深厚冲积层冻结法凿井技术研究现状与展望

周长山 张 鹏

0 引言

我国华东、华北经济发达地区浅层地质条件好的煤田，绝大部分已得到充分开发，其中不少煤田已经枯竭，需要开发深厚表土所覆盖下的煤田。山东、安徽、河南、河北等省以及东北地区，已经探明深厚表土覆盖下的煤田储量983亿t。但这些矿井大多都要穿过400 m～800 m的深厚表土层，在这种复杂的地质条件下，用常规的建井技术已经不可能，必须考虑采用特殊的凿井技术。冻结法凿井是目前我国立井特殊施工的首选技术[1]。

冻结法凿井是在井筒开挖之前，首先在欲开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结器，低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围地层的热量，在松散、含水不稳定地层中形成冻结圆柱，冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭的、满足设计厚度和强度的圆筒—冻结壁，以抵抗土、水压力，隔绝地下水和井筒的联系，并在冻结壁的保护下进行井筒掘砌，以便安全穿过含水地层，是一种特殊的凿井方法[2]。人工地层冻结法原则上可适用于任何含水地层，无论是砾石层、砂层还是黏性土层，当具有一定含水量时均可通过人工制冷的方法临时改变岩土性质以固结地层。完善和发展人工地层冻结理论和技术体系将不仅具有重要的社会效益，而且具有良好的经济前景[3]。

据初步统计，到目前为止，我国采用冻结法施工的立井井筒约540个，累计冻结长度约120 km[4]。进入21世纪后，新建矿井的冲积层厚度已突破400 m，最大冻结深度达702 m，使我国在400 m～800 m冻结法凿井关键技术方面取得较大进展。但近年来深厚冲积层冻结凿井工程中仍频发冻结管断裂和井壁破裂事故。因此有必要对近年来深厚冲积层冻结法凿井技术进行总结分析，展望今后冻结法凿井技术的研究工作，使我国的深厚冲积层冻结法凿井技术登上新的台阶。

1 国内外冻结法凿井技术的新进展

国外采用冻结法凿井较多的国家有德国、英国、波兰、加拿大、比利时和前苏联等，见表1[5]。其中井筒冻结深度最大达到930 m，冻结井筒穿过的冲积层最大厚度未超过400 m。近20年来一些经济发达的国家由于能源结构的变化，已很少有大型冻结井筒开工了，冻结技术发展基本上处于停滞状态。

我国于1955年首次在开滦矿务局林西风井施工中使用人工冻结技术，并获得成功。随后，冻结法在煤矿井筒施工中广泛应用。此后，在双鸭山、铁法、开滦、兖州、邯郸、枣庄、滕州、大屯、徐沛、淮北、淮南、平顶山、永夏等主要煤炭基地建设中，冻结法得到了广泛的应用，因此在井巷特殊施工方法中，冻结法所占比例最大，成为我国井筒特殊施工的最主要方法。至今，我国采用冻结法施工的立井井筒约540个，累计冻结长度超过120 km。

表1 国外冻结法凿井的最大冻结深度和冲积层厚度 m

深厚冲积层冻结法凿井技术一直是我国建井行业的重要研究课题。进入21世纪后随着新井建设规模扩大，尤其是冻结井筒穿过的冲积层厚度增加了约56%，使得我国的冻结凿井施工技术有了长足的发展，主要表现在以下几个方面:

1)冻结设计方面。近几年来，随着我国立井冻结深度的不断加大，冻结孔布置由单圈发展到多圈，即由原先的单圈孔发展到主孔+辅孔(防片帮孔)、双圈孔、三圈孔、四圈孔。超过400 m厚度冲击层普遍采用三圈孔，甚至四圈孔。多圈冻结孔满足了形成大厚度、高承载力冻结壁的需要，从而大大拓展了冻结法在深厚冲积层井筒施工中的应用范围。同时减少了冻结时间，实现早开挖，节省工期。

2)冻结孔施工及制冷。采用合理的钻具组合和测斜纠斜方法，千米冻结孔偏斜率控制在0.2%以内，为保证冻结壁的形成质量奠定了基础。如郭屯矿主、副风井冻结工程，冻结孔深度702 m，最大偏斜率控制在0.17%以内。采用水1000、水2000等大型钻机施工冻结孔，钻机成孔速度平均超过了3 000 m/(台◦月)，冻结孔施工效率提高和工期缩短显著。采用了蒸发式冷凝器和大型螺杆冷冻机组，与以前采用的立式冷凝器和活塞式冷冻机相比，显著提高了冻结能力。此冻结方法不但易于对冻结供冷量进行调控，而且可显著提高冻结盐水降温速度，促使冻结壁提前形成;同时可节电和大幅度减少冷却水用量。

