劉樹(shù)彪

(淮滬煤電有限公司丁集煤礦，安徽淮南232060)

摘要： 針對(duì)特厚表土層立井凍結(jié)方案的選擇尚無(wú)理論依據(jù)的現(xiàn)狀，采用理論計(jì)算和數(shù)值模 擬相結(jié)合的分析方法，獲得了丁集礦凍結(jié)溫度場(chǎng)分布規(guī)律和凍結(jié)壁厚度等重要凍結(jié)參數(shù)。實(shí) 踐表明，該設(shè)計(jì)方案能較好地滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐的要求。

關(guān)鍵詞：特厚表土層;凍結(jié)壁;設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD265.3文獻(xiàn)標(biāo) 識(shí)碼：A[WT]文章編號(hào)：16721098(2008)02004205

Research on Freezing Method in Deep Alluvium and Temperature Fiel ds Numerical Simulation

LIU Shubiao

(Dingji Coal Mine, Huaihu Coal and Electricity Group Co. Ltd., Huainan Anhui 23 2060, China) Abstract: In view of the status，that there is not theoretical basis for projectdetermination of shaft lining freezing in deep alluvium, in the paper a methodwhich combines the finite element numerical simulation with theoretical calculat ion was brought forward, by which some important parameters, such as temperaturefield distribution regularity in frozen alluvium and thickness of frozen wall i n Dingji Coal Mine were obtained. Practice indicated that the method can satisfypractical engineering demands.

Key words:deep alluvium; frozen wall; design

凍結(jié)法鑿井是在不穩(wěn)定含水地層建井時(shí)采用的一種特殊鑿井法。自1955年凍結(jié)法應(yīng)用以來(lái)，

我國(guó)用此法開(kāi)鑿的煤礦井筒數(shù)已超過(guò)500多個(gè)，累計(jì)總長(zhǎng)超過(guò)80 km。對(duì)凍結(jié)深 度在400 m 以?xún)?nèi)，其理論和技術(shù)已較為成熟。但近年來(lái)，隨著我國(guó)基本建設(shè)和對(duì)能源需求的進(jìn)一步擴(kuò) 大，新建礦井建設(shè)呈現(xiàn)出新的熱潮，淮南、淮北、山東等煤炭基地，計(jì)劃在近年內(nèi)新建20個(gè) 礦井 ，60多個(gè)井筒。這些新建礦井的共同特點(diǎn)是，穿越的沖積層越來(lái)越厚，達(dá)到400～600 m，且大多采用凍結(jié)法鑿井。隨著凍結(jié)法鑿井深度的增加，現(xiàn)有的理論、設(shè)計(jì)方法、 規(guī)范要求和工程經(jīng)驗(yàn)都已不能滿(mǎn) 足深井凍結(jié)的要求，在工程實(shí)踐中出現(xiàn)工程事故常有發(fā)生。尤其是凍結(jié)壁強(qiáng)度和剛度的不足 ，凍結(jié)壁變形過(guò)大，導(dǎo)致凍結(jié)管斷裂和外層井壁壓壞，使井筒漏水、漏砂等。

淮南礦業(yè)集團(tuán)丁集礦井于2004年7月開(kāi)工建設(shè)，沖積層深超過(guò)530 m，井深881m，凍結(jié)段 深度563 m，副井凈徑8 m，主井風(fēng)井凈徑7.5 m，是目 前已建新井中凍結(jié)深度最大的井筒之一，在淮南礦區(qū)具有代表性。對(duì)我國(guó)深厚沖積層凍結(jié)鑿 井技術(shù)的進(jìn)步具有指導(dǎo)意義。

1丁集礦井凍結(jié)設(shè)計(jì)

凍結(jié)法鑿井的核心是凍結(jié)壁的安全可靠，即凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)理論。

