曾凡偉，劉民東，李功洲

(1.河南國龍礦業(yè)建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450000；2.焦作煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 焦作 454002；3.中國電子工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100142)

凍結(jié)壓力是指凍結(jié)段掘砌過程中由凍結(jié)壁施加于外層井壁上的臨時荷載或施工荷載，它是外層井壁設(shè)計(jì)荷載計(jì)算的依據(jù)，也是影響外層井壁穩(wěn)定性、施工安全性的主要因素。凍結(jié)壓力是凍結(jié)壁變形(包括彈性、蠕變、塑性變形)、凍結(jié)過程中形成的凍脹力釋放、井壁壁后凍土層融化及融土回凍時的凍脹變形等多因素對井壁作用的結(jié)果。合理確定凍結(jié)壓力取值，對外層井壁結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和厚度科學(xué)設(shè)計(jì)及井壁混凝土強(qiáng)度增長特性要求均具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，因此長期以來一直是該領(lǐng)域的科技工作者最為關(guān)注和研究熱點(diǎn)[1-3]。

現(xiàn)有凍結(jié)法鑿井外層井壁設(shè)計(jì)理論，將凍結(jié)壓力作為外層井壁所承受的水平荷載，但現(xiàn)行《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50384—2016)規(guī)范只有<500m沖積層的凍結(jié)壓力標(biāo)準(zhǔn)值取值，缺少關(guān)于≥500m沖積層凍結(jié)壓力取值規(guī)定。研究凍結(jié)壓力的方法有理論、物理模擬、現(xiàn)場實(shí)測等方法，基于現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果研究確定外層井壁設(shè)計(jì)中凍結(jié)壓力取值更具說服力。國內(nèi)工程科技工作者對凍結(jié)壓力進(jìn)行過大量實(shí)測，取得大量的實(shí)測結(jié)果為這些凍結(jié)井筒安全施工和井壁設(shè)計(jì)提供了大量有用的數(shù)據(jù)。我國凍結(jié)壓力的實(shí)測工作自1964年開始，2000年之前重點(diǎn)檢測了<350m沖積層(含黏性土層和砂性土層)的11個單圈孔凍結(jié)井筒的凍結(jié)壓力特性；2000年以來，重點(diǎn)檢測≥350m沖積層的16個以上多圈孔凍結(jié)井筒的凍結(jié)壓力特性。本文基于這些大量的現(xiàn)場實(shí)測資料分析提出深厚沖積層凍結(jié)法鑿井外層井壁設(shè)計(jì)中凍結(jié)壓力標(biāo)準(zhǔn)值取值建議，為>500m深厚沖積層凍結(jié)井外層井壁設(shè)計(jì)提供參考。

1 350m以淺沖積層單圈孔凍結(jié)的凍結(jié)壓力

影響凍結(jié)壓力大小和變化特征的主要因素有土層埋深、土層性質(zhì)(包括顆粒大小、含水率、蠕變特性、凍脹特性)、凍脹力，以及凍結(jié)壁的整體強(qiáng)度、抗變形能力。凍結(jié)孔布置方式、凍結(jié)壁平均溫度和井幫溫度對凍脹力的大小和凍結(jié)壁蠕變變形影響較大，井壁結(jié)構(gòu)形式、混凝土(早期)強(qiáng)度、井壁掘砌施工工藝、井筒斷面形狀及尺寸等對凍結(jié)壁變形也有較大影響，因此間接地影響凍結(jié)壓力。煤科總院北京建井研究所、中國礦業(yè)學(xué)院、淮南煤炭學(xué)院曾對兗州礦區(qū)、兩淮礦區(qū)等多個礦區(qū)11個單圈孔凍結(jié)井筒的凍結(jié)壓力特性進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)測，實(shí)測邢臺礦區(qū)、兗州礦區(qū)、兩淮礦區(qū)凍結(jié)井筒不同地層、不同深度的凍結(jié)壓力見表1。通過對實(shí)測資料的綜合分析得到如下結(jié)論[3]：①外層井壁砌筑初期凍結(jié)壓力增長速度較快，隨時間的延續(xù)，增長速度減緩。要求井壁支護(hù)強(qiáng)度增長率必須大于凍結(jié)壓力的增長率；②同一水平凍結(jié)壓力普遍存在不均勻現(xiàn)象，在外層井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)進(jìn)行不均勻受力計(jì)算；③黏性土層凍結(jié)壓力明顯大于砂性土層凍結(jié)壓力；④同性土層的凍結(jié)壓力隨著埋深的增加而增大，但并不是線性增加。基于現(xiàn)場實(shí)測成果，國內(nèi)相關(guān)研究單位和學(xué)者歸納總結(jié)提出單圈孔凍結(jié)黏性土層凍結(jié)壓力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[1，4]。

