赵固二矿西风井深厚冲积层冻结方案设计研究与应用

陈道翀，李功洲，曾凡伟

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；2.北京煤科联应用技术研究所，北京 100013；3.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；4.河南国龙矿业建设有限公司，河南 郑州 450000)

赵固二矿西风井井筒净直径6.0m，井筒设计深度914m，穿过冲积层厚度704.6m，冻结深度783m，冻结段井筒掘砌深度767m，冻结段井壁厚度900～1950mm，混凝土最高强度等级采用C100高性能混凝土，赵固二矿是我国第二个冲积层厚度超过700m的矿区，赵固二矿西风井是我国第四个穿过700m冲积层的井筒；21世纪以来，我国深厚冲积层冻结法凿井井筒数量大幅增加，为适应冲积层厚度大幅增长的需要，我国大力开展了多圈孔冻结工艺的研究与应用，至2018年已先后建成35个超过500m冲积层的冻结井筒，其中以中内圈为主冻结孔圈的设计方案占了绝大部分，以外圈为主冻结孔圈占6个井筒，不同的冻结方案设计指导原则和多圈冻结孔布置方式，导致井筒的冻结孔数、钻孔工程量、冻结需冷量和冻掘配合难度等均产生较大差异，直接影响到冻结和掘砌的工程成本和建井速度，冻结方案设计涉及到矿井建设安全和冻结凿井经济效益或成败等关键问题；本文着重就赵固二矿西风井冻结方案设计指导原则、冻结壁厚度计算、冻结孔布置方式、冻结方案设计优化及井帮温度调控目标等设计要点展开讨论，并结合赵固二矿西风井冻结与掘砌相互配合所取得的成功经验，探讨深厚冲积层冻结方案设计的一些关键技术。

1 冻结方案设计指导原则及冻结孔布置方式

总结我国深厚冲积层冻结工程的实践经验，冻结方案设计大体分为两种设计指导原则[1]。其中一种是强化深厚冲积层冻结壁内缘冻结强度的冻结方案设计指导原则[2]，尽量降低冻结壁内侧区域平均温度，特别是降低井筒深部井帮温度，提高冻结壁内缘附近的冻土强度，井筒深部掘进断面冻实或接近冻实，并采用异步冻结技术减少冻结壁内夹层水的冻胀力；万福矿主副风井均以强化深厚冲积层冻结壁内缘冻结强度为冻结方案设计指导原则，采取了以中内圈为主冻结孔的布孔方式，是我国首批成功穿越700多米冲积层的冻结法凿井井筒，但万福矿同时也面临了中深部冲积层井帮温度低、井心冻实等问题，造成爆破效率低，影响掘进速度。

虽然强化深厚冲积层冻结壁内缘冻结强度的冻结方案设计指导原则有利于冻结壁井帮的稳定性，但并不一定能确保冻结壁整体稳定性；我国超过500m冲积层的冻结井筒中，有7个井筒发生了5根以上冻结管断裂现象，共计断管122根[3]，井均断管17.43根，均发生在以中内圈为主冻结孔圈的冻结井筒，其中以内圈为主冻结孔圈的井筒断管问题最为严重。因此，强化深厚冲积层冻结壁内缘冻结强度的冻结方案设计指导原则和以中内圈为主冻结孔圈的布孔方式虽然是以安全性为主要考虑的设计指导原则，但实际施工的安全性并不能得到有效保障。

因此，赵固二矿西风井采用强化深厚冲积层冻结壁外侧冻结强度的冻结设计指导原则，以冻掘配合为主要考虑，在保障安全性的前提下尽可能通过合理布孔在减少造孔工程量和冻结需冷量的同时达到浅部不片帮、深部少挖冻土的冻掘配合目标。经过冻结壁模拟分析和赵固矿区7个已建冻结井筒的实践经验总结，笔者分析认为：

1)冻结工程实质是为掘砌创造条件的措施工程，冻结方案设计既要考虑安全问题，还要考虑冻结与掘砌的配合。

2)以外圈为主冻结孔，内侧适当增设辅助、防片冻结孔的布孔方式更适合于深厚冲积层冻结立井的施工。主冻结孔形成冻结壁主体结构并发挥隔水功能，辅助孔、防片孔按需求均衡供应冷量，辅助孔扩展冻结壁厚度并提高冻结壁内侧强度及稳定性，防片孔结合井壁变径和掘砌施工速度情况采取不同深度、多圈、异径等方式布置，提高井帮的稳定性，防片孔部位冻结壁并非冻结壁的主结构，对冻结壁承载没有实质帮助，在井筒掘砌过程中便于通过调整防片孔(及辅助孔)的盐水温度、流量等措施控制冻土向荒径内扩展，可为掘砌创造较好的施工条件，有利于实现安全快速施工。

