冻结壁形成与扩展特性综合分析法在建井中的应用

文/周景龙

一、工程概况

郑煤集团公司李粮店煤矿设计生产能力为240万t/年，采用立井开拓方案，主副井布置在同一个工业广场内，主副井井筒净直径分别为Ф5.0m、Ф6.5m，深度分别为 763.5m、788.5m。根据井检孔揭露的岩层柱状分析，副井穿过481.5m冲积层，选用冻结法施工，一次冻全深，冻结深度分别为800m，冻结深度居国内第一位和国际第三位。

二、井筒地质、水文地质特征及对副井全井深冻结掘砌施工造成问题

通过副井井检孔反映出副井冲积层总厚度为481.49m，其中粘性土层比例占76.80%，含单层大于10m的粘性土层12层，最大粘性土层厚度为82.27m，埋深为473.52m；砂性土层比例占23.20%，最大单层厚度为19.8m，大于5m单层的最大埋深为481.49m。

1.冲积层厚度达481.5m，冻结深度达800m，同时解决深厚冲积层和深厚含水松软岩层冻结问题，国内外尚无成熟的实践经验可供借鉴。

2.冲积层中粘性土层厚度比例大，达76.8%，特别是深部（大于300m段）粘性土层厚度比例达91.97%；含单层29m～83m厚度3层。

3.深部粘性土层的含水量小，冻结强度低，蠕变特性显著，冻掘矛盾突出，容易出现浅部片帮严重和深部冻土挖掘量大、外层井壁因过早砌筑被冻土膨胀压坏以及冻结管断裂。

三、开展全井深冻结掘砌工程预报，解决深厚冲积层和深厚含水基岩层对施工造成的问题

1.全井深冻结掘砌工程预报的原理

李粮店煤矿与北京煤科联技术研究所合作对井筒的冻结掘砌施工开展了系统的技术研究活动。科研人员首次建立综合计算、工程预报与调整的分析方法，为冻结法凿井工程安全快速施工提供科学依据。

2.冻结壁形成特性的基本规律

（1）单孔冻土扩展速度。根据层流状态下冻结管的直径、冻结孔间距、土层性质因子、土层含水率因子、冻结管外径科学计算数值。

（2）单圈孔冻结壁平均扩展速度。由单孔冻土扩展速度，冻结时间因子，冻结孔间距因子，邻层冻土因子，冻结孔圈径因子来准确计算数值。由于冻结孔圈内、外侧等厚度的面积不相等和冻结壁外侧受外来热源的影响，从能量原理分析，内外侧冷量扩展不等速，冻结壁内侧、外侧的冻土扩展速度不相等。

（3）相邻冻结孔圈交汇成整体冻结壁的内侧、外侧扩展速度。由原内圈冻结壁内外侧扩展速度，原外圈冻结壁内外侧扩展速度，原内圈向内外侧扩展因子，原外圈向内外侧扩展因子计算数值。交汇时间因子，随交汇时间延长而增长。

（4）冻结壁的交圈时间。主要与冻结孔间距、盐水温度、土层性质、冻结管直径、冻结孔布置方式、地下水流速、地层原始温度和冻结工艺、冻结器环形空间内盐水运动状态等因素有关，可根据冻结孔最大成孔间距得出预测值。

（5）冻结壁有效厚度平均温度。单圈孔冻结壁有效厚度的平均温度，等于按冻结壁0℃边界计算的平均温度值，与井帮温度对平均温度的影响值之和；主冻结孔内侧增设辅助孔（含防片孔）的冻结壁有效厚度的平均温度，是在成冰单圈孔冻结壁平均温度计算公式的基础上，增加主冻结孔与辅助冻结孔之间部位对平均温度的影响值。

四、冻结壁形成特性分析及工程预报

1.冲积层和基岩段各具体层位冻结壁形成特性分析情况

根据冻结钻孔偏斜平面投影图、水位孔冒水情况和实践经验等综合分析，-130m细砂层冻结壁已于冻结第50d交圈，-247m细砂层冻结壁于冻结第61d经交圈，-387m细砂层冻结壁于冻结第61d已经交圈。-115m水平粘土层冻、-222m水平砂质粘土层、-292m水平砂质粘土层、-342m水平砂质粘土层、-430m水平粘土层、-460m水平粘土层至冻结70d时已经形成稳定的冻结壁，副井壁座（－537m）以下砂质泥岩层于冻结110d时已经形成稳定的冻结壁。

2.副井粘性土层及泥岩的冻结壁形成特性工程预报主要指标

运用冻结壁形成特性基本规律，科研人员提出了井帮温度、主冻结孔外侧扩展速度及冻结壁有效厚度、主冻结壁内侧冻结壁有效厚度、冻结壁有效厚度、冻结壁平均温度等工程预报主要指标，用以指导冻结掘砌施工。

五、冻结掘砌工程预报发挥的作用

1.工程预报对启用分段套壁预案的影响

科研人员经分析和预测，认识到提前套壁能够弥补加强冻结所需要的时间，确保深部冲积层冻结壁有效厚度、平均温度、井帮温度、稳定性都得到明显改善，从而获得安全、快速施工双赢，所以副井在掘深393m处启动分段套壁预案，提前进行上部内层井壁套壁施工，由于准备充足、措施到位，主副井用40d完成上部井筒内壁套壁，继续掘进时冻结壁形成较好的特性指标。

2.冻结壁径向位移和井帮裸露时间的实测与调控

（1）280m～400m深度工程预报与调控。李粮店副井粘性土层占冲积层的比例为76.8%，冲积层下部基本以厚粘性土层为主，埋藏深地压大，掘砌速度却很快，造成冻结时间偏短；根据冻结壁形成特性分析和稳定性计算的工程预报可知，300m深度的粘性土层井帮温度为3.27℃，井帮温度偏高，冻结壁平均温度偏高，280m～400m深度安全掘砌段高应取 3.0～3.5m。

从冻结壁径向位移的实测表明：加强冻结和缩小段高之后冻结壁径向位移量减小，掘砌段高为4m时位移量为2.9～6.5mm/h，缩小段高至2.5m后位移量为1.1～2.2mm/h，每个段高的循环时间为16h或12h，冻结壁的径向位移由45～103mm减小到13～26mm，缩小段高有效地控制了冻结壁径向位移速度，有利于施工安全。

（2）-400m以下深度工程预报及调控。为提高冻结壁强度和稳定性，5月15日副井掘砌至393m深度后启动提前套壁预案，6月26日完成上部内层井壁套壁工作转为继续掘进，施工单位改为4m段高掘进；根据冻结壁形成特性分析和稳定性计算的工程预报，因深部地压大冻结凿井的安全掘砌段高不宜超过3.5m。从冻结壁径向位移的实测结果分析，400m以下深度采用4m段高施工稳定性差；经过实测、冻结壁形成特性稳定性和冻结壁径向位移分析和工程预报，掘砌单位在井深421m以下冲积层中将施工段高降低到了2.5m，使循环时间小于24h，井筒掘砌安全穿过冲积层。