1.1凍結(jié)壁厚度確定

（1） 控制地層的確定根據(jù)檢查孔柱狀圖和凍土試驗(yàn)資料分析，-494.7～-502 m的砂土層含水率最低，只有14.21%～16.67%，凍結(jié)難度較大，因此選擇此層為控制地層 。

（2） 控制地層地壓的計(jì)算目前國(guó)內(nèi)凍結(jié)施工，沖積層地壓值多按玴=0.013 獺的重液公式計(jì)算。但近來(lái)國(guó)內(nèi)、外立井表土地壓的實(shí)測(cè)研究表明，實(shí)測(cè)地壓值大都 在(0.009～0.011) 獺的范圍內(nèi)，而且表土層的壓力并不與深度成正比，其 增長(zhǎng) 率隨深度越來(lái) 越小，到一定深度趨于恒值。故對(duì)于具有巨厚表土層的丁集礦井的控制地層采用似重液地 壓公式

（3） 結(jié)合淮南潘謝礦區(qū)凍結(jié)的成功經(jīng)驗(yàn)，在分析了丁集礦副井沖積層的特點(diǎn)后，采用 了多姆克的無(wú)限長(zhǎng)彈塑性厚壁筒公式計(jì)算凍結(jié)壁厚度。

獷=r［0.299([SX(]p[]K[SX)])+2.3([SX(]p[]K[SX)])2］=11.2 m（2）

式中：獷為凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度，m；玆為井筒掘進(jìn)半徑，取6.2 m；玴為 計(jì)算地壓，取5.52 MPa；獽為凍土強(qiáng)度平均值，取6.62 MPa。

1.2凍結(jié)孔布置方式

單排凍結(jié)方案無(wú)論是從凍結(jié)時(shí)間，還是從凍結(jié)壁的平均溫度等方面都不能適應(yīng)目前建井 工程的要求，必須采用雙排乃至多排管凍結(jié)方案。

由于副井凍結(jié)壁厚度11.2 m，要形成如此厚度又有相應(yīng)凍土平均溫度及強(qiáng)度的 凍結(jié)壁， 必須有足夠的凍結(jié)孔數(shù)和合理的凍結(jié)孔布置方式，設(shè)計(jì)采用雙圈主凍結(jié)孔內(nèi)側(cè)增設(shè)防片孔的 布置方式。中圈主凍結(jié)孔為形成凍結(jié)壁的核心，凍結(jié)孔深度應(yīng)該穿過(guò)沖積層進(jìn)入不透水的穩(wěn) 定巖層10 m以上，考慮井筒基巖段已進(jìn)行注漿，故凍結(jié)深度和基巖注漿段重疊 一定長(zhǎng)度確定 凍結(jié)深度。外圈主凍結(jié)孔主要是強(qiáng)化沖積層深部?jī)鼋Y(jié)，其深度至沖積層底部進(jìn)入風(fēng)化帶5 m。 防片加強(qiáng)孔是為了使凍土早日擴(kuò)至井幫，達(dá)到提前開(kāi)挖和防片幫的目的，同時(shí)為了強(qiáng)化深部 凍結(jié)，采用差異凍結(jié)方式，其短孔深度應(yīng)穿過(guò)厚黏土層底界，長(zhǎng)孔穿過(guò)沖積層進(jìn)入風(fēng)化帶5m。中圈主凍結(jié)孔采用全深凍結(jié)，凍深570 m。外圈主凍結(jié)孔315 m以下采用局部?jī)鼋Y(jié)，防片加強(qiáng)孔差異凍結(jié)副井443/530 m（見(jiàn)表1） 。表1凍結(jié)孔布置主要參數(shù)

凍結(jié)孔[]布置圈直徑/m深度/m開(kāi)孔間距/m數(shù)量/個(gè)凍結(jié)管規(guī)格/ mm塑料管規(guī)格/mm內(nèi)圈Φ164435302.09324Φ140×8Φ159×775×6 中圈[]Φ23.3[]570[]1.38[]53[]Φ159×7Φ159×888×6.5外圈Φ315301.67858Φ159×7Φ159×855×5 1.3鹽水溫度的確定

