趙固二礦西風井深厚沖積層凍結方案設計研究與應用

陳道翀，李功洲，曾凡偉

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；2.北京煤科聯(lián)應用技術研究所，北京 100013；3.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；4.河南國龍礦業(yè)建設有限公司，河南 鄭州 450000)

趙固二礦西風井井筒凈直徑6.0m，井筒設計深度914m，穿過沖積層厚度704.6m，凍結深度783m，凍結段井筒掘砌深度767m，凍結段井壁厚度900～1950mm，混凝土最高強度等級采用C100高性能混凝土，趙固二礦是我國第二個沖積層厚度超過700m的礦區(qū)，趙固二礦西風井是我國第四個穿過700m沖積層的井筒；21世紀以來，我國深厚沖積層凍結法鑿井井筒數(shù)量大幅增加，為適應沖積層厚度大幅增長的需要，我國大力開展了多圈孔凍結工藝的研究與應用，至2018年已先后建成35個超過500m沖積層的凍結井筒，其中以中內(nèi)圈為主凍結孔圈的設計方案占了絕大部分，以外圈為主凍結孔圈占6個井筒，不同的凍結方案設計指導原則和多圈凍結孔布置方式，導致井筒的凍結孔數(shù)、鉆孔工程量、凍結需冷量和凍掘配合難度等均產(chǎn)生較大差異，直接影響到凍結和掘砌的工程成本和建井速度，凍結方案設計涉及到礦井建設安全和凍結鑿井經(jīng)濟效益或成敗等關鍵問題；本文著重就趙固二礦西風井凍結方案設計指導原則、凍結壁厚度計算、凍結孔布置方式、凍結方案設計優(yōu)化及井幫溫度調(diào)控目標等設計要點展開討論，并結合趙固二礦西風井凍結與掘砌相互配合所取得的成功經(jīng)驗，探討深厚沖積層凍結方案設計的一些關鍵技術。

1 凍結方案設計指導原則及凍結孔布置方式

總結我國深厚沖積層凍結工程的實踐經(jīng)驗，凍結方案設計大體分為兩種設計指導原則[1]。其中一種是強化深厚沖積層凍結壁內(nèi)緣凍結強度的凍結方案設計指導原則[2]，盡量降低凍結壁內(nèi)側區(qū)域平均溫度，特別是降低井筒深部井幫溫度，提高凍結壁內(nèi)緣附近的凍土強度，井筒深部掘進斷面凍實或接近凍實，并采用異步凍結技術減少凍結壁內(nèi)夾層水的凍脹力；萬福礦主副風井均以強化深厚沖積層凍結壁內(nèi)緣凍結強度為凍結方案設計指導原則，采取了以中內(nèi)圈為主凍結孔的布孔方式，是我國首批成功穿越700多米沖積層的凍結法鑿井井筒，但萬福礦同時也面臨了中深部沖積層井幫溫度低、井心凍實等問題，造成爆破效率低，影響掘進速度。

雖然強化深厚沖積層凍結壁內(nèi)緣凍結強度的凍結方案設計指導原則有利于凍結壁井幫的穩(wěn)定性，但并不一定能確保凍結壁整體穩(wěn)定性；我國超過500m沖積層的凍結井筒中，有7個井筒發(fā)生了5根以上凍結管斷裂現(xiàn)象，共計斷管122根[3]，井均斷管17.43根，均發(fā)生在以中內(nèi)圈為主凍結孔圈的凍結井筒，其中以內(nèi)圈為主凍結孔圈的井筒斷管問題最為嚴重。因此，強化深厚沖積層凍結壁內(nèi)緣凍結強度的凍結方案設計指導原則和以中內(nèi)圈為主凍結孔圈的布孔方式雖然是以安全性為主要考慮的設計指導原則，但實際施工的安全性并不能得到有效保障。

因此，趙固二礦西風井采用強化深厚沖積層凍結壁外側凍結強度的凍結設計指導原則，以凍掘配合為主要考慮，在保障安全性的前提下盡可能通過合理布孔在減少造孔工程量和凍結需冷量的同時達到淺部不片幫、深部少挖凍土的凍掘配合目標。經(jīng)過凍結壁模擬分析和趙固礦區(qū)7個已建凍結井筒的實踐經(jīng)驗總結，筆者分析認為：