實(shí)測結(jié)果表明，在一定埋深范圍內(nèi)基本可用線性回歸實(shí)測凍結(jié)壓力參考值，用以概括一般黏土層凍結(jié)壓力隨埋深增大的特性，但凍結(jié)壓力Pd與埋深H的比值并不是固定的常數(shù)，而且隨埋深增大呈緩慢遞減趨勢，如圖1所示。淺部凍結(jié)壓力Pd與埋深H的比值較大，深部的凍結(jié)壓力Pd與埋深H的比值下降，黏性土層凍結(jié)壓力Pd與埋深H的比值在埋深300～350m基本趨于0.01以下，即凍結(jié)壓力降至靜水壓力以下。從凍結(jié)壓力組成分析，凍結(jié)過程中凍脹力一直存在，凍脹力值大小與凍結(jié)狀況、土性等有關(guān)，但與埋深關(guān)系不大；凍結(jié)壁蠕變等反映地壓和掘砌應(yīng)力重新分布引起的變形是隨著埋深增加而加大。

表1 單圈孔實(shí)測凍結(jié)壓力與土層特性、土層埋深的關(guān)系

圖1 小于400m沖積層凍結(jié)井筒凍結(jié)壓力與埋深的比值(Pd/H)變化趨勢

通過對小于400m沖積層凍結(jié)井筒凍結(jié)壓力實(shí)測回歸曲線分析，回歸埋深(>100m)凍結(jié)壓力計(jì)算公式為：

Pd=0.01ΨdH

(1)

式中，Pd為不同深度的凍結(jié)壓力，MPa；H為計(jì)算深度，m；Ψd為凍結(jié)壓力隨深度變化系數(shù)，見表2。

表2 不同深度黏性土層的凍結(jié)壓力參考值

2 深厚沖積層多圈孔凍結(jié)壓力

深厚沖積層(>400m)凍結(jié)法鑿井需采用多圈孔凍結(jié)技術(shù)，多圈孔凍結(jié)形成的凍結(jié)壓力與淺部單圈孔凍結(jié)的凍結(jié)壓力有何差異，一直是工程技術(shù)人員急需掌握和攻克的難點(diǎn)。21世紀(jì)以來，我國廣大科技工作者對龍固、郭屯、鄆城、渦北、趙固等礦區(qū)十幾個深厚沖積層多圈孔凍結(jié)井筒凍結(jié)壓力進(jìn)行實(shí)測研究。對于大于400m沖積層多圈孔凍結(jié)壓力的變化規(guī)律有了初步認(rèn)識。

王衍森、李金華等對龍固副井、郭屯主副井、鄆城主副井等深厚沖積層多圈孔凍結(jié)井筒進(jìn)行凍結(jié)壓力實(shí)測[5，6]，分析得到：凍結(jié)壓力最大值Pmax普遍接近甚至超過重液水平地壓P0，Pmax/P0的平均值 為 1.08；超過 55%～60%的地層中，7d、10d、14 d、30d凍結(jié)壓力平均值分別達(dá)到最大值Pmax的 72%、77%、81%、92%。分析得到黏性土層、砂性土層Pmax與H的比值平均值分別為：0.0140、0.00745。

根據(jù)姚直書、程樺等曾對朱集、口孜東、陳蠻莊等礦10多個凍結(jié)井筒凍結(jié)壓力進(jìn)行研究[2，9，10]，得出凍結(jié)壓力具有顯著的不均勻性，同一水平實(shí)測最大凍結(jié)壓力是最小凍結(jié)壓力的2～4倍，得到>500m黏性土層Pmax與H的比值主要在0.00936～0.0120之間。

作者通過對趙固一礦主井、副井、風(fēng)井，趙固二礦副井等4個深厚沖積層多圈孔凍結(jié)井進(jìn)行了凍結(jié)壓力實(shí)測，實(shí)測結(jié)果見表3，初步掌握了該礦區(qū)-197～-519m段半固結(jié)黏性土層凍結(jié)壓力的顯現(xiàn)特性，實(shí)測得到趙固礦區(qū)半固結(jié)黏性土層凍結(jié)壓力最大值Pmax與土層埋深H的比值為0.01165～0.02003，平均值為0.0174。