凍結(jié)的不同時(shí)期對(duì)溫度的需求不盡相同，積極凍結(jié)期，不需要過(guò)低的溫度，但需要較大 的冷量；強(qiáng)化凍結(jié)期，需要較低的溫度，但對(duì)冷量的需求減少；維持凍結(jié)期，凍結(jié)壁溫度的 維持，能量需求相對(duì)更少；消極凍結(jié)期，對(duì)溫度要求不高及冷量的需求很微小。

對(duì)鹽水溫度選擇上是結(jié)合凍結(jié)階段制冷系統(tǒng)運(yùn)行工況、系統(tǒng)整體配備綜合考慮的，鹽水 溫度降至-30 ℃以下需要一個(gè)過(guò)程。綜合考慮土體前期大幅吸收冷量，凍結(jié)管 需要緩慢的降溫以釋放溫度應(yīng)力及制冷系統(tǒng)要有一個(gè)調(diào)試穩(wěn)定的過(guò)程等因素，深井凍結(jié)鹽水 溫度一個(gè)月之內(nèi)降至-24～-26 ℃是可行的。鹽水溫度與凍結(jié)速 度及制冷系統(tǒng)的效率上，綜合考慮交圈前鹽水溫度以不低于-30 ℃為宜。丁集 主、副井交圈前鹽水溫度以不低于-28～-32 ℃，風(fēng)井交圈前鹽水溫度 為-33.7～-34.5 ℃。根據(jù)這幾個(gè)階段的不同特點(diǎn)，積極凍 結(jié)期鹽水溫度介于-30 ℃左右，強(qiáng)化凍結(jié)期為-32～-34 ℃，維護(hù) 凍結(jié)期為-32～-33 ℃，消極凍結(jié)期為-28 ℃以上。

2井筒凍結(jié)施工

2.1凍結(jié)及掘砌施工概況

丁集礦主、副、風(fēng)井分別于2004年3月10日，2004年2月19日及2004年2月18日開(kāi)凍，并 于2004年8月1日及2004年6月28日正式開(kāi)挖（副井和風(fēng)井同時(shí)開(kāi)挖），至2005年1月3井凍結(jié) 段外壁及壁座全部施工結(jié)束。

井筒施工初期井幫溫度處于0 ℃左右，井幫未出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。井筒施工至240m后，凍土開(kāi)始進(jìn)入荒徑。當(dāng)施工至330～440 m深厚黏土層時(shí)，凍 土進(jìn)入荒徑達(dá)3 m接近凍實(shí)。

2.2凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r

副井掘進(jìn)施工過(guò)程中，通過(guò)對(duì)井幫溫度及測(cè)溫孔溫度的實(shí)測(cè)分析，了解凍結(jié)壁的發(fā)展?fàn)?況（見(jiàn)表2）。

表2凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r

井深/m[]巖性[]凍結(jié)時(shí)間/d井幫溫度預(yù)測(cè)值/℃實(shí)測(cè)井幫溫度/℃凍結(jié)壁 厚度/m280[]粉細(xì)砂主、 副井井筒， 主井達(dá)到平均92.8 m/月， 副井由于井筒掘進(jìn)斷面較大達(dá)到 平均 80 m/月。掘砌過(guò)程中的中部330～440 m巨厚黏土層施工中井幫溫 度-8～-12 ℃， 井部變形都小于30 mm， 底臌小 于20 mm， 井筒始終處于安全狀態(tài)， 凍結(jié)管安全穩(wěn)定。

風(fēng)井井筒，外壁掘砌達(dá)到平均84.6 m/月，掘砌過(guò)程中的中部387.5～443.6 m厚黏土層施工中井幫溫度-11.9～-13.1 ℃，井幫變 形都小于20 mm，無(wú)底臌。