1)凍結工程實質(zhì)是為掘砌創(chuàng)造條件的措施工程，凍結方案設計既要考慮安全問題，還要考慮凍結與掘砌的配合。

2)以外圈為主凍結孔，內(nèi)側適當增設輔助、防片凍結孔的布孔方式更適合于深厚沖積層凍結立井的施工。主凍結孔形成凍結壁主體結構并發(fā)揮隔水功能，輔助孔、防片孔按需求均衡供應冷量，輔助孔擴展凍結壁厚度并提高凍結壁內(nèi)側強度及穩(wěn)定性，防片孔結合井壁變徑和掘砌施工速度情況采取不同深度、多圈、異徑等方式布置，提高井幫的穩(wěn)定性，防片孔部位凍結壁并非凍結壁的主結構，對凍結壁承載沒有實質(zhì)幫助，在井筒掘砌過程中便于通過調(diào)整防片孔(及輔助孔)的鹽水溫度、流量等措施控制凍土向荒徑內(nèi)擴展，可為掘砌創(chuàng)造較好的施工條件，有利于實現(xiàn)安全快速施工。

3)根據(jù)已掌握的凍結壁形成特性綜合分析方法，通過對凍結方案效果的預測、對比分析，可優(yōu)化確定凍結方案設計參數(shù)，提高凍結工程的安全性和經(jīng)濟合理性，增強凍結壁內(nèi)側的可調(diào)控性，促進凍結與掘砌的有機結合。

2 深厚沖積層凍結壁厚度設計計算方法

隨著深厚沖積層凍結深度的加大，地壓增大，凍結法鑿井曾普遍應用的彈塑性理論等凍結壁厚度計算公式，如拉麥公式、多姆克公式、里別爾曼公式、維亞洛夫公式等經(jīng)典公式，是否仍然滿足工程需要已經(jīng)存疑。有學者認為只有建立新的設計計算體系，用卸載條件下凍結壁與圍巖相互作用彈塑性厚壁筒等細化分析模型推導的凍結壁厚度計算公式[4]，才能滿足趙固二礦西風井這種穿過700m沖積層的凍結壁設計要求，用現(xiàn)有公式計算得出的凍結壁厚度高達50m以上，甚至無窮大。

在深入研究趙固礦區(qū)8個井筒地質(zhì)資料和凍結鑿井經(jīng)驗、萬福主副風井等井筒凍結壁設計和施工資料后，最終確定用經(jīng)典的多姆克計算公式和維亞洛夫—扎列茨基計算公式分別計算砂性土層控制層位和粘性土層控制層位的凍結壁厚度。這些經(jīng)典的凍結壁分析方法只要相關的設計、計算參數(shù)合理確定，計算趙固二礦西風井凍結凍結壁厚度是可行的。據(jù)此進行趙固二礦西風井凍結壁厚度設計計算結果見表1。需要說明的是：①井幫溫度參考了《凍結法鑿井施工手冊》[3]中表4-12“按沖積層厚度與設計控制層位土性選取井幫溫度”的建議值，并經(jīng)過凍結壁形成特性預測分析確定；②凍結壁平均溫度經(jīng)過凍結壁形成特性預測分析及成冰多圈孔凍結壁平均溫度公式計算確定；③砂性土層凍土計算強度由《凍結法鑿井施工手冊》[3]中圖4-2“2000年以來我國砂性凍土計算強度與凍結壁平均溫度的擬合曲線”選?。虎苷承酝翆拥膬鐾劣嬎銖姸扔哨w固二礦西風井井檢孔凍土試驗值除以安全系數(shù)獲得，凍土計算強度選取區(qū)分均值與低值，均值用來計算各層位一般狀態(tài)下的凍結壁厚度，作為設計底線，低值用來核算某些層位最不利情況下的凍結壁厚度，低值對應的凍結壁厚度作為參考值，從而合理確定凍結壁設計厚度；⑤最初設計計算時，按慣例將模板高度視為掘進段高；經(jīng)過與施工單位共同分析其在萬福風井掘砌的實際情況，將沖積層深部爆破掘進段高確定為模板高度的1.6～1.9倍。

