深厚沖積層凍結(jié)法鑿井技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

周長(zhǎng)山 張 鵬

0 引言

我國(guó)華東、華北經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)淺層地質(zhì)條件好的煤田，絕大部分已得到充分開(kāi)發(fā)，其中不少煤田已經(jīng)枯竭，需要開(kāi)發(fā)深厚表土所覆蓋下的煤田。山東、安徽、河南、河北等省以及東北地區(qū)，已經(jīng)探明深厚表土覆蓋下的煤田儲(chǔ)量983億t。但這些礦井大多都要穿過(guò)400 m～800 m的深厚表土層，在這種復(fù)雜的地質(zhì)條件下，用常規(guī)的建井技術(shù)已經(jīng)不可能，必須考慮采用特殊的鑿井技術(shù)。凍結(jié)法鑿井是目前我國(guó)立井特殊施工的首選技術(shù)[1]。

凍結(jié)法鑿井是在井筒開(kāi)挖之前，首先在欲開(kāi)挖井筒的周?chē)蛞欢〝?shù)量的凍結(jié)孔，孔內(nèi)安裝凍結(jié)器，低溫鹽水在凍結(jié)器中流動(dòng)，吸收其周?chē)貙拥臒崃?，在松散、含水不穩(wěn)定地層中形成凍結(jié)圓柱，凍結(jié)圓柱逐漸擴(kuò)大并連接成封閉的、滿足設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度的圓筒—凍結(jié)壁，以抵抗土、水壓力，隔絕地下水和井筒的聯(lián)系，并在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行井筒掘砌，以便安全穿過(guò)含水地層，是一種特殊的鑿井方法[2]。人工地層凍結(jié)法原則上可適用于任何含水地層，無(wú)論是礫石層、砂層還是黏性土層，當(dāng)具有一定含水量時(shí)均可通過(guò)人工制冷的方法臨時(shí)改變巖土性質(zhì)以固結(jié)地層。完善和發(fā)展人工地層凍結(jié)理論和技術(shù)體系將不僅具有重要的社會(huì)效益，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)前景[3]。

據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，到目前為止，我國(guó)采用凍結(jié)法施工的立井井筒約540個(gè)，累計(jì)凍結(jié)長(zhǎng)度約120 km[4]。進(jìn)入21世紀(jì)后，新建礦井的沖積層厚度已突破400 m，最大凍結(jié)深度達(dá)702 m，使我國(guó)在400 m～800 m凍結(jié)法鑿井關(guān)鍵技術(shù)方面取得較大進(jìn)展。但近年來(lái)深厚沖積層凍結(jié)鑿井工程中仍頻發(fā)凍結(jié)管斷裂和井壁破裂事故。因此有必要對(duì)近年來(lái)深厚沖積層凍結(jié)法鑿井技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析，展望今后凍結(jié)法鑿井技術(shù)的研究工作，使我國(guó)的深厚沖積層凍結(jié)法鑿井技術(shù)登上新的臺(tái)階。

1 國(guó)內(nèi)外凍結(jié)法鑿井技術(shù)的新進(jìn)展

國(guó)外采用凍結(jié)法鑿井較多的國(guó)家有德國(guó)、英國(guó)、波蘭、加拿大、比利時(shí)和前蘇聯(lián)等，見(jiàn)表1[5]。其中井筒凍結(jié)深度最大達(dá)到930 m，凍結(jié)井筒穿過(guò)的沖積層最大厚度未超過(guò)400 m。近20年來(lái)一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家由于能源結(jié)構(gòu)的變化，已很少有大型凍結(jié)井筒開(kāi)工了，凍結(jié)技術(shù)發(fā)展基本上處于停滯狀態(tài)。

我國(guó)于1955年首次在開(kāi)灤礦務(wù)局林西風(fēng)井施工中使用人工凍結(jié)技術(shù)，并獲得成功。隨后，凍結(jié)法在煤礦井筒施工中廣泛應(yīng)用。此后，在雙鴨山、鐵法、開(kāi)灤、兗州、邯鄲、棗莊、滕州、大屯、徐沛、淮北、淮南、平頂山、永夏等主要煤炭基地建設(shè)中，凍結(jié)法得到了廣泛的應(yīng)用，因此在井巷特殊施工方法中，凍結(jié)法所占比例最大，成為我國(guó)井筒特殊施工的最主要方法。至今，我國(guó)采用凍結(jié)法施工的立井井筒約540個(gè)，累計(jì)凍結(jié)長(zhǎng)度超過(guò)120 km。

