曾凡偉，陳道翀，曾凡毅，陳紅蕾

(1.河南國龍礦業(yè)建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450000；2.北京煤科聯(lián)應(yīng)用技術(shù)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(jì)60年代開始凍結(jié)壁形成特性的研究，20世紀(jì)70年代在潘謝礦區(qū)凍結(jié)井中進(jìn)行大量的試驗(yàn)與工程實(shí)測研究，掌握了單圈孔凍結(jié)壁形成的基本特性[1-3]，20世紀(jì)80年代末通過陳四樓主、副井深厚沖積層凍結(jié)鑿井技術(shù)攻關(guān)，掌握了主凍結(jié)孔內(nèi)測增設(shè)防片幫孔凍結(jié)壁形成特性，并成功實(shí)現(xiàn)凍結(jié)壁形成特性工程預(yù)報(bào)[4-6]。21世紀(jì)以來，凍結(jié)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(jié)，國內(nèi)多位學(xué)者通過模擬試驗(yàn)、數(shù)值分析、現(xiàn)場實(shí)測深入研究了多圈孔凍結(jié)壁形成特性[7-10]，但如何實(shí)現(xiàn)凍結(jié)段掘砌過程中的凍結(jié)壁形成特性準(zhǔn)確預(yù)測，并制定相應(yīng)掘砌、凍結(jié)調(diào)控措施確保安全，一直是深厚沖積層凍結(jié)法鑿井關(guān)鍵技術(shù)難題。

趙固二礦西風(fēng)井井筒凈直徑6.0m，井筒設(shè)計(jì)深度914m，穿過沖積層厚度704.6m，凍結(jié)深度783m，凍結(jié)段井壁厚度900～1950mm，井壁混凝土設(shè)計(jì)最高強(qiáng)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(fēng)井是我國第四個穿過700m沖積層的井筒；凍結(jié)設(shè)計(jì)階段便根據(jù)沖積層厚度及特點(diǎn)，選取了確保安全前提下井幫溫度的調(diào)控目標(biāo)[11，12]，在此基礎(chǔ)上布置凍結(jié)孔[13]，并制定凍結(jié)調(diào)控的初步方案，設(shè)計(jì)了井幫溫度的調(diào)控目標(biāo)(曲線)，通過建立的凍結(jié)壁形成特性實(shí)測、工程預(yù)報(bào)與凍結(jié)調(diào)控機(jī)制[14，15]，首次實(shí)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(fēng)井凍結(jié)設(shè)計(jì)基本情況

1.1 土層特征及凍結(jié)孔布置主要參數(shù)

趙固二礦西風(fēng)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(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，凍結(jié)深度為783m，應(yīng)用主凍結(jié)孔圈+內(nèi)側(cè)增設(shè)輔助凍結(jié)孔圈+防片凍結(jié)孔圈多圈孔凍結(jié)工藝[11，13]，凍結(jié)鉆孔布置主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 井幫溫度的調(diào)控目標(biāo)

凍結(jié)設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)沖積層厚度及特點(diǎn)，參考文獻(xiàn)[11，12]選取了井幫溫度的控制目標(biāo)，見表2；多圈孔凍結(jié)時，當(dāng)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(jié)合掘砌施工速度，通過已經(jīng)掌握的布孔和調(diào)控技術(shù)，使井幫溫度變化曲線(圖1，未調(diào)控曲線)的低谷值上升并接近既定的控制目標(biāo)；趙固二礦西風(fēng)井凍結(jié)方案設(shè)計(jì)了井幫溫度的調(diào)控目標(biāo)(圖1，調(diào)控后曲線)。

表2 沖積層段的控制層位井幫溫度控制目標(biāo)

圖1 趙固二礦西風(fēng)井粘性土層井幫溫度預(yù)測及設(shè)計(jì)調(diào)控目標(biāo)