表1 趙固二礦西風井砂性土層及粘性土層控制層位凍結壁厚度計算結果

根據(jù)表1所列砂性土層與粘性土層控制層位凍結壁厚度計算結果分析，砂性土層凍結壁厚度計算結果為10.3m，設計沖積層中深部采用3.8m模板高度(爆破掘進段高6.5m)、底部粘性土層采用3.0～2.5m模板高度(爆破掘進段高5.1～4.7m)，粘性土層凍結壁厚度設計為9.9m，兩類土層分析結果基本統(tǒng)一，最終凍結壁設計厚度確定為10.3m。

3 凍結方案設計優(yōu)化

3.1 井幫溫度分布

3.1.1 井幫溫度分布的爭取目標

井幫溫度變化與凍結壁內(nèi)側及井幫的穩(wěn)定有密切的關系，直接反應了凍土擴入荒徑的量和凍土挖掘的難度，在爆破施工時直接影響炸藥的起爆率和凍土爆破效果，也影響到外層井壁混凝土早期強度增長速度和壁后凍土融化回凍情況，井幫溫度分布是涉及安全和施工效率的非常重要的設計參數(shù)之一。因此凍結方案設計要根據(jù)沖積層厚度等地質(zhì)條件首先規(guī)劃一個合理的井幫溫度分布的爭取目標，趙固二礦西風井沖積層段的控制層位井幫溫度即為凍掘有機配合而確定的爭取目標，見表2。

表2 沖積層段的控制層位井幫溫度目標

3.1.2 優(yōu)化設計及井幫溫度設計的調(diào)控目標

為適應井壁承受地壓需要，沖積層厚度越大，井壁變截面層位越多，實現(xiàn)井幫溫度分布達到爭取目標的難度也就越大。凍結方案設計過程中，要結合掘砌施工計劃，應用《凍結法鑿井施工手冊》[3]第2.5.3節(jié)所述綜合分析法，對凍結孔布置的初步方案進行凍結壁形成特性預測分析，優(yōu)化凍結孔布置等設計參數(shù)，努力實現(xiàn)井幫溫度變化預測曲線(圖1中未調(diào)控曲線)的峰值接近爭取目標值，凍結孔布置要使井幫溫度變化曲線的低谷部位便于凍結調(diào)控，并通過已經(jīng)掌握的布孔和調(diào)控技術，使井幫溫度變化預測曲線的低谷值上升并接近爭取目標值，使調(diào)控后的井幫溫度分布(圖1中調(diào)控后曲線)，即井幫溫度設計的調(diào)控目標接近已經(jīng)確定的爭取目標。

圖1 趙固二礦西風井粘性土層井幫溫度預測及設計調(diào)控目標

3.2 主凍結孔位置的分析確定

根據(jù)施工單位在萬福風井凍結鑿井工程實踐經(jīng)驗和趙固一礦西風井的凍結工程實測規(guī)律，采用凍結壁形成特性綜合分析方法[5]，對比分析趙固二礦西風井采用以中內(nèi)圈為主凍結孔和以外圈為主凍結孔的井幫溫度變化特點(如圖2所示)。

圖2 趙固二礦西風井以中內(nèi)圈或外圈為主凍結孔的布置方式未經(jīng)調(diào)控的粘性土層井幫溫度預測

在井壁變截面或(某圈)防片孔結束位置，井幫溫度一般均發(fā)生波動，以中內(nèi)圈為主凍結孔布孔方式的井幫溫度基本上隨深度均保持下降趨勢，在防片孔結束前的250～300m部位粘性土層井幫溫度可達到-14～-17℃，以中內(nèi)圈為主凍結孔的布孔方式影響了凍結調(diào)控的效果，無法改變井幫溫度快速下降的總趨勢；420m以下粘性土層井幫溫度基本降至-15℃以下，掘砌難度增大，凍掘矛盾明顯加??；當井幫溫度低于-18℃后，炸藥起爆率明顯降低，掘進爆破效率較差，開幫極其困難；掘至530m以下，井幫溫度降至-20～-26℃，即使提前加大調(diào)控力度，也難以改變井心凍實的結果。因此，以中內(nèi)圈為主凍結孔的布孔方式，不僅增加了凍結孔數(shù)量、鉆孔工程量、凍結需冷量，增大了凍結壁內(nèi)側的凍脹力，還使凍土大幅度擴入挖掘荒徑，致使中深部沖積層段井心基本凍實，造成凍結段井筒掘砌施工困難。