3)井壁结构。厚400 m冲积层冻结井壁多采用竖向可缩性复合井壁结构。外层井壁在施工期间承受冻结压力和限制冻结壁的变形，在冻结壁解冻后，冻结压力消除，外层井壁与内层井壁共同承受永久地压自重和部分竖直附加力。内层井壁承受外层井壁或夹层传来的水平侧压力，同时承受自重、设备重量和外层井壁或夹层传来的部分竖直附加力。井壁设置可缩性接头，保持井壁竖向可缩以适应特殊地层的竖直附加力。

4)井壁材料。研发了深井冻结井壁高性能混凝土。例如龙固矿和赵固矿的井壁混凝土强度等级分别达到了C70和C75。通过提高井壁混凝土强度，解决了近600 m深厚冲积层双层钢筋混凝土井壁的施工问题，并且井壁总厚度与过去冲积层厚度在400 m以内的冻结井筒接近，不但可以取得显著的经济效益，而且有利于缩小井筒开挖直径，提高冻结壁的安全性。

5)井筒掘砌。采用长绳悬吊式大抓岩机和小型挖掘机掘进，加快了施工速度。采用信息化施工技术，对掘砌过程中的冻结壁温度和变形、冻结压力以及井壁的受力和变形进行实时监测，利用反演技术进行预报，对保证施工安全起到了重要作用。

通过对上述技术的开发应用，我国在短期内建成了一大批深厚冲积层冻结井筒，其中，冻结法凿井在郭屯煤矿主井的顺利实施，冻结井筒穿过的冲积层厚度成为世界第一，标志着我国深厚冲积层冻结凿井技术总体上已处于国际领先水平。

2 冻结凿井技术存在的问题

虽然近年来我国冻结法凿井技术取得了突飞猛进的发展，但实际工程中仍常出现冻结管断裂和井壁破裂事故。冻结管的断裂，将直接威胁冻结壁的安全，导致冻结壁变形过大、外层井壁被压坏，严重者甚至造成淹井事故。梁宝寺煤矿主井则在垂深300 m左右，外层井壁破裂、垮塌。

事故的发生说明冻结法凿井技术仍需要提高和完善，而制约其进一步发展的根本原因在于基础理论研究滞后于工程实践。基础理论不完善主要表现在:1)对深部冻土力学性质了解不够深入，因此冻结壁和井壁外载取值合理性也无从验证;2)无适合于400 m以上冲积层冻结壁强度和稳定性验算的统一方法;3)对于深厚冲积层多圈管冻结条件下，冻结管断裂机制尚不明确，无法提出冻结管断裂防治措施;4)冻结井壁结构设计水平及设计计算方法没有实质上的提高，导致井壁计算厚度大，防水效果较差。

3 结论与建议

虽然我国冻结法凿井技术取得较大发展，但冻结法凿井的基础理论尚落后于工程实践，今后应在以下方面深入开展深厚冲积层冻结法凿井基础研究:

1)根据冻结法凿井应力路径，研究有压冻结—卸载条件下深部人工冻土的力学特性。

2)研究冻结壁形成过程中温度场、水分场、应力场及变形场的耦合作用规律。

3)研究掘砌过程冻结壁和井壁温度场、应力场及变形场的多场耦合作用。

4)研究多圈孔冻结条件下，深厚冲积层冻结壁内冻结管的断裂机制。

5)研究冻结法凿井信息化施工监测和反演基本理论，增强系统的智能化和可靠性。

[1] 洪伯潜.特殊凿井技术在我国的发展前景[J].中国煤炭，2000，26(4):5-8.

[2] 翁家杰.井巷特殊施工[M].北京:煤炭工业出版社，1991.

[3] 陈瑞杰.人工地层冻结应用研究进展和展望[J].岩土工程学报，2000(1):40-44.

[4] 李功洲，陈文豹.深厚冲积层冻结凿井技术问题的探讨[A].全国矿山建设学术会议论文选集[C].2004.

[5] 洪伯潜.我国深井快速建井综合技术[J].煤炭科学技术，2006(1):8-11.

[6] 杨维好.万福煤矿井井筒特殊施工可行性分析[Z].内部资料，2004.

[7] 王衍森.郓城煤矿主副井冻胀力监测研究报告[Z].内部资料，2007.