2 凍結(jié)壁形成特性實(shí)測、工程預(yù)報(bào)與凍結(jié)調(diào)控機(jī)制的基本內(nèi)容

2.1 凍結(jié)壁形成特性分析方法

趙固二礦西風(fēng)井凍結(jié)過程中始終堅(jiān)持了凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)和凍結(jié)壁溫度場的實(shí)時監(jiān)測，每月對凍結(jié)壁形成特性進(jìn)行分析和預(yù)測。-350m、-450m砂質(zhì)粘土層界面凍結(jié)壁形成特性如圖2、圖3所示，其中虛線為預(yù)測特性曲線。

圖2 -350m砂質(zhì)粘土層界面凍結(jié)壁形成特性(mm)

2.2 凍結(jié)壁形成特性工程預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容

凍結(jié)壁形成特性工程預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容有：①掘砌速度分析與預(yù)測；②一個月內(nèi)待掘?qū)游粌鼋Y(jié)壁溫度場及凍結(jié)壁形成特性分析，例如圖2、圖3；③預(yù)報(bào)待掘?qū)游坏木畮蜏囟?、凍結(jié)壁有效厚度、凍結(jié)壁平均溫度等凍結(jié)壁形成特性參數(shù)見表3；④凍結(jié)調(diào)控建議。

圖3 -450m砂質(zhì)粘土層界面凍結(jié)壁形成特性(mm)

表3 沖積層凍結(jié)壁形成特性分析及工程預(yù)報(bào)主要指標(biāo)

2.3 凍結(jié)調(diào)控及凍掘配合建議

1)掘至88m砂質(zhì)粘土的No.3報(bào)告指出：井幫溫度將出現(xiàn)明顯下降，特別是-180m附近的砂質(zhì)粘土層測溫孔數(shù)據(jù)顯示該層位溫度較低，分析認(rèn)為經(jīng)調(diào)控后掘砌至該層位時井幫溫度將達(dá)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(diào)整至6～8m3/h。待掘至140m深或井幫溫度各方向?qū)崪y值均進(jìn)入負(fù)溫后，可關(guān)閉小圈防片孔。

2)掘至204m礫石層的No.5報(bào)告指出：由于-195～-227m多段砂性土層的影響，193m內(nèi)圈防片孔結(jié)束后的井幫溫度不升反降，若不進(jìn)行調(diào)控，-250～-300m段粘性土層井幫溫度工程預(yù)報(bào)值較低，因此應(yīng)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(jù)-450m砂質(zhì)粘土、-470m粘土層位測溫孔監(jiān)測數(shù)據(jù)以及凍結(jié)壁形成特性綜合分析計(jì)算，中圈防片孔在-423m結(jié)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(zhì)粘土的No.6報(bào)告指出：目前掘砌速度比計(jì)劃速度低，為了控制深部凍土擴(kuò)入井幫的范圍，建議將中圈防片孔關(guān)閉，只保留每日2h防堵循環(huán)，將外圈防片孔的進(jìn)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(diào)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?？紤]到井壁結(jié)構(gòu)在深298m處變徑，將會引起井幫溫度的進(jìn)一步下降，建議當(dāng)-260m附近粘土層實(shí)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(jìn)行間隙式循環(huán)，以便控制深部井幫溫度的進(jìn)一步下降。

4)掘至316m砂質(zhì)粘土的No.7報(bào)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(jié)束后的井幫溫度有所上升，因此建議在掘砌至-390m時關(guān)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(nèi)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(jī)緩凍。

5)掘至448m粘土層的No.9報(bào)告指出：目前采用的調(diào)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(yīng)繼續(xù)施行目前停止防片孔運(yùn)行及輔助孔開5d停5d的調(diào)控措施。可在掘砌至-490m時，將輔助孔鹽水溫度降低至-28℃、增大內(nèi)圈輔助孔鹽水流量持續(xù)制冷運(yùn)轉(zhuǎn)，以強(qiáng)化-535m以深的凍結(jié)壁強(qiáng)度，確保凍結(jié)壁平均溫度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 凍結(jié)壁形成特性分析研討會及凍結(jié)調(diào)控實(shí)施

