特厚表土层冻结方案探讨及数值模拟研究

刘树彪

(淮沪煤电有限公司丁集煤矿，安徽淮南232060)

摘要： 针对特厚表土层立井冻结方案的选择尚无理论依据的现状，采用理论计算和数值模 拟相结合的分析方法，获得了丁集矿冻结温度场分布规律和冻结壁厚度等重要冻结参数。实 践表明，该设计方案能较好地满足现场工程实践的要求。

关键词：特厚表土层;冻结壁;设计

中图分类号：TD265.3文献标 识码：A[WT]文章编号：16721098(2008)02004205

Research on Freezing Method in Deep Alluvium and Temperature Fiel ds Numerical Simulation

LIU Shubiao

(Dingji Coal Mine, Huaihu Coal and Electricity Group Co. Ltd., Huainan Anhui 23 2060, China) Abstract: In view of the status，that there is not theoretical basis for projectdetermination of shaft lining freezing in deep alluvium, in the paper a methodwhich combines the finite element numerical simulation with theoretical calculat ion was brought forward, by which some important parameters, such as temperaturefield distribution regularity in frozen alluvium and thickness of frozen wall i n Dingji Coal Mine were obtained. Practice indicated that the method can satisfypractical engineering demands.

Key words:deep alluvium; frozen wall; design

冻结法凿井是在不稳定含水地层建井时采用的一种特殊凿井法。自1955年冻结法应用以来，

我国用此法开凿的煤矿井筒数已超过500多个，累计总长超过80 km。对冻结深 度在400 m 以内，其理论和技术已较为成熟。但近年来，随着我国基本建设和对能源需求的进一步扩 大，新建矿井建设呈现出新的热潮，淮南、淮北、山东等煤炭基地，计划在近年内新建20个 矿井 ，60多个井筒。这些新建矿井的共同特点是，穿越的冲积层越来越厚，达到400～600 m，且大多采用冻结法凿井。随着冻结法凿井深度的增加，现有的理论、设计方法、 规范要求和工程经验都已不能满 足深井冻结的要求，在工程实践中出现工程事故常有发生。尤其是冻结壁强度和刚度的不足 ，冻结壁变形过大，导致冻结管断裂和外层井壁压坏，使井筒漏水、漏砂等。

淮南矿业集团丁集矿井于2004年7月开工建设，冲积层深超过530 m，井深881m，冻结段 深度563 m，副井净径8 m，主井风井净径7.5 m，是目 前已建新井中冻结深度最大的井筒之一，在淮南矿区具有代表性。对我国深厚冲积层冻结凿 井技术的进步具有指导意义。

1丁集矿井冻结设计

冻结法凿井的核心是冻结壁的安全可靠，即冻结壁的设计理论。

1.1冻结壁厚度确定

（1） 控制地层的确定根据检查孔柱状图和冻土试验资料分析，-494.7～-502 m的砂土层含水率最低，只有14.21%～16.67%，冻结难度较大，因此选择此层为控制地层 。

（2） 控制地层地压的计算目前国内冻结施工，冲积层地压值多按玴=0.013 獺的重液公式计算。但近来国内、外立井表土地压的实测研究表明，实测地压值大都 在(0.009～0.011) 獺的范围内，而且表土层的压力并不与深度成正比，其 增长 率随深度越来 越小，到一定深度趋于恒值。故对于具有巨厚表土层的丁集矿井的控制地层采用似重液地 压公式

