凍結壁形成特性預報與凍結調控機制在趙固二礦西風井中的應用

曾凡偉，陳道翀，曾凡毅，陳紅蕾

(1.河南國龍礦業(yè)建設有限公司，河南 鄭州 450000；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)

我國20世紀60年代開始凍結壁形成特性的研究，20世紀70年代在潘謝礦區(qū)凍結井中進行大量的試驗與工程實測研究，掌握了單圈孔凍結壁形成的基本特性[1-3]，20世紀80年代末通過陳四樓主、副井深厚沖積層凍結鑿井技術攻關，掌握了主凍結孔內測增設防片幫孔凍結壁形成特性，并成功實現(xiàn)凍結壁形成特性工程預報[4-6]。21世紀以來，凍結法鑿井穿過沖積層厚度相繼突破400m、500m、600m，需采用多圈孔凍結，國內多位學者通過模擬試驗、數(shù)值分析、現(xiàn)場實測深入研究了多圈孔凍結壁形成特性[7-10]，但如何實現(xiàn)凍結段掘砌過程中的凍結壁形成特性準確預測，并制定相應掘砌、凍結調控措施確保安全，一直是深厚沖積層凍結法鑿井關鍵技術難題。

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，凍結段井壁厚度900～1950mm，井壁混凝土設計最高強度等級為C100，趙固二礦是我國第二個穿過700m沖積層的礦區(qū)，趙固二礦西風井是我國第四個穿過700m沖積層的井筒；凍結設計階段便根據沖積層厚度及特點，選取了確保安全前提下井幫溫度的調控目標[11，12]，在此基礎上布置凍結孔[13]，并制定凍結調控的初步方案，設計了井幫溫度的調控目標(曲線)，通過建立的凍結壁形成特性實測、工程預報與凍結調控機制[14，15]，首次實現(xiàn)700m以上沖積層的粘性凍土井幫溫度控制在-11℃以上，砂性凍土井幫溫度控制在-13℃以上，為安全快速施工創(chuàng)造了良好的條件。

1 趙固二礦西風井凍結設計基本情況

1.1 土層特征及凍結孔布置主要參數(shù)

趙固二礦西風井井筒凈直徑6.0m，穿過沖積層厚度704.6m，其中粘性土層630.39m，占89.47%，砂性土層47.44m，占6.73%，礫石26.77m，占3.8%。經設計優(yōu)化，凍結深度為783m，應用主凍結孔圈+內側增設輔助凍結孔圈+防片凍結孔圈多圈孔凍結工藝[11，13]，凍結鉆孔布置主要技術參數(shù)見表1。

1.2 井幫溫度的調控目標

凍結設計過程中，根據沖積層厚度及特點，參考文獻[11，12]選取了井幫溫度的控制目標，見表2；多圈孔凍結時，當掘砌深度超過某一圈防片孔后，井幫溫度必然出現(xiàn)一定程度的回升(波動)，因此需要結合掘砌施工速度，通過已經掌握的布孔和調控技術，使井幫溫度變化曲線(圖1，未調控曲線)的低谷值上升并接近既定的控制目標；趙固二礦西風井凍結方案設計了井幫溫度的調控目標(圖1，調控后曲線)。

表2 沖積層段的控制層位井幫溫度控制目標

圖1 趙固二礦西風井粘性土層井幫溫度預測及設計調控目標

2 凍結壁形成特性實測、工程預報與凍結調控機制的基本內容

2.1 凍結壁形成特性分析方法

趙固二礦西風井凍結過程中始終堅持了凍結運轉和凍結壁溫度場的實時監(jiān)測，每月對凍結壁形成特性進行分析和預測。-350m、-450m砂質粘土層界面凍結壁形成特性如圖2、圖3所示，其中虛線為預測特性曲線。

圖2 -350m砂質粘土層界面凍結壁形成特性(mm)

2.2 凍結壁形成特性工程預報的主要內容

凍結壁形成特性工程預報的主要內容有：①掘砌速度分析與預測；②一個月內待掘層位凍結壁溫度場及凍結壁形成特性分析，例如圖2、圖3；③預報待掘層位的井幫溫度、凍結壁有效厚度、凍結壁平均溫度等凍結壁形成特性參數(shù)見表3；④凍結調控建議。

圖3 -450m砂質粘土層界面凍結壁形成特性(mm)

表3 沖積層凍結壁形成特性分析及工程預報主要指標

2.3 凍結調控及凍掘配合建議

1)掘至88m砂質粘土的No.3報告指出：井幫溫度將出現(xiàn)明顯下降，特別是-180m附近的砂質粘土層測溫孔數(shù)據顯示該層位溫度較低，分析認為經調控后掘砌至該層位時井幫溫度將達到-7℃，建議將防片孔圈的去路鹽水溫度提升至-26～-28℃，并將防片孔小圈(193m深的5個孔)單孔鹽水流量調整至6～8m3/h。待掘至140m深或井幫溫度各方向實測值均進入負溫后，可關閉小圈防片孔。