表3 趙固一礦、趙固二礦井筒凍結(jié)壓力實(shí)測結(jié)果匯總表

凍結(jié)壓力實(shí)測普遍存在測點(diǎn)難以保護(hù)、數(shù)據(jù)離散性大，長期觀測困難等問題，但已獲得大量可貴的實(shí)測數(shù)據(jù)和成果，對深厚沖積層凍結(jié)井筒凍結(jié)壓力實(shí)測結(jié)果分析和應(yīng)用具有重要實(shí)用價值。分析多位學(xué)者實(shí)測獲得的結(jié)果，深厚沖積層凍結(jié)壓力的一般特征有：①凍結(jié)壓力沿井筒周向具有顯著的不均勻性；②凍結(jié)壓力的增長過程基本具有早期急劇增長，隨后增速減小保持緩慢增長(或趨于穩(wěn)定，個別地層凍結(jié)壓力達(dá)到峰值后下降)的特點(diǎn)，外層井壁混凝土澆筑后7d、10d、14d、30d的凍結(jié)壓力達(dá)到最大凍結(jié)壓力的平均值分別達(dá)到57.6%、65%、72.2%、84.2%；③多圈孔凍結(jié)壁較單圈孔凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度增大，同質(zhì)同深土層的地壓所產(chǎn)生蠕變變形比單圈孔凍結(jié)壁小，但實(shí)測多圈孔凍結(jié)井筒同土性的凍結(jié)壓力峰值與測點(diǎn)埋深比值普遍較大，說明多圈孔布置方式和凍結(jié)工藝對凍結(jié)壁內(nèi)凍脹力的影響較為顯著，多圈孔凍結(jié)比單圈孔凍結(jié)的凍脹力普遍增大，造成了同深度沖積層多圈孔凍結(jié)壓力大于單圈孔凍結(jié)壓力。

建議凍結(jié)壓力可劃分為由凍結(jié)壁變形引起的變形壓力和地層凍脹引起的凍脹力組成。建議深厚沖積層(>400m)凍結(jié)壓力Pd按式(2)計(jì)算：

Pd=0.01(Kb+Kdz)H

(2)

式中，Kb為凍結(jié)壁變形和深度影響系數(shù)，計(jì)算砂性土層凍結(jié)壓力最大值取0.75～0.85，黏性土層凍結(jié)壓力最大值取0.96～1.14；Kdz為凍脹力影響系數(shù)，與土層凍脹特性、凍結(jié)孔布置方式、凍結(jié)壁形成過程、凍結(jié)壁平均溫度、井幫溫度、井壁筑壁材料水化溫升特性等因素有關(guān)，取0.17～0.38；H為計(jì)算深度。

根據(jù)式(2)分析得到黏性土層凍結(jié)壓力最大值見公式(3)：

Pd=(0.0113～0.0152)H

(3)

3 凍結(jié)壓力標(biāo)準(zhǔn)值及混凝土早期強(qiáng)度取值建議

3.1 凍結(jié)壓力標(biāo)準(zhǔn)值取值

按照《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50384—2016)關(guān)于凍結(jié)壓力標(biāo)準(zhǔn)值的取值規(guī)定，外層井壁承受的凍結(jié)壓力標(biāo)準(zhǔn)值Pd，k可按表4選取。

表4 凍結(jié)壓力標(biāo)準(zhǔn)值

Pd，k=(0.009～0.012)H

(4)

3.2 混凝土早期強(qiáng)度取值

對于深厚沖積層凍結(jié)壓力實(shí)測表明，外層井壁砌筑后較短的時間內(nèi)就要承受凍結(jié)壓力，因此僅按傳統(tǒng)做法對外層井壁的28d強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)不足以滿足外層井壁的承受凍結(jié)壓力不破壞的要求，應(yīng)對井壁混凝土早期強(qiáng)度及不同齡期強(qiáng)度作出要求，并實(shí)現(xiàn)深井井壁現(xiàn)澆混凝土水化熱引起凍結(jié)壁較多的融化而引起較多的凍脹壓力而不破壞，并在今后新制定或修訂的規(guī)范中列入相應(yīng)的規(guī)范。根據(jù)凍結(jié)壓力實(shí)測結(jié)果，建議：凍結(jié)法鑿井外層井壁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，混凝土應(yīng)具有低溫高早強(qiáng)、低水化熱特征；混凝土絕熱溫升不宜大于50℃；混凝土1d強(qiáng)度不應(yīng)低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的30%。