（3） 结合淮南潘谢矿区冻结的成功经验，在分析了丁集矿副井冲积层的特点后，采用 了多姆克的无限长弹塑性厚壁筒公式计算冻结壁厚度。

獷=r［0.299([SX(]p[]K[SX)])+2.3([SX(]p[]K[SX)])2］=11.2 m（2）

式中：獷为冻结壁设计厚度，m；玆为井筒掘进半径，取6.2 m；玴为 计算地压，取5.52 MPa；獽为冻土强度平均值，取6.62 MPa。

1.2冻结孔布置方式

单排冻结方案无论是从冻结时间，还是从冻结壁的平均温度等方面都不能适应目前建井 工程的要求，必须采用双排乃至多排管冻结方案。

由于副井冻结壁厚度11.2 m，要形成如此厚度又有相应冻土平均温度及强度的 冻结壁， 必须有足够的冻结孔数和合理的冻结孔布置方式，设计采用双圈主冻结孔内侧增设防片孔的 布置方式。中圈主冻结孔为形成冻结壁的核心，冻结孔深度应该穿过冲积层进入不透水的稳 定岩层10 m以上，考虑井筒基岩段已进行注浆，故冻结深度和基岩注浆段重叠 一定长度确定 冻结深度。外圈主冻结孔主要是强化冲积层深部冻结，其深度至冲积层底部进入风化带5 m。 防片加强孔是为了使冻土早日扩至井帮，达到提前开挖和防片帮的目的，同时为了强化深部 冻结，采用差异冻结方式，其短孔深度应穿过厚黏土层底界，长孔穿过冲积层进入风化带5m。中圈主冻结孔采用全深冻结，冻深570 m。外圈主冻结孔315 m以下采用局部冻结，防片加强孔差异冻结副井443/530 m（见表1） 。表1冻结孔布置主要参数

冻结孔[]布置圈直径/m深度/m开孔间距/m数量/个冻结管规格/ mm塑料管规格/mm内圈Φ164435302.09324Φ140×8Φ159×775×6 中圈[]Φ23.3[]570[]1.38[]53[]Φ159×7Φ159×888×6.5外圈Φ315301.67858Φ159×7Φ159×855×5 1.3盐水温度的确定

冻结的不同时期对温度的需求不尽相同，积极冻结期，不需要过低的温度，但需要较大 的冷量；强化冻结期，需要较低的温度，但对冷量的需求减少；维持冻结期，冻结壁温度的 维持，能量需求相对更少；消极冻结期，对温度要求不高及冷量的需求很微小。

对盐水温度选择上是结合冻结阶段制冷系统运行工况、系统整体配备综合考虑的，盐水 温度降至-30 ℃以下需要一个过程。综合考虑土体前期大幅吸收冷量，冻结管 需要缓慢的降温以释放温度应力及制冷系统要有一个调试稳定的过程等因素，深井冻结盐水 温度一个月之内降至-24～-26 ℃是可行的。盐水温度与冻结速 度及制冷系统的效率上，综合考虑交圈前盐水温度以不低于-30 ℃为宜。丁集 主、副井交圈前盐水温度以不低于-28～-32 ℃，风井交圈前盐水温度 为-33.7～-34.5 ℃。根据这几个阶段的不同特点，积极冻 结期盐水温度介于-30 ℃左右，强化冻结期为-32～-34 ℃，维护 冻结期为-32～-33 ℃，消极冻结期为-28 ℃以上。

2井筒冻结施工

2.1冻结及掘砌施工概况

丁集矿主、副、风井分别于2004年3月10日，2004年2月19日及2004年2月18日开冻，并 于2004年8月1日及2004年6月28日正式开挖（副井和风井同时开挖），至2005年1月3井冻结 段外壁及壁座全部施工结束。

井筒施工初期井帮温度处于0 ℃左右，井帮未出现片帮现象。井筒施工至240m后，冻土开始进入荒径。当施工至330～440 m深厚黏土层时，冻 土进入荒径达3 m接近冻实。

2.2冻结壁发展状况

副井掘进施工过程中，通过对井帮温度及测温孔温度的实测分析，了解冻结壁的发展状 况（见表2）。

表2冻结壁发展状况

井深/m[]岩性[]冻结时间/d井帮温度预测值/℃实测井帮温度/℃冻结壁 厚度/m280[]粉细砂主、 副井井筒， 主井达到平均92.8 m/月， 副井由于井筒掘进断面较大达到 平均 80 m/月。掘砌过程中的中部330～440 m巨厚黏土层施工中井帮温 度-8～-12 ℃， 井部变形都小于30 mm， 底臌小 于20 mm， 井筒始终处于安全状态， 冻结管安全稳定。

风井井筒，外壁掘砌达到平均84.6 m/月，掘砌过程中的中部387.5～443.6 m厚黏土层施工中井帮温度-11.9～-13.1 ℃，井帮变 形都小于20 mm，无底臌。

冻结段施工采用信息化施工管理手段，井筒开冻后即对冻结壁发展情况进行不间断的预 测预报，通过计算机模拟，对冻结壁的厚度、平均温度、强度进行预测，并且通过实测数据 进行修正。通过不断的修正和预测，冻结壁的发展状况基本处于受控状态，有效地指导井筒 掘砌施工。通过对冻结段关键层位冻结壁变形及井壁内外力监测，实时监测施工过程中井壁 受力状况，通过信息反馈，做到提前分析预测，合理确定施工段高。