3)根据已掌握的冻结壁形成特性综合分析方法，通过对冻结方案效果的预测、对比分析，可优化确定冻结方案设计参数，提高冻结工程的安全性和经济合理性，增强冻结壁内侧的可调控性，促进冻结与掘砌的有机结合。

2 深厚冲积层冻结壁厚度设计计算方法

随着深厚冲积层冻结深度的加大，地压增大，冻结法凿井曾普遍应用的弹塑性理论等冻结壁厚度计算公式，如拉麦公式、多姆克公式、里别尔曼公式、维亚洛夫公式等经典公式，是否仍然满足工程需要已经存疑。有学者认为只有建立新的设计计算体系，用卸载条件下冻结壁与围岩相互作用弹塑性厚壁筒等细化分析模型推导的冻结壁厚度计算公式[4]，才能满足赵固二矿西风井这种穿过700m冲积层的冻结壁设计要求，用现有公式计算得出的冻结壁厚度高达50m以上，甚至无穷大。

在深入研究赵固矿区8个井筒地质资料和冻结凿井经验、万福主副风井等井筒冻结壁设计和施工资料后，最终确定用经典的多姆克计算公式和维亚洛夫—扎列茨基计算公式分别计算砂性土层控制层位和粘性土层控制层位的冻结壁厚度。这些经典的冻结壁分析方法只要相关的设计、计算参数合理确定，计算赵固二矿西风井冻结冻结壁厚度是可行的。据此进行赵固二矿西风井冻结壁厚度设计计算结果见表1。需要说明的是：①井帮温度参考了《冻结法凿井施工手册》[3]中表4-12“按冲积层厚度与设计控制层位土性选取井帮温度”的建议值，并经过冻结壁形成特性预测分析确定；②冻结壁平均温度经过冻结壁形成特性预测分析及成冰多圈孔冻结壁平均温度公式计算确定；③砂性土层冻土计算强度由《冻结法凿井施工手册》[3]中图4-2“2000年以来我国砂性冻土计算强度与冻结壁平均温度的拟合曲线”选取；④粘性土层的冻土计算强度由赵固二矿西风井井检孔冻土试验值除以安全系数获得，冻土计算强度选取区分均值与低值，均值用来计算各层位一般状态下的冻结壁厚度，作为设计底线，低值用来核算某些层位最不利情况下的冻结壁厚度，低值对应的冻结壁厚度作为参考值，从而合理确定冻结壁设计厚度；⑤最初设计计算时，按惯例将模板高度视为掘进段高；经过与施工单位共同分析其在万福风井掘砌的实际情况，将冲积层深部爆破掘进段高确定为模板高度的1.6～1.9倍。

表1 赵固二矿西风井砂性土层及粘性土层控制层位冻结壁厚度计算结果

根据表1所列砂性土层与粘性土层控制层位冻结壁厚度计算结果分析，砂性土层冻结壁厚度计算结果为10.3m，设计冲积层中深部采用3.8m模板高度(爆破掘进段高6.5m)、底部粘性土层采用3.0～2.5m模板高度(爆破掘进段高5.1～4.7m)，粘性土层冻结壁厚度设计为9.9m，两类土层分析结果基本统一，最终冻结壁设计厚度确定为10.3m。

3 冻结方案设计优化

3.1 井帮温度分布

3.1.1 井帮温度分布的争取目标

井帮温度变化与冻结壁内侧及井帮的稳定有密切的关系，直接反应了冻土扩入荒径的量和冻土挖掘的难度，在爆破施工时直接影响炸药的起爆率和冻土爆破效果，也影响到外层井壁混凝土早期强度增长速度和壁后冻土融化回冻情况，井帮温度分布是涉及安全和施工效率的非常重要的设计参数之一。因此冻结方案设计要根据冲积层厚度等地质条件首先规划一个合理的井帮温度分布的争取目标，赵固二矿西风井冲积层段的控制层位井帮温度即为冻掘有机配合而确定的争取目标，见表2。