表1 國(guó)外凍結(jié)法鑿井的最大凍結(jié)深度和沖積層厚度 m

深厚沖積層凍結(jié)法鑿井技術(shù)一直是我國(guó)建井行業(yè)的重要研究課題。進(jìn)入21世紀(jì)后隨著新井建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，尤其是凍結(jié)井筒穿過(guò)的沖積層厚度增加了約56%，使得我國(guó)的凍結(jié)鑿井施工技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)凍結(jié)設(shè)計(jì)方面。近幾年來(lái)，隨著我國(guó)立井凍結(jié)深度的不斷加大，凍結(jié)孔布置由單圈發(fā)展到多圈，即由原先的單圈孔發(fā)展到主孔+輔孔(防片幫孔)、雙圈孔、三圈孔、四圈孔。超過(guò)400 m厚度沖擊層普遍采用三圈孔，甚至四圈孔。多圈凍結(jié)孔滿足了形成大厚度、高承載力凍結(jié)壁的需要，從而大大拓展了凍結(jié)法在深厚沖積層井筒施工中的應(yīng)用范圍。同時(shí)減少了凍結(jié)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)早開(kāi)挖，節(jié)省工期。

2)凍結(jié)孔施工及制冷。采用合理的鉆具組合和測(cè)斜糾斜方法，千米凍結(jié)孔偏斜率控制在0.2%以內(nèi)，為保證凍結(jié)壁的形成質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。如郭屯礦主、副風(fēng)井凍結(jié)工程，凍結(jié)孔深度702 m，最大偏斜率控制在0.17%以內(nèi)。采用水1000、水2000等大型鉆機(jī)施工凍結(jié)孔，鉆機(jī)成孔速度平均超過(guò)了3 000 m/(臺(tái)?月)，凍結(jié)孔施工效率提高和工期縮短顯著。采用了蒸發(fā)式冷凝器和大型螺桿冷凍機(jī)組，與以前采用的立式冷凝器和活塞式冷凍機(jī)相比，顯著提高了凍結(jié)能力。此凍結(jié)方法不但易于對(duì)凍結(jié)供冷量進(jìn)行調(diào)控，而且可顯著提高凍結(jié)鹽水降溫速度，促使凍結(jié)壁提前形成;同時(shí)可節(jié)電和大幅度減少冷卻水用量。

3)井壁結(jié)構(gòu)。厚400 m沖積層凍結(jié)井壁多采用豎向可縮性復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)。外層井壁在施工期間承受凍結(jié)壓力和限制凍結(jié)壁的變形，在凍結(jié)壁解凍后，凍結(jié)壓力消除，外層井壁與內(nèi)層井壁共同承受永久地壓自重和部分豎直附加力。內(nèi)層井壁承受外層井壁或夾層傳來(lái)的水平側(cè)壓力，同時(shí)承受自重、設(shè)備重量和外層井壁或夾層傳來(lái)的部分豎直附加力。井壁設(shè)置可縮性接頭，保持井壁豎向可縮以適應(yīng)特殊地層的豎直附加力。

4)井壁材料。研發(fā)了深井凍結(jié)井壁高性能混凝土。例如龍固礦和趙固礦的井壁混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別達(dá)到了C70和C75。通過(guò)提高井壁混凝土強(qiáng)度，解決了近600 m深厚沖積層雙層鋼筋混凝土井壁的施工問(wèn)題，并且井壁總厚度與過(guò)去沖積層厚度在400 m以內(nèi)的凍結(jié)井筒接近，不但可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且有利于縮小井筒開(kāi)挖直徑，提高凍結(jié)壁的安全性。

5)井筒掘砌。采用長(zhǎng)繩懸吊式大抓巖機(jī)和小型挖掘機(jī)掘進(jìn)，加快了施工速度。采用信息化施工技術(shù)，對(duì)掘砌過(guò)程中的凍結(jié)壁溫度和變形、凍結(jié)壓力以及井壁的受力和變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用反演技術(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào)，對(duì)保證施工安全起到了重要作用。

