深厚沖積層凍結法鑿井技術研究現狀與展望

周長山 張 鵬

0 引言

我國華東、華北經濟發達地區淺層地質條件好的煤田，絕大部分已得到充分開發，其中不少煤田已經枯竭，需要開發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，已經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，在這種復雜的地質條件下，用常規的建井技術已經不可能，必須考慮采用特殊的鑿井技術。凍結法鑿井是目前我國立井特殊施工的首選技術[1]。

凍結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量的凍結孔，孔內安裝凍結器，低溫鹽水在凍結器中流動，吸收其周圍地層的熱量，在松散、含水不穩定地層中形成凍結圓柱，凍結圓柱逐漸擴大并連接成封閉的、滿足設計厚度和強度的圓筒—凍結壁，以抵抗土、水壓力，隔絕地下水和井筒的聯系，并在凍結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以固結地層。完善和發展人工地層凍結理論和技術體系將不僅具有重要的社會效益，而且具有良好的經濟前景[3]。

據初步統計，到目前為止，我國采用凍結法施工的立井井筒約540個，累計凍結長度約120 km[4]。進入21世紀后，新建礦井的沖積層厚度已突破400 m，最大凍結深度達702 m，使我國在400 m～800 m凍結法鑿井關鍵技術方面取得較大進展。但近年來深厚沖積層凍結鑿井工程中仍頻發凍結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法鑿井技術進行總結分析，展望今后凍結法鑿井技術的研究工作，使我國的深厚沖積層凍結法鑿井技術登上新的臺階。

1 國內外凍結法鑿井技術的新進展

國外采用凍結法鑿井較多的國家有德國、英國、波蘭、加拿大、比利時和前蘇聯等，見表1[5]。其中井筒凍結深度最大達到930 m，凍結井筒穿過的沖積層最大厚度未超過400 m。近20年來一些經濟發達的國家由于能源結構的變化，已很少有大型凍結井筒開工了，凍結技術發展基本上處于停滯狀態。

我國于1955年首次在開灤礦務局林西風井施工中使用人工凍結技術，并獲得成功。隨后，凍結法在煤礦井筒施工中廣泛應用。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中，凍結法得到了廣泛的應用，因此在井巷特殊施工方法中，凍結法所占比例最大，成為我國井筒特殊施工的最主要方法。至今，我國采用凍結法施工的立井井筒約540個，累計凍結長度超過120 km。

表1 國外凍結法鑿井的最大凍結深度和沖積層厚度 m

深厚沖積層凍結法鑿井技術一直是我國建井行業的重要研究課題。進入21世紀后隨著新井建設規模擴大，尤其是凍結井筒穿過的沖積層厚度增加了約56%，使得我國的凍結鑿井施工技術有了長足的發展，主要表現在以下幾個方面:

1)凍結設計方面。近幾年來，隨著我國立井凍結深度的不斷加大，凍結孔布置由單圈發展到多圈，即由原先的單圈孔發展到主孔+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。多圈凍結孔滿足了形成大厚度、高承載力凍結壁的需要，從而大大拓展了凍結法在深厚沖積層井筒施工中的應用范圍。同時減少了凍結時間，實現早開挖，節省工期。

2)凍結孔施工及制冷。采用合理的鉆具組合和測斜糾斜方法，千米凍結孔偏斜率控制在0.2%以內，為保證凍結壁的形成質量奠定了基礎。如郭屯礦主、副風井凍結工程，凍結孔深度702 m，最大偏斜率控制在0.17%以內。采用水1000、水2000等大型鉆機施工凍結孔，鉆機成孔速度平均超過了3 000 m/(臺?月)，凍結孔施工效率提高和工期縮短顯著。采用了蒸發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，顯著提高了凍結能力。此凍結方法不但易于對凍結供冷量進行調控，而且可顯著提高凍結鹽水降溫速度，促使凍結壁提前形成;同時可節電和大幅度減少冷卻水用量。

3)井壁結構。厚400 m沖積層凍結井壁多采用豎向可縮性復合井壁結構。外層井壁在施工期間承受凍結壓力和限制凍結壁的變形，在凍結壁解凍后，凍結壓力消除，外層井壁與內層井壁共同承受永久地壓自重和部分豎直附加力。內層井壁承受外層井壁或夾層傳來的水平側壓力，同時承受自重、設備重量和外層井壁或夾層傳來的部分豎直附加力。井壁設置可縮性接頭，保持井壁豎向可縮以適應特殊地層的豎直附加力。

4)井壁材料。研發了深井凍結井壁高性能混凝土。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以內的凍結井筒接近，不但可以取得顯著的經濟效益，而且有利于縮小井筒開挖直徑，提高凍結壁的安全性。

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，對掘砌過程中的凍結壁溫度和變形、凍結壓力以及井壁的受力和變形進行實時監測，利用反演技術進行預報，對保證施工安全起到了重要作用。

通過對上述技術的開發應用，我國在短期內建成了一大批深厚沖積層凍結井筒，其中，凍結法鑿井在郭屯煤礦主井的順利實施，凍結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鑿井技術總體上已處于國際領先水平。

2 凍結鑿井技術存在的問題

雖然近年來我國凍結法鑿井技術取得了突飛猛進的發展，但實際工程中仍常出現凍結管斷裂和井壁破裂事故。凍結管的斷裂，將直接威脅凍結壁的安全，導致凍結壁變形過大、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。

事故的發生說明凍結法鑿井技術仍需要提高和完善，而制約其進一步發展的根本原因在于基礎理論研究滯后于工程實踐。基礎理論不完善主要表現在:1)對深部凍土力學性質了解不夠深入，因此凍結壁和井壁外載取值合理性也無從驗證;2)無適合于400 m以上沖積層凍結壁強度和穩定性驗算的統一方法;3)對于深厚沖積層多圈管凍結條件下，凍結管斷裂機制尚不明確，無法提出凍結管斷裂防治措施;4)凍結井壁結構設計水平及設計計算方法沒有實質上的提高，導致井壁計算厚度大，防水效果較差。

3 結論與建議

雖然我國凍結法鑿井技術取得較大發展，但凍結法鑿井的基礎理論尚落后于工程實踐，今后應在以下方面深入開展深厚沖積層凍結法鑿井基礎研究:

1)根據凍結法鑿井應力路徑，研究有壓凍結—卸載條件下深部人工凍土的力學特性。

2)研究凍結壁形成過程中溫度場、水分場、應力場及變形場的耦合作用規律。

3)研究掘砌過程凍結壁和井壁溫度場、應力場及變形場的多場耦合作用。

4)研究多圈孔凍結條件下，深厚沖積層凍結壁內凍結管的斷裂機制。

5)研究凍結法鑿井信息化施工監測和反演基本理論，增強系統的智能化和可靠性。

[1] 洪伯潛.特殊鑿井技術在我國的發展前景[J].中國煤炭，2000，26(4):5-8.

[2] 翁家杰.井巷特殊施工[M].北京:煤炭工業出版社，1991.

[3] 陳瑞杰.人工地層凍結應用研究進展和展望[J].巖土工程學報，2000(1):40-44.

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

[5] 洪伯潛.我國深井快速建井綜合技術[J].煤炭科學技術，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].內部資料，2004.

[7] 王衍森.鄆城煤礦主副井凍脹力監測研究報告[Z].內部資料，2007.