周長山 張 鵬

0 引言

我國華東、華北經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)淺層地質(zhì)條件好的煤田，絕大部分已得到充分開發(fā)，其中不少煤田已經(jīng)枯竭，需要開發(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量983億t。但這些礦井大多都要穿過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)法鑿井是目前我國立井特殊施工的首選技術(shù)[1]。

凍結(jié)法鑿井是在井筒開挖之前，首先在欲開挖井筒的周圍打一定數(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，吸收其周圍地層的熱量，在松散、含水不穩(wěn)定地層中形成凍結(jié)圓柱，凍結(jié)圓柱逐漸擴大并連接成封閉的、滿足設(shè)計厚度和強度的圓筒—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)壁的保護下進行井筒掘砌，以便安全穿過含水地層，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，無論是礫石層、砂層還是黏性土層，當具有一定含水量時均可通過人工制冷的方法臨時改變巖土性質(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效益，而且具有良好的經(jīng)濟前景[3]。

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

1 國內(nèi)外凍結(jié)法鑿井技術(shù)的新進展

國外采用凍結(jié)法鑿井較多的國家有德國、英國、波蘭、加拿大、比利時和前蘇聯(lián)等，見表1[5]。其中井筒凍結(jié)深度最大達到930 m，凍結(jié)井筒穿過的沖積層最大厚度未超過400 m。近20年來一些經(jīng)濟發(fā)達的國家由于能源結(jié)構(gòu)的變化，已很少有大型凍結(jié)井筒開工了，凍結(jié)技術(shù)發(fā)展基本上處于停滯狀態(tài)。

我國于1955年首次在開灤礦務(wù)局林西風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，成為我國井筒特殊施工的最主要方法。至今，我國采用凍結(jié)法施工的立井井筒約540個，累計凍結(jié)長度超過120 km。

表1 國外凍結(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)一直是我國建井行業(yè)的重要研究課題。進入21世紀后隨著新井建設(shè)規(guī)模擴大，尤其是凍結(jié)井筒穿過的沖積層厚度增加了約56%，使得我國的凍結(jié)鑿井施工技術(shù)有了長足的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

1)凍結(jié)設(shè)計方面。近幾年來，隨著我國立井凍結(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。同時減少了凍結(jié)時間，實現(xiàn)早開挖，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等大型鉆機施工凍結(jié)孔，鉆機成孔速度平均超過了3 000 m/(臺?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組，與以前采用的立式冷凝器和活塞式冷凍機相比，顯著提高了凍結(jié)能力。此凍結(jié)方法不但易于對凍結(jié)供冷量進行調(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的水平側(cè)壓力，同時承受自重、設(shè)備重量和外層井壁或夾層傳來的部分豎直附加力。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度等級分別達到了C70和C75。通過提高井壁混凝土強度，解決了近600 m深厚沖積層雙層鋼筋混凝土井壁的施工問題，并且井壁總厚度與過去沖積層厚度在400 m以內(nèi)的凍結(jié)井筒接近，不但可以取得顯著的經(jīng)濟效益，而且有利于縮小井筒開挖直徑，提高凍結(jié)壁的安全性。

5)井筒掘砌。采用長繩懸吊式大抓巖機和小型挖掘機掘進，加快了施工速度。采用信息化施工技術(shù)，對掘砌過程中的凍結(jié)壁溫度和變形、凍結(jié)壓力以及井壁的受力和變形進行實時監(jiān)測，利用反演技術(shù)進行預(yù)報，對保證施工安全起到了重要作用。

通過對上述技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，我國在短期內(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施，凍結(jié)井筒穿過的沖積層厚度成為世界第一，標志著我國深厚沖積層凍結(jié)鑿井技術(shù)總體上已處于國際領(lǐng)先水平。

2 凍結(jié)鑿井技術(shù)存在的問題

雖然近年來我國凍結(jié)法鑿井技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，但實際工程中仍常出現(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)壁變形過大、外層井壁被壓壞，嚴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)生說明凍結(jié)法鑿井技術(shù)仍需要提高和完善，而制約其進一步發(fā)展的根本原因在于基礎(chǔ)理論研究滯后于工程實踐?；A(chǔ)理論不完善主要表現(xiàn)在:1)對深部凍土力學性質(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從驗證;2)無適合于400 m以上沖積層凍結(jié)壁強度和穩(wěn)定性驗算的統(tǒng)一方法;3)對于深厚沖積層多圈管凍結(jié)條件下，凍結(jié)管斷裂機制尚不明確，無法提出凍結(jié)管斷裂防治措施;4)凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計水平及設(shè)計計算方法沒有實質(zhì)上的提高，導(dǎo)致井壁計算厚度大，防水效果較差。

3 結(jié)論與建議

雖然我國凍結(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踐，今后應(yīng)在以下方面深入開展深厚沖積層凍結(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特性。

2)研究凍結(jié)壁形成過程中溫度場、水分場、應(yīng)力場及變形場的耦合作用規(guī)律。

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

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)管的斷裂機制。

5)研究凍結(jié)法鑿井信息化施工監(jiān)測和反演基本理論，增強系統(tǒng)的智能化和可靠性。

[1] 洪伯潛.特殊鑿井技術(shù)在我國的發(fā)展前景[J].中國煤炭，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)用研究進展和展望[J].巖土工程學報，2000(1):40-44.

[4] 李功洲，陳文豹.深厚沖積層凍結(jié)鑿井技術(shù)問題的探討[A].全國礦山建設(shè)學術(shù)會議論文選集[C].2004.

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

[6] 楊維好.萬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)測研究報告[Z].內(nèi)部資料，2007.