通過(guò)對(duì)上述技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，我國(guó)在短期內(nèi)建成了一大批深厚沖積層凍結(jié)井筒，其中，凍結(jié)法鑿井在郭屯煤礦主井的順利實(shí)施，凍結(jié)井筒穿過(guò)的沖積層厚度成為世界第一，標(biāo)志著我國(guó)深厚沖積層凍結(jié)鑿井技術(shù)總體上已處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

2 凍結(jié)鑿井技術(shù)存在的問(wèn)題

雖然近年來(lái)我國(guó)凍結(jié)法鑿井技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但實(shí)際工程中仍常出現(xiàn)凍結(jié)管斷裂和井壁破裂事故。凍結(jié)管的斷裂，將直接威脅凍結(jié)壁的安全，導(dǎo)致凍結(jié)壁變形過(guò)大、外層井壁被壓壞，嚴(yán)重者甚至造成淹井事故。梁寶寺煤礦主井則在垂深300 m左右，外層井壁破裂、垮塌。

事故的發(fā)生說(shuō)明凍結(jié)法鑿井技術(shù)仍需要提高和完善，而制約其進(jìn)一步發(fā)展的根本原因在于基礎(chǔ)理論研究滯后于工程實(shí)踐。基礎(chǔ)理論不完善主要表現(xiàn)在:1)對(duì)深部?jī)鐾亮W(xué)性質(zhì)了解不夠深入，因此凍結(jié)壁和井壁外載取值合理性也無(wú)從驗(yàn)證;2)無(wú)適合于400 m以上沖積層凍結(jié)壁強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算的統(tǒng)一方法;3)對(duì)于深厚沖積層多圈管凍結(jié)條件下，凍結(jié)管斷裂機(jī)制尚不明確，無(wú)法提出凍結(jié)管斷裂防治措施;4)凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平及設(shè)計(jì)計(jì)算方法沒(méi)有實(shí)質(zhì)上的提高，導(dǎo)致井壁計(jì)算厚度大，防水效果較差。

3 結(jié)論與建議

雖然我國(guó)凍結(jié)法鑿井技術(shù)取得較大發(fā)展，但凍結(jié)法鑿井的基礎(chǔ)理論尚落后于工程實(shí)踐，今后應(yīng)在以下方面深入開(kāi)展深厚沖積層凍結(jié)法鑿井基礎(chǔ)研究:

1)根據(jù)凍結(jié)法鑿井應(yīng)力路徑，研究有壓凍結(jié)—卸載條件下深部人工凍土的力學(xué)特性。

2)研究?jī)鼋Y(jié)壁形成過(guò)程中溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及變形場(chǎng)的耦合作用規(guī)律。

3)研究掘砌過(guò)程凍結(jié)壁和井壁溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及變形場(chǎng)的多場(chǎng)耦合作用。

4)研究多圈孔凍結(jié)條件下，深厚沖積層凍結(jié)壁內(nèi)凍結(jié)管的斷裂機(jī)制。

5)研究?jī)鼋Y(jié)法鑿井信息化施工監(jiān)測(cè)和反演基本理論，增強(qiáng)系統(tǒng)的智能化和可靠性。

[1] 洪伯潛.特殊鑿井技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展前景[J].中國(guó)煤炭，2000，26(4):5-8.

[2] 翁家杰.井巷特殊施工[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1991.

[3] 陳瑞杰.人工地層凍結(jié)應(yīng)用研究進(jìn)展和展望[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000(1):40-44.

[4] 李功洲，陳文豹.深厚沖積層凍結(jié)鑿井技術(shù)問(wèn)題的探討[A].全國(guó)礦山建設(shè)學(xué)術(shù)會(huì)議論文選集[C].2004.

[5] 洪伯潛.我國(guó)深井快速建井綜合技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006(1):8-11.

[6] 楊維好.萬(wàn)福煤礦井井筒特殊施工可行性分析[Z].內(nèi)部資料，2004.

[7] 王衍森.鄆城煤礦主副井凍脹力監(jiān)測(cè)研究報(bào)告[Z].內(nèi)部資料，2007.