表2 冲积层段的控制层位井帮温度目标

3.1.2 优化设计及井帮温度设计的调控目标

为适应井壁承受地压需要，冲积层厚度越大，井壁变截面层位越多，实现井帮温度分布达到争取目标的难度也就越大。冻结方案设计过程中，要结合掘砌施工计划，应用《冻结法凿井施工手册》[3]第2.5.3节所述综合分析法，对冻结孔布置的初步方案进行冻结壁形成特性预测分析，优化冻结孔布置等设计参数，努力实现井帮温度变化预测曲线(图1中未调控曲线)的峰值接近争取目标值，冻结孔布置要使井帮温度变化曲线的低谷部位便于冻结调控，并通过已经掌握的布孔和调控技术，使井帮温度变化预测曲线的低谷值上升并接近争取目标值，使调控后的井帮温度分布(图1中调控后曲线)，即井帮温度设计的调控目标接近已经确定的争取目标。

图1 赵固二矿西风井粘性土层井帮温度预测及设计调控目标

3.2 主冻结孔位置的分析确定

根据施工单位在万福风井冻结凿井工程实践经验和赵固一矿西风井的冻结工程实测规律，采用冻结壁形成特性综合分析方法[5]，对比分析赵固二矿西风井采用以中内圈为主冻结孔和以外圈为主冻结孔的井帮温度变化特点(如图2所示)。

图2 赵固二矿西风井以中内圈或外圈为主冻结孔的布置方式未经调控的粘性土层井帮温度预测

在井壁变截面或(某圈)防片孔结束位置，井帮温度一般均发生波动，以中内圈为主冻结孔布孔方式的井帮温度基本上随深度均保持下降趋势，在防片孔结束前的250～300m部位粘性土层井帮温度可达到-14～-17℃，以中内圈为主冻结孔的布孔方式影响了冻结调控的效果，无法改变井帮温度快速下降的总趋势；420m以下粘性土层井帮温度基本降至-15℃以下，掘砌难度增大，冻掘矛盾明显加剧；当井帮温度低于-18℃后，炸药起爆率明显降低，掘进爆破效率较差，开帮极其困难；掘至530m以下，井帮温度降至-20～-26℃，即使提前加大调控力度，也难以改变井心冻实的结果。因此，以中内圈为主冻结孔的布孔方式，不仅增加了冻结孔数量、钻孔工程量、冻结需冷量，增大了冻结壁内侧的冻胀力，还使冻土大幅度扩入挖掘荒径，致使中深部冲积层段井心基本冻实，造成冻结段井筒掘砌施工困难。

以外圈为主冻结孔布置方式的外圈冻结孔相对密集，但辅助孔、防片孔布置相对稀疏、均匀，相对于以中内圈为主冻结孔的模拟布置，总冻结孔数减少10.7%，冻结钻孔工程量减少12.1%，冻结需冷量减小9.7%；与我国第一个穿过700m冲积层的万福风井(井筒净直径相同，冲积层深度753.95m，冻结深度840m)相比，总冻结孔数减少27.8%，冻结钻孔工程量减少34.3%，冻结需冷量减小20.2%。防片孔布置与井壁变截面相结合，井帮温度经过几次适度回升，减缓了井帮温度快速降低的趋势，考虑到以外圈为主冻结孔布置提高了防片孔、辅助孔调控的便利性，中深部粘性土层井帮温度可基本控制在-7～-12℃(见图1)。因此确定赵固二矿西风井的冻结方案设计采用以外圈为主冻结孔圈，主冻结孔内侧增设辅助、防片冻结孔的布置方式，既能保证冻结壁安全，又便于冻结调控，可为掘砌创造较好的施工条件，有利于实现安全快速施工。

3.3 冻结孔圈数、圏径、深度及管径的优化分析

辅助孔和防片孔的圈数没有一定之规，圈数和孔数主要取决于冻结壁设计厚度、井壁变径次数、浅部砂性土层分布、计划掘砌速度、地下水流速等因素，防片孔距井帮距离及深度直接影响到井帮温度回升位置和幅度。可以通过对冻结孔布置方案的预测分析，测算各种土性控制层位冻结壁厚度、强度、井帮温度，验证冻结方案设计的初选参数，调整、优化各冻结孔圈的冻结孔数量、圏径、深度、管径等冻结方案设计参数。赵固二矿西风井优化设计后的冻结钻孔布置主要参数见表3，钻孔平面布置如图3所示，优化中涉及的两个不完善方案——方案Ⅰ、方案Ⅱ与优化方案的差异见表4。应用综合分析法得出各方案的井帮温度预测曲线如图4所示，通过对比分析，方案Ⅰ在420m以下的井帮温度回升过多，方案Ⅱ的浅部井帮温度下降过快，在300m处井帮温度回升过高，说明优化后设计方案的冻结孔数量、深度等设计参数调整较为合理。