凍結(jié)段施工采用信息化施工管理手段，井筒開(kāi)凍后即對(duì)凍結(jié)壁發(fā)展情況進(jìn)行不間斷的預(yù) 測(cè)預(yù)報(bào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，對(duì)凍結(jié)壁的厚度、平均溫度、強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 進(jìn)行修正。通過(guò)不斷的修正和預(yù)測(cè)，凍結(jié)壁的發(fā)展?fàn)顩r基本處于受控狀態(tài)，有效地指導(dǎo)井筒 掘砌施工。通過(guò)對(duì)凍結(jié)段關(guān)鍵層位凍結(jié)壁變形及井壁內(nèi)外力監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中井壁 受力狀況，通過(guò)信息反饋，做到提前分析預(yù)測(cè)，合理確定施工段高。

3凍結(jié)方案的探討

丁集主、副、風(fēng)井表土段的順利完成表明井筒三圈孔凍結(jié)方案對(duì)于沖積層埋深大于500 m 的凍結(jié)是安全可行的。凍結(jié)施工除保證鑿井工程的安全施工完成，還應(yīng)考 慮到其經(jīng)濟(jì)性和鑿井施工的適宜性。

3.1凍結(jié)壁厚度問(wèn)題

決定凍結(jié)法鑿井經(jīng)濟(jì)安全性的關(guān)鍵是凍結(jié)壁厚度的選取。在本文之前的龍固鑿井論證中 ，有關(guān)專(zhuān)家曾有過(guò)同一井凍結(jié)壁厚度8 m至大于12 m的大相徑庭的 論證。多數(shù)研究者和專(zhuān)家 以?xún)鼋Y(jié)壁為彈性、彈塑性為設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，分別應(yīng)用Lame 公式、Domke公式及維亞洛夫公式 ，并進(jìn)行類(lèi)比修正，推斷凍結(jié)壁厚度。

本文考慮到深厚表土的復(fù)雜性及工程風(fēng)險(xiǎn)， 在多次專(zhuān)家論證的基礎(chǔ)上， 確定了主、 風(fēng)井 凍結(jié)壁厚度11 m， 副井凍結(jié)壁厚度12 m，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)溫度-15 ℃的原則。并采用ANSYS數(shù)值模擬方法對(duì)三圈孔凍結(jié)溫度場(chǎng)方案優(yōu)化研究。取440 m黏土層為控制層位，按90 m/月估算，到270 d時(shí)的凍結(jié) 壁厚度、平均溫度、井幫溫度作為方案優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，重新調(diào)整施工方案后實(shí) 施。 實(shí)際施工中主、 副、 風(fēng)3井水平位移和底鼓量極小，以及下部基本凍實(shí)，均說(shuō)明了方 案 安全性高。 由優(yōu)化施工方案中凍結(jié)壁穩(wěn)定性分析來(lái)看， 凍結(jié)壁厚度分別為10m、 11 m、12 m時(shí)主應(yīng)力差相等，位 移量相差20 mm以?xún)?nèi)。所以丁集凍結(jié)壁厚度應(yīng)可以縮小1～2m。

實(shí)際的凍結(jié)壁是一個(gè)各方向非均質(zhì)，非對(duì)稱(chēng)的不等厚筒體，隨地壓不同其力學(xué)性能由彈 性、粘彈性向彈粘塑性體過(guò)渡，故各種理想化模型都有其局限性。因此應(yīng)用模擬試驗(yàn)求得的 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算凍結(jié)壁是目前較好的方法。而考慮了人工凍土的強(qiáng)度蠕變性，以?xún)鼋Y(jié)壁與凍結(jié) 管變形極限為準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)理論公式可作為節(jié)省工期和投資的優(yōu)化凍結(jié)壁厚度的理論基礎(chǔ)。

