凍結(jié)壁形成與擴展特性綜合分析法在建井中的應(yīng)用

文/周景龍

一、工程概況

鄭煤集團公司李糧店煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為240萬t/年，采用立井開拓方案，主副井布置在同一個工業(yè)廣場內(nèi)，主副井井筒凈直徑分別為Ф5.0m、Ф6.5m，深度分別為 763.5m、788.5m。根據(jù)井檢孔揭露的巖層柱狀分析，副井穿過481.5m沖積層，選用凍結(jié)法施工，一次凍全深，凍結(jié)深度分別為800m，凍結(jié)深度居國內(nèi)第一位和國際第三位。

二、井筒地質(zhì)、水文地質(zhì)特征及對副井全井深凍結(jié)掘砌施工造成問題

通過副井井檢孔反映出副井沖積層總厚度為481.49m，其中粘性土層比例占76.80%，含單層大于10m的粘性土層12層，最大粘性土層厚度為82.27m，埋深為473.52m；砂性土層比例占23.20%，最大單層厚度為19.8m，大于5m單層的最大埋深為481.49m。

1.沖積層厚度達481.5m，凍結(jié)深度達800m，同時解決深厚沖積層和深厚含水松軟巖層凍結(jié)問題，國內(nèi)外尚無成熟的實踐經(jīng)驗可供借鑒。

2.沖積層中粘性土層厚度比例大，達76.8%，特別是深部（大于300m段）粘性土層厚度比例達91.97%；含單層29m～83m厚度3層。

3.深部粘性土層的含水量小，凍結(jié)強度低，蠕變特性顯著，凍掘矛盾突出，容易出現(xiàn)淺部片幫嚴重和深部凍土挖掘量大、外層井壁因過早砌筑被凍土膨脹壓壞以及凍結(jié)管斷裂。

三、開展全井深凍結(jié)掘砌工程預(yù)報，解決深厚沖積層和深厚含水基巖層對施工造成的問題

1.全井深凍結(jié)掘砌工程預(yù)報的原理

李糧店煤礦與北京煤科聯(lián)技術(shù)研究所合作對井筒的凍結(jié)掘砌施工開展了系統(tǒng)的技術(shù)研究活動?？蒲腥藛T首次建立綜合計算、工程預(yù)報與調(diào)整的分析方法，為凍結(jié)法鑿井工程安全快速施工提供科學(xué)依據(jù)。

2.凍結(jié)壁形成特性的基本規(guī)律

（1）單孔凍土擴展速度。根據(jù)層流狀態(tài)下凍結(jié)管的直徑、凍結(jié)孔間距、土層性質(zhì)因子、土層含水率因子、凍結(jié)管外徑科學(xué)計算數(shù)值。

（2）單圈孔凍結(jié)壁平均擴展速度。由單孔凍土擴展速度，凍結(jié)時間因子，凍結(jié)孔間距因子，鄰層凍土因子，凍結(jié)孔圈徑因子來準確計算數(shù)值。由于凍結(jié)孔圈內(nèi)、外側(cè)等厚度的面積不相等和凍結(jié)壁外側(cè)受外來熱源的影響，從能量原理分析，內(nèi)外側(cè)冷量擴展不等速，凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)、外側(cè)的凍土擴展速度不相等。

（3）相鄰凍結(jié)孔圈交匯成整體凍結(jié)壁的內(nèi)側(cè)、外側(cè)擴展速度。由原內(nèi)圈凍結(jié)壁內(nèi)外側(cè)擴展速度，原外圈凍結(jié)壁內(nèi)外側(cè)擴展速度，原內(nèi)圈向內(nèi)外側(cè)擴展因子，原外圈向內(nèi)外側(cè)擴展因子計算數(shù)值。交匯時間因子，隨交匯時間延長而增長。

（4）凍結(jié)壁的交圈時間。主要與凍結(jié)孔間距、鹽水溫度、土層性質(zhì)、凍結(jié)管直徑、凍結(jié)孔布置方式、地下水流速、地層原始溫度和凍結(jié)工藝、凍結(jié)器環(huán)形空間內(nèi)鹽水運動狀態(tài)等因素有關(guān)，可根據(jù)凍結(jié)孔最大成孔間距得出預(yù)測值。

（5）凍結(jié)壁有效厚度平均溫度。單圈孔凍結(jié)壁有效厚度的平均溫度，等于按凍結(jié)壁0℃邊界計算的平均溫度值，與井幫溫度對平均溫度的影響值之和；主凍結(jié)孔內(nèi)側(cè)增設(shè)輔助孔（含防片孔）的凍結(jié)壁有效厚度的平均溫度，是在成冰單圈孔凍結(jié)壁平均溫度計算公式的基礎(chǔ)上，增加主凍結(jié)孔與輔助凍結(jié)孔之間部位對平均溫度的影響值。