以外圈為主凍結孔布置方式的外圈凍結孔相對密集，但輔助孔、防片孔布置相對稀疏、均勻，相對于以中內(nèi)圈為主凍結孔的模擬布置，總凍結孔數(shù)減少10.7%，凍結鉆孔工程量減少12.1%，凍結需冷量減小9.7%；與我國第一個穿過700m沖積層的萬福風井(井筒凈直徑相同，沖積層深度753.95m，凍結深度840m)相比，總凍結孔數(shù)減少27.8%，凍結鉆孔工程量減少34.3%，凍結需冷量減小20.2%。防片孔布置與井壁變截面相結合，井幫溫度經(jīng)過幾次適度回升，減緩了井幫溫度快速降低的趨勢，考慮到以外圈為主凍結孔布置提高了防片孔、輔助孔調(diào)控的便利性，中深部粘性土層井幫溫度可基本控制在-7～-12℃(見圖1)。因此確定趙固二礦西風井的凍結方案設計采用以外圈為主凍結孔圈，主凍結孔內(nèi)側增設輔助、防片凍結孔的布置方式，既能保證凍結壁安全，又便于凍結調(diào)控，可為掘砌創(chuàng)造較好的施工條件，有利于實現(xiàn)安全快速施工。

3.3 凍結孔圈數(shù)、圏徑、深度及管徑的優(yōu)化分析

輔助孔和防片孔的圈數(shù)沒有一定之規(guī)，圈數(shù)和孔數(shù)主要取決于凍結壁設計厚度、井壁變徑次數(shù)、淺部砂性土層分布、計劃掘砌速度、地下水流速等因素，防片孔距井幫距離及深度直接影響到井幫溫度回升位置和幅度?？梢酝ㄟ^對凍結孔布置方案的預測分析，測算各種土性控制層位凍結壁厚度、強度、井幫溫度，驗證凍結方案設計的初選參數(shù)，調(diào)整、優(yōu)化各凍結孔圈的凍結孔數(shù)量、圏徑、深度、管徑等凍結方案設計參數(shù)。趙固二礦西風井優(yōu)化設計后的凍結鉆孔布置主要參數(shù)見表3，鉆孔平面布置如圖3所示，優(yōu)化中涉及的兩個不完善方案——方案Ⅰ、方案Ⅱ與優(yōu)化方案的差異見表4。應用綜合分析法得出各方案的井幫溫度預測曲線如圖4所示，通過對比分析，方案Ⅰ在420m以下的井幫溫度回升過多，方案Ⅱ的淺部井幫溫度下降過快，在300m處井幫溫度回升過高，說明優(yōu)化后設計方案的凍結孔數(shù)量、深度等設計參數(shù)調(diào)整較為合理。

3.4 凍結方案設計參數(shù)預測分析、復核及段高設計要求

凍結孔布置及優(yōu)化分析后，需要根掘砌施工進度計劃、調(diào)控目標和方法，采用凍結壁形成特性綜合分析方法[5]，復核凍結方案實施過程中，控制層位的井幫溫度、平均溫度及凍土計算強度是否能夠?qū)崿F(xiàn)表1的參數(shù)選取條件，砂性土層凍結壁有效厚度能否達到所需凍結壁厚度的要求，深厚粘性土層模板高度對應的爆破掘進段高能否滿足預測分析的安全掘進段高要求(表5)。根據(jù)凍結壁形成特性預測分析，趙固二礦西風井凍結方案設計最終提出爆破掘進的模板段高建議值為：-510m以上選取3.8m模板段高，-510m以下選取3.0～2.5m模板段高。