3.2凍結(jié)布孔方案優(yōu)化

本文采用三圈孔凍結(jié)主要是基于設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度大于10 m而部署。當(dāng)設(shè)計(jì)凍結(jié) 壁厚度小于8 m時(shí)，可考慮雙排孔布置方案。三圈孔凍結(jié)可加大凍結(jié)壁厚，但也 帶來(lái)其凍結(jié)壁內(nèi)部水分遷移困難，壁內(nèi)應(yīng)力增加等問(wèn)題。丁集礦井采取了圈距均勻，強(qiáng)化密 集中圈孔的布置方式，即主凍結(jié)孔內(nèi)增防片孔，外設(shè)輔助孔的方式。

有凍結(jié)方提出了中圈過(guò)分密集而變成兩圈（梅花孔），總體四圈布孔的布置方案，其不增加 鉆孔數(shù)量，方便了鉆孔施工，增強(qiáng)了凍結(jié)比的均質(zhì)性，作為相近的方案應(yīng)是可行的。

另外新近開(kāi)工的焦作趙固一礦518～524 m沖積層凍結(jié)方案設(shè)計(jì)， 采用主凍結(jié)孔內(nèi)側(cè)增設(shè)輔助孔、防片孔（兩圈孔緊鄰）是可以借鑒和有待實(shí)踐檢驗(yàn)的。

在保證凍結(jié)壁有效厚度、強(qiáng)度的前提下，如何減少鉆孔工程量和凍結(jié)需冷量，并使鑿井 上部可早開(kāi)挖，下部少挖凍土，提高凍量利用效率，是在以后的相似工程中應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)理論 分析和研究的問(wèn)題。

3.3內(nèi)排孔布置問(wèn)題

內(nèi)排孔的布置應(yīng)圍繞鑿井施工而設(shè)計(jì)，凍結(jié)進(jìn)入施工荒徑多，會(huì)嚴(yán)重影響掘進(jìn)工程進(jìn)度 ，而內(nèi)排孔布置圈徑過(guò)大會(huì)造成施工中大量片幫，因此應(yīng)對(duì)內(nèi)排孔布置方案進(jìn)行優(yōu)化。其孔 深可實(shí)行長(zhǎng)短腿凍結(jié)，在不影響凍結(jié)壁的強(qiáng)度和厚度條件下，其孔間距也可適當(dāng)加大。

影響凍結(jié)施工效率的因素很多，但在鹽水溫度、流量、凍結(jié)孔間距一定的情況下，凍結(jié) 圈徑到井筒掘進(jìn)荒徑的距離及土層性質(zhì)對(duì)凍土入徑影響最大。故大多凍結(jié)鑿井施工一直有上 部開(kāi)挖片幫，而下部基本凍實(shí)，挖掘極其困難的問(wèn)題。一種較好的解決方法是內(nèi)排孔施工采 用定向鉆孔技術(shù)，鉆孔均向外定向傾斜，圈徑由小至大呈“八”字型布置。如此井幫溫度雖 隨凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，但因下部?jī)鼋Y(jié)圈大，凍土入徑將會(huì)很少。這一施工技術(shù)在實(shí)際鉆 孔施工中也已成熟可行。

3.4凍結(jié)溫度問(wèn)題

凍結(jié)井筒施工中， 井幫溫度是影響施工安全和施工速度的主要矛盾。 一味地強(qiáng)調(diào)井幫溫度 必須達(dá)到某一值是不全面和不科學(xué)的。 衡量?jī)鼋Y(jié)壁是否安全的主要指標(biāo)應(yīng)是凍結(jié)壁的有效 厚度和凍結(jié)壁強(qiáng)度能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 將井幫溫度設(shè)計(jì)和控制得過(guò)低， 乃至將井筒凍實(shí)， 顯然也是不經(jīng)濟(jì)、不合理的。風(fēng)井固結(jié)黏土層施工實(shí)測(cè)350～370 m井幫溫度-8. 0～-12.0 ℃之間；398～440 m井幫溫度在-9.0～-16.0 ℃之間?？傊苾鲭姾倪_(dá)4 537萬(wàn)度，而同徑主井電耗為3 841萬(wàn)度（兩井由兩家凍結(jié)公司施 工），說(shuō)明風(fēng)井的凍結(jié)溫度偏低。而3井施工中井 幫極微量的變形量說(shuō)明了凍結(jié)方案偏于安全，而經(jīng)濟(jì)技術(shù)的合理性還可以進(jìn)一步優(yōu)化。