3.4 冻结方案设计参数预测分析、复核及段高设计要求

冻结孔布置及优化分析后，需要根掘砌施工进度计划、调控目标和方法，采用冻结壁形成特性综合分析方法[5]，复核冻结方案实施过程中，控制层位的井帮温度、平均温度及冻土计算强度是否能够实现表1的参数选取条件，砂性土层冻结壁有效厚度能否达到所需冻结壁厚度的要求，深厚粘性土层模板高度对应的爆破掘进段高能否满足预测分析的安全掘进段高要求(表5)。根据冻结壁形成特性预测分析，赵固二矿西风井冻结方案设计最终提出爆破掘进的模板段高建议值为：-510m以上选取3.8m模板段高，-510m以下选取3.0～2.5m模板段高。

表3 赵固二矿西风井优化方案冻结钻孔主要布置参数

表4 方案Ⅰ、方案Ⅱ冻结钻孔参数取值与优化方案的不同处

图3 赵固二矿西风井冻结钻孔平面布置图

图4 赵固二矿西风井防片孔与辅助孔调整深度、数量的粘性土层井帮温度预测对比

4 赵固二矿西风井冻结法凿井工程实施效果

赵固二矿西风井主冻结孔圈、辅助冻结孔圈与防片冻结孔圈采用三组去回路干管，分别于2018年3月5日、8日、11日开机运转，平均单孔流量约为18～19m3/h。浅部冻结壁于冻结38d交圈，深部冻结壁于冻结54d交圈，冻结66d采用1.4m小段高开始进行试挖，后改为2.5m模板，冻结81d正式开挖，模板为4m段高。

赵固二矿西风井浅部冻土扩展慢，测温点及井帮温度降低较缓慢，掘砌至-180m后井帮温度快速下降，防片孔开始进行减流量的调控；由于砂性土层与粘性土层的井帮温度差异较大，而且固结土层对挖掘影响较大，因此掘至-230m后加大了防片孔冻结温度和流量的调控力度；鉴于粘性土层井帮稳定性较好，-400m以下井帮温度控制调整了计划，略高于原设计调控目标，-600m以下井帮温度接近设计调控目标。冻结壁厚度始终满足设计要求，中深部冲积层的冻结壁平均温度低于设计值，冻结壁强度超过设计要求，冲积层深部粘性土层井帮温度基本控制在-11℃以上，砂性土层井帮温度在-13℃以上，冲积层段实测井帮温度值如图5所示。爆破掘进的座底炮深度一般为2.5～2.8m，在深部松散土层中限制座底炮深度在2m以内，-540m以下模板改为3m高度，-660m以下模板改为2.5m高度，冻结壁整体稳定性很好，冻掘配合顺畅，爆破掘进的炸药起爆率和爆破效果均超过以往深冻结井筒，冲积层深部外壁掘砌速度基本维持在75～80m/月，冲积层段外壁掘砌平均速度为87.1m/月，冻结段外壁掘砌平均速度为82.1m/月。

表5 赵固二矿西风井控制层位冻结方案设计参数复核及粘性土层掘砌段高计算

图5 赵固二矿西风井冲积层段井帮温度实测值与粘性土层调控目标

5 结 论

1)坚持强化深厚冲积层冻结壁外侧冻结强度的冻结设计指导原则，抛弃冻结井筒基本冻实井心的技术路线，实际上是坚持了冻结服务于掘砌、掘砌服从于冻结，两者应相互协调配合的思想，这对于冻结方案设计及冻结工程实施的影响非常大。

2)以外圈为主冻结孔相对于以中内圈为主冻结孔具有明显的优点：减少冻结孔总数、钻孔工程量和冻结需冷量；主冻结孔圈外移，能减少主冻结孔径向位移，防止主冻结管断裂；能确保冻结壁向外扩展范围，满足冻结壁厚度设计要求。

3)冻结孔按主冻结孔、辅助冻结孔、防片帮孔功能分类，不作严格的圈数限制，有利于冻结孔间冷量协调供给，提高制冷效率和冻结可调控性。

4)利用冻结壁形成特性分析方法，对冻结方案进行预测分析，优化冻结孔布置及设计参数，确定合理的井帮温度分布，可以提高冻结方案的安全性、先进性和经济合理性。

5)设计阶段就根据掘砌计划预测井帮温度变化，并初步制定冻结调控计划和井帮温度分布调控目标(曲线)，可以为冻掘配合打好基础，有利于实现冻结井筒安全快速施工。