四、凍結(jié)壁形成特性分析及工程預(yù)報

1.沖積層和基巖段各具體層位凍結(jié)壁形成特性分析情況

根據(jù)凍結(jié)鉆孔偏斜平面投影圖、水位孔冒水情況和實踐經(jīng)驗等綜合分析，-130m細砂層凍結(jié)壁已于凍結(jié)第50d交圈，-247m細砂層凍結(jié)壁于凍結(jié)第61d經(jīng)交圈，-387m細砂層凍結(jié)壁于凍結(jié)第61d已經(jīng)交圈。-115m水平粘土層凍、-222m水平砂質(zhì)粘土層、-292m水平砂質(zhì)粘土層、-342m水平砂質(zhì)粘土層、-430m水平粘土層、-460m水平粘土層至凍結(jié)70d時已經(jīng)形成穩(wěn)定的凍結(jié)壁，副井壁座（－537m）以下砂質(zhì)泥巖層于凍結(jié)110d時已經(jīng)形成穩(wěn)定的凍結(jié)壁。

2.副井粘性土層及泥巖的凍結(jié)壁形成特性工程預(yù)報主要指標

運用凍結(jié)壁形成特性基本規(guī)律，科研人員提出了井幫溫度、主凍結(jié)孔外側(cè)擴展速度及凍結(jié)壁有效厚度、主凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)凍結(jié)壁有效厚度、凍結(jié)壁有效厚度、凍結(jié)壁平均溫度等工程預(yù)報主要指標，用以指導(dǎo)凍結(jié)掘砌施工。

五、凍結(jié)掘砌工程預(yù)報發(fā)揮的作用

1.工程預(yù)報對啟用分段套壁預(yù)案的影響

科研人員經(jīng)分析和預(yù)測，認識到提前套壁能夠彌補加強凍結(jié)所需要的時間，確保深部沖積層凍結(jié)壁有效厚度、平均溫度、井幫溫度、穩(wěn)定性都得到明顯改善，從而獲得安全、快速施工雙贏，所以副井在掘深393m處啟動分段套壁預(yù)案，提前進行上部內(nèi)層井壁套壁施工，由于準備充足、措施到位，主副井用40d完成上部井筒內(nèi)壁套壁，繼續(xù)掘進時凍結(jié)壁形成較好的特性指標。

2.凍結(jié)壁徑向位移和井幫裸露時間的實測與調(diào)控

（1）280m～400m深度工程預(yù)報與調(diào)控。李糧店副井粘性土層占沖積層的比例為76.8%，沖積層下部基本以厚粘性土層為主，埋藏深地壓大，掘砌速度卻很快，造成凍結(jié)時間偏短；根據(jù)凍結(jié)壁形成特性分析和穩(wěn)定性計算的工程預(yù)報可知，300m深度的粘性土層井幫溫度為3.27℃，井幫溫度偏高，凍結(jié)壁平均溫度偏高，280m～400m深度安全掘砌段高應(yīng)取 3.0～3.5m。

從凍結(jié)壁徑向位移的實測表明：加強凍結(jié)和縮小段高之后凍結(jié)壁徑向位移量減小，掘砌段高為4m時位移量為2.9～6.5mm/h，縮小段高至2.5m后位移量為1.1～2.2mm/h，每個段高的循環(huán)時間為16h或12h，凍結(jié)壁的徑向位移由45～103mm減小到13～26mm，縮小段高有效地控制了凍結(jié)壁徑向位移速度，有利于施工安全。

（2）-400m以下深度工程預(yù)報及調(diào)控。為提高凍結(jié)壁強度和穩(wěn)定性，5月15日副井掘砌至393m深度后啟動提前套壁預(yù)案，6月26日完成上部內(nèi)層井壁套壁工作轉(zhuǎn)為繼續(xù)掘進，施工單位改為4m段高掘進；根據(jù)凍結(jié)壁形成特性分析和穩(wěn)定性計算的工程預(yù)報，因深部地壓大凍結(jié)鑿井的安全掘砌段高不宜超過3.5m。從凍結(jié)壁徑向位移的實測結(jié)果分析，400m以下深度采用4m段高施工穩(wěn)定性差；經(jīng)過實測、凍結(jié)壁形成特性穩(wěn)定性和凍結(jié)壁徑向位移分析和工程預(yù)報，掘砌單位在井深421m以下沖積層中將施工段高降低到了2.5m，使循環(huán)時間小于24h，井筒掘砌安全穿過沖積層。