特殊地層條件下凍結壁壓力變化規律研究

趙 堃

(潞安環能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

現今，一般地質條件下井筒施工采用普通法、鉆井法等，但當遇到含水不穩定地層時，注漿堵水加固效果往往不明顯，但凍結法效果顯著。凍結法自20世紀50年代引入我國，因該法對特殊地質條件的適用性強、安全性高，故在國內得到迅速發展，至今已經形成一定規模[1-5]。

內蒙古某礦采用立井開拓方式，設計生產能力400萬t/a，采用凍結法施工，井筒穿過地層為第四系表土層、白堊系及侏羅紀等，其中白堊系地層厚度達到井筒設計深度的80%。到目前為止，凍結法在白堊系地層應用的例子極少，在凍結方案設計、井壁結構形式等方面存在一定不完善性，急切需要對該類特殊地層條件下凍結法施工技術進行理論和實踐方面的深入研究，故本文選取該礦井筒凍結法施工現場進行白堊系地層的凍結壁壓力實測數據進行分析[6-10]，總結凍結壁壓力與溫度的變化規律，為該礦井筒開挖及其它類似工程提供借鑒。

1 監測方案設計

通過分析該井筒地質柱狀圖、井壁結構設計圖等資料，并充分考慮施工現場實際情況，設計采取3個不同水平(深度)分別進行凍結壁壓力監測：120 m、220 m、320 m，每個深度布置四個壓力盒，現場監測方案見圖1、表1。

表1 監測方案

2 實測數據分析

2.1 凍結壁壓力實測數據分析

凍結壁壓力會受到諸多因素影響，比如：凍結層的物理力學特性、凍結深度、凍結壁自身變形、凍結溫度、混凝土水化熱等，各種因素的耦合程度具有一定的復雜性，本文沒有單獨去考慮某個因素，而是將諸多因素一起綜合起來考慮。通過現場布置的壓力傳感元件采集的凍結壁壓力數據，分析凍結壁壓力與時間之間的相互關系。在分析現場實測數據時，對部分誤差較大的數據進行剔除。各測點壓力變化曲線如圖2、圖3、圖4所示。

圖1 測試儀器布設位置

從圖2-圖4可以看出，凍結壁壓力大致分為4個不同區段：短時快增區段、短時快降區段、緩慢回增區段、長時穩定區段。

1) 短時快增區段：井筒開挖使凍結壁外壁出現一定范圍的應力釋放空間，導致凍結壁向井內方向發生變形及凍脹應力的釋放，但井壁本身的強度會約束凍結壁的變形程度，同時加上井筒下一階段爆破掘進產生的爆炸沖擊波也會對凍結壁產生一定程度應力擠壓，造成凍結壓力急劇增長。

2) 短時快降區段：凍結壁壓力急劇增長后出現一定程度的快速下降，主要是因為井壁澆筑的混凝土產生大量的水化熱使凍結壁的凍結溫度升高，凍結壁中部分水發生相變轉化，從固態變成液態，凍結壁的凍脹量變小，導致凍結壁出現變形收縮，同時下階段爆破荷載只是瞬時荷載，隨著爆破面離監測點距離越來越大，其影響效應減小，致使凍結壁壓力快速下降。

3) 緩慢回增區段：該區段凍結壁壓力出現回升受兩個因素的影響：① 井壁混凝土的水化放熱結束，釋放出的熱量已經被凍結壁吸收完全，此時井筒未開挖結束，凍結壁依然處在凍結期，凍結壁所需冷量由地面凍結站持續不斷向凍結壁供應，冷量總和隨著時間的增加會大于井壁混凝土水化釋放出的熱量總和，引起上區段凍結壁相變部分的水會再次發生相變，重新變成冰，造成凍結壁凍脹量回增，然而增長量會比首次凍脹增長量小，使得回升最高值會比短時快增區段時最高值小；②隨著井壁混凝土凝結時間增長，強度會越來越高，對凍結壁的約束力度會加大，凍結壁的變形也會受到較大限制，也會導致凍結壁壓力的增加。

4) 長期穩定區段：經過一段時間，隨著凍結峰面位置達到穩定狀態，基本不再發生變化，導致凍結壁變形增長速率逐漸減小至零及井壁強度達到穩定狀態，此區段顯示的凍結壁壓力綜合呈現出平穩狀態。

圖2 第一水平各測點壓力變化曲線

圖3 第二水平各測點壓力變化曲線

圖4 第三水平各測點壓力變化曲線

2.2 凍結壁壓力實測數據擬合

通過將每個水平的4個方向上現場實測的長期穩定區段的凍結壁壓力值取其平均值作為該水平的平均凍結壁壓力，取值分別為1.29 MPa(第一水平)、3.09 MPa(第二水平)、5.09 MPa(第三水平)，并對這3個取值進行擬合，擬合結果(見式1)呈現凍結壁平均壓力與深度之間基本上為線性關系，如圖5。

P=-1.024+0.019h

(1)

式中：P為凍結壁壓力，MPa；h為深度，m。

圖5 凍結壁平均壓力與深度關系曲線

3 結 語

1) 特殊地層(白堊系)條件下凍結壁壓力的整個變化區間可以分為4個區段：短時快增區段、短時快降區段、緩慢回增區段、長時穩定區段，各個區段都展現出不同的速率及變化特點，短時快增區段也即是井筒開挖及井壁混凝土澆筑后初期，凍結壁壓力急劇增長，因凍結壁壓力也會反作用于井壁，故此區段造成井壁開裂破壞的可能性比較大，必須在該類條件下井壁結構形式設計、材料選取及現場施工過程中予以重視。

2) 凍結地層的物理力學性質與凍結溫度有著十分密切的聯系，井壁混凝土澆筑時期產生的大量水化熱會引起凍結壁的局部融化及回凍(二次凍結)現象，具體過程為：井壁混凝土釋放的水化熱引起井壁附近一定范圍內的凍結壁溫度升高，造成凍結壁局部融化，使凍結壁強度減小，孔隙水壓力增大，但隨著深度及時間增加，水化熱的影響會越來越弱，凍結冷量繼續持續供應，此時造成局部融化的凍結壁發生回凍(二次凍結)，凍結壁壓力增大，極易引起井壁發生開裂。

3) 由于地層性質的各向異性、凍結孔施工誤差及各個凍結孔鹽水流量差異等因素造成各個水平每個位置凍結壁物理力學參數的不均勻性，導致井壁會產生一定程度的剪切，可能造成井壁破壞，降低井壁的安全性。

4) 根據3個水平4個方向上現場實測的最大凍結壁壓力值取其平均值作為該水平的平均凍結壁壓力，并對其進行擬合，得出凍結壁平均壓力與深度之間呈線性關系。