從施工實(shí)踐總結(jié)來(lái)看，當(dāng)井筒正式開(kāi)挖時(shí)井幫溫度能達(dá)到0 ℃左右，黏土層每 百米井筒 深度的井幫溫度下降梯度以1.5～3.0 ℃較為合理。通常情況下，砂層的井幫溫 度將比黏土層低2～3 ℃。在此情況下，井幫溫度的選取主要考慮深部黏土層的 凍結(jié)壁強(qiáng)度和變形控制問(wèn)題。

井幫溫度應(yīng)控制在-8.0 ℃以下。凍結(jié)壁的井幫溫度較低，凍結(jié)壁的強(qiáng)度高，可 控制凍結(jié) 壁變形，確保凍結(jié)管和外壁施工安全。但經(jīng)濟(jì)合理的方案應(yīng)是允許井幫一定的變形量。實(shí)際 施工中采用小段高掘砌，施工速度快，井幫暴露時(shí)間短，并采用C70早強(qiáng)混凝，井幫位移基 本不顯現(xiàn)，從而確保了深厚黏土層外層井壁未發(fā)生擠跨、壓壞現(xiàn)象，避免了凍結(jié)管斷裂現(xiàn)象 的發(fā)生。

4深井凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

計(jì)算時(shí)，凍結(jié)前地溫初始溫度取30 ℃。土的凍結(jié)溫度-2.0 ℃。 各土層的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、含水量等參數(shù)通過(guò)試驗(yàn)獲得(見(jiàn)表3)，凍結(jié)管鹽水溫 度隨時(shí)間的變化規(guī)律按照 實(shí)測(cè)給出；由于凍結(jié)管尺寸較凍結(jié)壁小得多，因此，可以將鹽水溫度作為節(jié)點(diǎn)荷載考慮，使 得建模簡(jiǎn)便。

由于凍結(jié)地層較深，可以按照平面問(wèn)題建立凍結(jié)溫度場(chǎng)計(jì)算模型。模型邊界取21 m足夠大以致在凍結(jié)時(shí)間內(nèi)溫度未能影響到邊界，因此可以認(rèn)為邊界為絕熱邊界條件； 根據(jù)該層位實(shí)際 凍結(jié)管位置（坐標(biāo)值）將溫度荷載向相鄰4個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)所圍成的面積值進(jìn)行分解。

通過(guò)數(shù)值分析，得到了-440 m深的鈣質(zhì)黏土凍結(jié)壁溫度場(chǎng)分布（見(jiàn)圖1～圖2 ）。

玠/m

圖1凍結(jié)120 d主面凍結(jié)溫度分布圖2凍結(jié)240 d(-2 ℃) 等溫線(xiàn)分布

將測(cè)孔的溫度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和ADINA數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較（見(jiàn)圖3）。

玹/d

1. ADINA數(shù)值模擬；2. 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

圖3測(cè)孔溫度實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬比較

從數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果看：測(cè)孔離外圈凍結(jié)管比較遠(yuǎn)，因此，近20 d才開(kāi) 始降溫。時(shí)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)曲線(xiàn)十分接近?？梢?jiàn)數(shù)值模擬方法能夠精確地模擬出現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際 凍結(jié)溫度。5結(jié)語(yǔ)

特厚表土層凍結(jié)法鑿井常采用多圈孔凍結(jié)方案，合理確定各布孔圈徑和孔間距對(duì)凍結(jié)效 果的好壞有重要指導(dǎo)意義，采用本文提出的理論計(jì)算、工程類(lèi)比和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的 方法，可從獲得較理想的凍結(jié)效果。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華)