3冻结方案的探讨

丁集主、副、风井表土段的顺利完成表明井筒三圈孔冻结方案对于冲积层埋深大于500 m 的冻结是安全可行的。冻结施工除保证凿井工程的安全施工完成，还应考 虑到其经济性和凿井施工的适宜性。

3.1冻结壁厚度问题

决定冻结法凿井经济安全性的关键是冻结壁厚度的选取。在本文之前的龙固凿井论证中 ，有关专家曾有过同一井冻结壁厚度8 m至大于12 m的大相径庭的 论证。多数研究者和专家 以冻结壁为弹性、弹塑性为设计理论基础，分别应用Lame 公式、Domke公式及维亚洛夫公式 ，并进行类比修正，推断冻结壁厚度。

本文考虑到深厚表土的复杂性及工程风险， 在多次专家论证的基础上， 确定了主、 风井 冻结壁厚度11 m， 副井冻结壁厚度12 m，冻结壁设计温度-15 ℃的原则。并采用ANSYS数值模拟方法对三圈孔冻结温度场方案优化研究。取440 m黏土层为控制层位，按90 m/月估算，到270 d时的冻结 壁厚度、平均温度、井帮温度作为方案优化的评价指标，重新调整施工方案后实 施。 实际施工中主、 副、 风3井水平位移和底鼓量极小，以及下部基本冻实，均说明了方 案 安全性高。 由优化施工方案中冻结壁稳定性分析来看， 冻结壁厚度分别为10m、 11 m、12 m时主应力差相等，位 移量相差20 mm以内。所以丁集冻结壁厚度应可以缩小1～2m。

实际的冻结壁是一个各方向非均质，非对称的不等厚筒体，随地压不同其力学性能由弹 性、粘弹性向弹粘塑性体过渡，故各种理想化模型都有其局限性。因此应用模拟试验求得的 经验公式计算冻结壁是目前较好的方法。而考虑了人工冻土的强度蠕变性，以冻结壁与冻结 管变形极限为准则的设计理论公式可作为节省工期和投资的优化冻结壁厚度的理论基础。

3.2冻结布孔方案优化

本文采用三圈孔冻结主要是基于设计冻结壁厚度大于10 m而部署。当设计冻结 壁厚度小于8 m时，可考虑双排孔布置方案。三圈孔冻结可加大冻结壁厚，但也 带来其冻结壁内部水分迁移困难，壁内应力增加等问题。丁集矿井采取了圈距均匀，强化密 集中圈孔的布置方式，即主冻结孔内增防片孔，外设辅助孔的方式。

有冻结方提出了中圈过分密集而变成两圈（梅花孔），总体四圈布孔的布置方案，其不增加 钻孔数量，方便了钻孔施工，增强了冻结比的均质性，作为相近的方案应是可行的。

另外新近开工的焦作赵固一矿518～524 m冲积层冻结方案设计， 采用主冻结孔内侧增设辅助孔、防片孔（两圈孔紧邻）是可以借鉴和有待实践检验的。

在保证冻结壁有效厚度、强度的前提下，如何减少钻孔工程量和冻结需冷量，并使凿井 上部可早开挖，下部少挖冻土，提高冻量利用效率，是在以后的相似工程中应加强相关理论 分析和研究的问题。

3.3内排孔布置问题

内排孔的布置应围绕凿井施工而设计，冻结进入施工荒径多，会严重影响掘进工程进度 ，而内排孔布置圈径过大会造成施工中大量片帮，因此应对内排孔布置方案进行优化。其孔 深可实行长短腿冻结，在不影响冻结壁的强度和厚度条件下，其孔间距也可适当加大。

影响冻结施工效率的因素很多，但在盐水温度、流量、冻结孔间距一定的情况下，冻结 圈径到井筒掘进荒径的距离及土层性质对冻土入径影响最大。故大多冻结凿井施工一直有上 部开挖片帮，而下部基本冻实，挖掘极其困难的问题。一种较好的解决方法是内排孔施工采 用定向钻孔技术，钻孔均向外定向倾斜，圈径由小至大呈“八”字型布置。如此井帮温度虽 随冻结时间的延长而下降，但因下部冻结圈大，冻土入径将会很少。这一施工技术在实际钻 孔施工中也已成熟可行。