表3 趙固二礦西風井優(yōu)化方案凍結鉆孔主要布置參數(shù)

表4 方案Ⅰ、方案Ⅱ凍結鉆孔參數(shù)取值與優(yōu)化方案的不同處

圖3 趙固二礦西風井凍結鉆孔平面布置圖

圖4 趙固二礦西風井防片孔與輔助孔調(diào)整深度、數(shù)量的粘性土層井幫溫度預測對比

4 趙固二礦西風井凍結法鑿井工程實施效果

趙固二礦西風井主凍結孔圈、輔助凍結孔圈與防片凍結孔圈采用三組去回路干管，分別于2018年3月5日、8日、11日開機運轉，平均單孔流量約為18～19m3/h。淺部凍結壁于凍結38d交圈，深部凍結壁于凍結54d交圈，凍結66d采用1.4m小段高開始進行試挖，后改為2.5m模板，凍結81d正式開挖，模板為4m段高。

趙固二礦西風井淺部凍土擴展慢，測溫點及井幫溫度降低較緩慢，掘砌至-180m后井幫溫度快速下降，防片孔開始進行減流量的調(diào)控；由于砂性土層與粘性土層的井幫溫度差異較大，而且固結土層對挖掘影響較大，因此掘至-230m后加大了防片孔凍結溫度和流量的調(diào)控力度；鑒于粘性土層井幫穩(wěn)定性較好，-400m以下井幫溫度控制調(diào)整了計劃，略高于原設計調(diào)控目標，-600m以下井幫溫度接近設計調(diào)控目標。凍結壁厚度始終滿足設計要求，中深部沖積層的凍結壁平均溫度低于設計值，凍結壁強度超過設計要求，沖積層深部粘性土層井幫溫度基本控制在-11℃以上，砂性土層井幫溫度在-13℃以上，沖積層段實測井幫溫度值如圖5所示。爆破掘進的座底炮深度一般為2.5～2.8m，在深部松散土層中限制座底炮深度在2m以內(nèi)，-540m以下模板改為3m高度，-660m以下模板改為2.5m高度，凍結壁整體穩(wěn)定性很好，凍掘配合順暢，爆破掘進的炸藥起爆率和爆破效果均超過以往深凍結井筒，沖積層深部外壁掘砌速度基本維持在75～80m/月，沖積層段外壁掘砌平均速度為87.1m/月，凍結段外壁掘砌平均速度為82.1m/月。

表5 趙固二礦西風井控制層位凍結方案設計參數(shù)復核及粘性土層掘砌段高計算

圖5 趙固二礦西風井沖積層段井幫溫度實測值與粘性土層調(diào)控目標

5 結 論

1)堅持強化深厚沖積層凍結壁外側凍結強度的凍結設計指導原則，拋棄凍結井筒基本凍實井心的技術路線，實際上是堅持了凍結服務于掘砌、掘砌服從于凍結，兩者應相互協(xié)調(diào)配合的思想，這對于凍結方案設計及凍結工程實施的影響非常大。

2)以外圈為主凍結孔相對于以中內(nèi)圈為主凍結孔具有明顯的優(yōu)點：減少凍結孔總數(shù)、鉆孔工程量和凍結需冷量；主凍結孔圈外移，能減少主凍結孔徑向位移，防止主凍結管斷裂；能確保凍結壁向外擴展范圍，滿足凍結壁厚度設計要求。

3)凍結孔按主凍結孔、輔助凍結孔、防片幫孔功能分類，不作嚴格的圈數(shù)限制，有利于凍結孔間冷量協(xié)調(diào)供給，提高制冷效率和凍結可調(diào)控性。

4)利用凍結壁形成特性分析方法，對凍結方案進行預測分析，優(yōu)化凍結孔布置及設計參數(shù)，確定合理的井幫溫度分布，可以提高凍結方案的安全性、先進性和經(jīng)濟合理性。

5)設計階段就根據(jù)掘砌計劃預測井幫溫度變化，并初步制定凍結調(diào)控計劃和井幫溫度分布調(diào)控目標(曲線)，可以為凍掘配合打好基礎，有利于實現(xiàn)凍結井筒安全快速施工。