2)掘至204m礫石層的No.5報告指出：由于-195～-227m多段砂性土層的影響，193m內圈防片孔結束后的井幫溫度不升反降，若不進行調控，-250～-300m段粘性土層井幫溫度工程預報值較低，因此應考慮減少中圈防片孔的鹽水流量至6～8m3/h，并將防片孔去路鹽水溫度提升至-26～-28℃。根據-450m砂質粘土、-470m粘土層位測溫孔監(jiān)測數(shù)據以及凍結壁形成特性綜合分析計算，中圈防片孔在-423m結束后并不會出現(xiàn)井幫溫度的大幅回升，鑒于只減小中圈防片孔流量較為困難，建議采用間歇式方式循環(huán)中外圈防片孔鹽水，即：按每孔14m3/h鹽水流量，每天循環(huán)14h中外圈防片孔鹽水。

3)掘至227m砂質粘土的No.6報告指出：目前掘砌速度比計劃速度低，為了控制深部凍土擴入井幫的范圍，建議將中圈防片孔關閉，只保留每日2h防堵循環(huán)，將外圈防片孔的進回路連接至輔助孔集配液圈，并將輔助孔圈的去路鹽水溫度調整至-24～-26℃，減小輔助孔和外圈防片孔的鹽水流量至10m3/h左右。考慮到井壁結構在深298m處變徑，將會引起井幫溫度的進一步下降，建議當-260m附近粘土層實測井幫溫度低于-6℃、井幫穩(wěn)定性良好時，將中圈防片孔在不制冷的情況下進行間隙式循環(huán)，以便控制深部井幫溫度的進一步下降。

4)掘至316m砂質粘土的No.7報告指出：由于目前采用防片孔大圈閥門半開、防片孔中圈閥門全開并且不制冷的持續(xù)循環(huán)，會使-423m以下防片孔中圈結束后的井幫溫度有所上升，因此建議在掘砌至-390m時關閉防片孔。為了控制深部(-500m以下)井幫溫度，待掘砌超過-423m后，減小內圈輔助孔鹽水流量，加大外圈輔助孔鹽水流量，并階段性停機緩凍。

5)掘至448m粘土層的No.9報告指出：目前采用的調控方法有效地控制了井幫溫度的迅速降低，-423m以深的井幫溫度近期維持在-6.2℃附近，應繼續(xù)施行目前停止防片孔運行及輔助孔開5d停5d的調控措施?？稍诰蚱鲋?490m時，將輔助孔鹽水溫度降低至-28℃、增大內圈輔助孔鹽水流量持續(xù)制冷運轉，以強化-535m以深的凍結壁強度，確保凍結壁平均溫度和強度滿足設計要求。

2.4 凍結壁形成特性分析研討會及凍結調控實施

每月及關鍵施工節(jié)點，由礦方、科研、監(jiān)理、凍結、掘砌單位聯(lián)合召開分析研討會，對凍結和掘砌工程狀況、凍結壁形成特性工程預報、各種調控措施效果的預測等進行分析研討，確定實施凍結調控的方法。

3 凍結壁形成特性實測、工程預報與凍結調控機制實施效果

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，凍結第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，測溫孔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控力度；根據粘性土層井幫穩(wěn)定性實測分析，-400m以下井幫溫度控制調整了計劃，略高于原設計調控目標，-600m以下井幫溫度接近設計調控目標。凍結壁厚度和平均溫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4所示；爆破掘進的坐地炮深度一般為2.5～2.8m，在深部松散土層中限制坐地炮深度在2m以內，-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，除個別松散土層的井幫淺表位移初期稍大外，井幫穩(wěn)定性良好，松散土層掘進過程中，上一段模板刃角處壁后泡沫板壓縮后的厚度仍能維持在50mm左右，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，趙固二礦西風井沖積層段掘砌進度見表4。

圖4 趙固二礦西風井沖積層段井幫溫度實測值

表4 沖積層段掘砌進度統(tǒng)計表

4 結 語

1)凍結壁形成特性實測、工程預報與凍結調控的機制對于深厚沖積層凍結與掘砌配合發(fā)揮了重要作用，為凍結工程安全、提高凍結效率、創(chuàng)造良好掘砌條件奠定了基礎。

2)確保凍結壁厚度、強度滿足凍結設計和工程需要外，積極采取措施以實現(xiàn)凍結方案設計的井幫溫度調控目標，對于深厚沖積層掘砌工程安全、施工條件和速度影響很大，合理控制深厚沖積層中深部井幫溫度，能夠實現(xiàn)深厚或特厚沖積層少挖凍土、高效爆破掘進。

3)以外圈為主凍結孔的凍結設計方案及密切的凍掘配合施工能夠實現(xiàn)超過700m沖積層段粘性土層凍結壁井幫溫度控制在-12℃之上，凍結壁安全、穩(wěn)定，這有利于提高深厚沖積層凍結和掘砌工程效率，降低凍結礦井建設成本。