3.4冻结温度问题

冻结井筒施工中， 井帮温度是影响施工安全和施工速度的主要矛盾。 一味地强调井帮温度 必须达到某一值是不全面和不科学的。 衡量冻结壁是否安全的主要指标应是冻结壁的有效 厚度和冻结壁强度能否满足设计要求。 将井帮温度设计和控制得过低， 乃至将井筒冻实， 显然也是不经济、不合理的。风井固结黏土层施工实测350～370 m井帮温度-8. 0～-12.0 ℃之间；398～440 m井帮温度在-9.0～-16.0 ℃之间。总制冻电耗达4 537万度，而同径主井电耗为3 841万度（两井由两家冻结公司施 工），说明风井的冻结温度偏低。而3井施工中井 帮极微量的变形量说明了冻结方案偏于安全，而经济技术的合理性还可以进一步优化。

从施工实践总结来看，当井筒正式开挖时井帮温度能达到0 ℃左右，黏土层每 百米井筒 深度的井帮温度下降梯度以1.5～3.0 ℃较为合理。通常情况下，砂层的井帮温 度将比黏土层低2～3 ℃。在此情况下，井帮温度的选取主要考虑深部黏土层的 冻结壁强度和变形控制问题。

井帮温度应控制在-8.0 ℃以下。冻结壁的井帮温度较低，冻结壁的强度高，可 控制冻结 壁变形，确保冻结管和外壁施工安全。但经济合理的方案应是允许井帮一定的变形量。实际 施工中采用小段高掘砌，施工速度快，井帮暴露时间短，并采用C70早强混凝，井帮位移基 本不显现，从而确保了深厚黏土层外层井壁未发生挤跨、压坏现象，避免了冻结管断裂现象 的发生。

4深井冻结温度场数值模拟

计算时，冻结前地温初始温度取30 ℃。土的冻结温度-2.0 ℃。 各土层的导热系数、密度、含水量等参数通过试验获得(见表3)，冻结管盐水温 度随时间的变化规律按照 实测给出；由于冻结管尺寸较冻结壁小得多，因此，可以将盐水温度作为节点荷载考虑，使 得建模简便。

由于冻结地层较深，可以按照平面问题建立冻结温度场计算模型。模型边界取21 m足够大以致在冻结时间内温度未能影响到边界，因此可以认为边界为绝热边界条件； 根据该层位实际 冻结管位置（坐标值）将温度荷载向相邻4个节点根据所围成的面积值进行分解。

通过数值分析，得到了-440 m深的钙质黏土冻结壁温度场分布（见图1～图2 ）。

玠/m

图1冻结120 d主面冻结温度分布图2冻结240 d(-2 ℃) 等温线分布

将测孔的温度现场实测和ADINA数值模拟结果进行比较（见图3）。

玹/d

1. ADINA数值模拟；2. 现场实测

图3测孔温度实测和数值模拟比较

从数值模拟和现场实测结果看：测孔离外圈冻结管比较远，因此，近20 d才开 始降温。时数值模拟和实测曲线十分接近。可见数值模拟方法能够精确地模拟出现场的实际 冻结温度。5结语

特厚表土层冻结法凿井常采用多圈孔冻结方案，合理确定各布孔圈径和孔间距对冻结效 果的好坏有重要指导意义，采用本文提出的理论计算、工程类比和有限元数值模拟相结合的 方法，可从获得较理想的冻结效果。

参考文献：

［1］李栋伟，汪仁和.多圈管瞬态温度场现场实测与有限元数值分析［J ］．煤田地质与勘探，2007，35（1）：3841.

［2］汪仁和,王伟,陈远坤.冻结孔偏斜下冻结壁温度场的形成特征与分析［J］. 岩土工程学报，2003,25(6):658661.

［3］李栋伟，汪仁和．抛物线型屈服面冻土蠕变本构模型研究［J］．岩土力 学，2007，28(9):1 9431 948.

［4］李栋伟，汪仁和. 卸载状态下冻黏土双屈服面流变本构模型研究［J］. 岩 土力学， 2007， 28(11): 2 3372 342.

［5］李述训.人工冻结凿井中热学问题计算方法评价［J］.冰川冻土,1982(3): 2332.

［6］赖远明，刘松玉，吴紫汪.寒区挡土墙温度场、渗流场和应力场耦合问 题的非线性分析［J］.土木工程学报，2003，36（6）：8895.

［7］B HARLAN R L. Analysis of Coupled HeatFluid Transport in Pa rtially Frozen soil［J］.Water Resources Research,1973,9(5):123128.

［8］李宁，陈波，陈飞熊.冻土路基温度场水分场变形场三场耦合分析［J］. 土木工程学报,2003,36(10):6671.

(责任编辑：何学华)