每月及關(guān)鍵施工節(jié)點(diǎn)，由礦方、科研、監(jiān)理、凍結(jié)、掘砌單位聯(lián)合召開分析研討會，對凍結(jié)和掘砌工程狀況、凍結(jié)壁形成特性工程預(yù)報(bào)、各種調(diào)控措施效果的預(yù)測等進(jìn)行分析研討，確定實(shí)施凍結(jié)調(diào)控的方法。

3 凍結(jié)壁形成特性實(shí)測、工程預(yù)報(bào)與凍結(jié)調(diào)控機(jī)制實(shí)施效果

趙固二礦西風(fēng)井主凍結(jié)孔圈、輔助凍結(jié)孔圈與防片凍結(jié)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，平均單孔流量約為18～19m3/h。淺部凍結(jié)壁于凍結(jié)38d交圈，深部凍結(jié)壁于凍結(jié)54d交圈，凍結(jié)66d采用1.4m小段高開始進(jìn)行試挖，后改為2.5m模板，凍結(jié)第81d正式開挖，模板為4m段高。

趙固二礦西風(fēng)井淺部凍土擴(kuò)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(jìn)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(jié)土層對挖掘影響較大，因此掘至-230m后加大了防片孔凍結(jié)溫度和流量的調(diào)控力度；根據(jù)粘性土層井幫穩(wěn)定性實(shí)測分析，-400m以下井幫溫度控制調(diào)整了計(jì)劃，略高于原設(shè)計(jì)調(diào)控目標(biāo)，-600m以下井幫溫度接近設(shè)計(jì)調(diào)控目標(biāo)。凍結(jié)壁厚度和平均溫度始終滿足設(shè)計(jì)要求，中深部沖積層的凍結(jié)壁平均溫度低于設(shè)計(jì)值，凍結(jié)壁強(qiáng)度超過設(shè)計(jì)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(shí)測井幫溫度值如圖4所示；爆破掘進(jìn)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(nèi)，-540m以下模板改為3m高度，-660m以下模板改為2.5m高度，凍結(jié)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(jìn)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(jié)壁整體穩(wěn)定性很好，凍掘配合順暢，爆破掘進(jìn)的炸藥起爆率和爆破效果均超過以往深凍結(jié)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(jié)段外壁掘砌平均速度為82.1m/月，趙固二礦西風(fēng)井沖積層段掘砌進(jìn)度見表4。

圖4 趙固二礦西風(fēng)井沖積層段井幫溫度實(shí)測值

表4 沖積層段掘砌進(jìn)度統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 語

1)凍結(jié)壁形成特性實(shí)測、工程預(yù)報(bào)與凍結(jié)調(diào)控的機(jī)制對于深厚沖積層凍結(jié)與掘砌配合發(fā)揮了重要作用，為凍結(jié)工程安全、提高凍結(jié)效率、創(chuàng)造良好掘砌條件奠定了基礎(chǔ)。

2)確保凍結(jié)壁厚度、強(qiáng)度滿足凍結(jié)設(shè)計(jì)和工程需要外，積極采取措施以實(shí)現(xiàn)凍結(jié)方案設(shè)計(jì)的井幫溫度調(diào)控目標(biāo)，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?qū)崿F(xiàn)深厚或特厚沖積層少挖凍土、高效爆破掘進(jìn)。

3)以外圈為主凍結(jié)孔的凍結(jié)設(shè)計(jì)方案及密切的凍掘配合施工能夠?qū)崿F(xiàn)超過700m沖積層段粘性土層凍結(jié)壁井幫溫度控制在-12℃之上，凍結(jié)壁安全、穩(wěn)定，這有利于提高深厚沖積層凍結(jié)和掘砌工程效率，降低凍結(jié)礦井建設(shè)成本。