J］.山西建筑，2006(18):147 -148.WANG Zong-jin，CAO Hua-chun.The construction technology of freezing method and its development in our country［J］.Shanxi Architecture，2006(18):147 -148.

［3］ 王 軍，紀洪廣，隋智力.深厚表土層人工凍結法鑿井技術研究進展［J］.中國礦業，2008(7):93 -95.WANG Jun，JI Hong-guang，SUI Zhi-li. Development and prospect of research on artificial freezing method of shaft sinking technology in deep alluvium［J］. China Mining Magazine，2008(7):93 -95.

［4］ 孫如華，鄭志軍.我國深厚沖積層凍結法施工研究現狀及其發展［J］.能源技術與管理，2008(1):80 -82.SUN Ru-hua，ZHENG Zhi-jun. The current research on deep alluvium freezing method construction in China and its development［J］. Energy Technology and Management，2008(1):80 -82.

［5］ 榮傳新，盛衛國.深厚沖積層凍結法鑿井工程設計及其應用［J］.煤炭科學技術，2007(11):25 -26.RONG Chuan-xin，SHENG Wei-guo. Design and application of mine shaft sinking with ground freezing in deep thick alluvium［J］. Coal Science and Technology，2007(11):25 -26.

［6］ 朱邦永，盛小飛，褚衍坡.神華集團塔然高勒煤礦風井普通法轉基巖凍結法鑿井施工實踐.［J］. 科技信息，2007(5):344 -360.ZHU Bang-yong，SHENG Xiao-fei，ZHU Yan-po.The coal mine well of Tarangaole common law wind turn bedrock freezing method sinking construction practice of Shenhua group［J］. Science and Technology Information，2007(5):344 -360.

［7］ 蔡海兵，程 樺，姚直書，等.深厚表土層凍結外層井壁受力狀況的監測及分析［J］.煤炭科學技術，2009(2):38 -41.CAI Hai-bing，CHENG Hua，YAO Zhi-shu，et al. Monitoring and analysis on stressed status of mine freezing shaft outer liner in deep thick over burden［J］.Coal Science and Technology，2009(2):38 -41.

［8］ 王書磊，胡 斌，安新豪.深厚表土凍結法鑿井井壁安全監測技術［J］.煤炭技術，2008(5):100 -102.WANG Shu-lei，HU Bin，AN Xin-hao. Monitoring for sidewall safety in deep alluvium freezing shaft sinking engineering［J］.Coal Technology，2008(5):100 -102.