赵 堃

(潞安环能股份公司 漳村煤矿，山西 长治 046032)

现今，一般地质条件下井筒施工采用普通法、钻井法等，但当遇到含水不稳定地层时，注浆堵水加固效果往往不明显，但冻结法效果显著。冻结法自20世纪50年代引入我国，因该法对特殊地质条件的适用性强、安全性高，故在国内得到迅速发展，至今已经形成一定规模[1-5]。

内蒙古某矿采用立井开拓方式，设计生产能力400万t/a，采用冻结法施工，井筒穿过地层为第四系表土层、白垩系及侏罗纪等，其中白垩系地层厚度达到井筒设计深度的80%。到目前为止，冻结法在白垩系地层应用的例子极少，在冻结方案设计、井壁结构形式等方面存在一定不完善性，急切需要对该类特殊地层条件下冻结法施工技术进行理论和实践方面的深入研究，故本文选取该矿井筒冻结法施工现场进行白垩系地层的冻结壁压力实测数据进行分析[6-10]，总结冻结壁压力与温度的变化规律，为该矿井筒开挖及其它类似工程提供借鉴。

1 监测方案设计

通过分析该井筒地质柱状图、井壁结构设计图等资料，并充分考虑施工现场实际情况，设计采取3个不同水平(深度)分别进行冻结壁压力监测：120 m、220 m、320 m，每个深度布置四个压力盒，现场监测方案见图1、表1。

表1 监测方案

2 实测数据分析

2.1 冻结壁压力实测数据分析

冻结壁压力会受到诸多因素影响，比如：冻结层的物理力学特性、冻结深度、冻结壁自身变形、冻结温度、混凝土水化热等，各种因素的耦合程度具有一定的复杂性，本文没有单独去考虑某个因素，而是将诸多因素一起综合起来考虑。通过现场布置的压力传感元件采集的冻结壁压力数据，分析冻结壁压力与时间之间的相互关系。在分析现场实测数据时，对部分误差较大的数据进行剔除。各测点压力变化曲线如图2、图3、图4所示。

图1 测试仪器布设位置

从图2-图4可以看出，冻结壁压力大致分为4个不同区段：短时快增区段、短时快降区段、缓慢回增区段、长时稳定区段。

1) 短时快增区段：井筒开挖使冻结壁外壁出现一定范围的应力释放空间，导致冻结壁向井内方向发生变形及冻胀应力的释放，但井壁本身的强度会约束冻结壁的变形程度，同时加上井筒下一阶段爆破掘进产生的爆炸冲击波也会对冻结壁产生一定程度应力挤压，造成冻结压力急剧增长。

2) 短时快降区段：冻结壁压力急剧增长后出现一定程度的快速下降，主要是因为井壁浇筑的混凝土产生大量的水化热使冻结壁的冻结温度升高，冻结壁中部分水发生相变转化，从固态变成液态，冻结壁的冻胀量变小，导致冻结壁出现变形收缩，同时下阶段爆破荷载只是瞬时荷载，随着爆破面离监测点距离越来越大，其影响效应减小，致使冻结壁压力快速下降。

3) 缓慢回增区段：该区段冻结壁压力出现回升受两个因素的影响：① 井壁混凝土的水化放热结束，释放出的热量已经被冻结壁吸收完全，此时井筒未开挖结束，冻结壁依然处在冻结期，冻结壁所需冷量由地面冻结站持续不断向冻结壁供应，冷量总和随着时间的增加会大于井壁混凝土水化释放出的热量总和，引起上区段冻结壁相变部分的水会再次发生相变，重新变成冰，造成冻结壁冻胀量回增，然而增长量会比首次冻胀增长量小，使得回升最高值会比短时快增区段时最高值小；②随着井壁混凝土凝结时间增长，强度会越来越高，对冻结壁的约束力度会加大，冻结壁的变形也会受到较大限制，也会导致冻结壁压力的增加。

4) 长期稳定区段：经过一段时间，随着冻结峰面位置达到稳定状态，基本不再发生变化，导致冻结壁变形增长速率逐渐减小至零及井壁强度达到稳定状态，此区段显示的冻结壁压力综合呈现出平稳状态。

图2 第一水平各测点压力变化曲线

图3 第二水平各测点压力变化曲线

图4 第三水平各测点压力变化曲线

2.2 冻结壁压力实测数据拟合

通过将每个水平的4个方向上现场实测的长期稳定区段的冻结壁压力值取其平均值作为该水平的平均冻结壁压力，取值分别为1.29 MPa(第一水平)、3.09 MPa(第二水平)、5.09 MPa(第三水平)，并对这3个取值进行拟合，拟合结果(见式1)呈现冻结壁平均压力与深度之间基本上为线性关系，如图5。

P=-1.024+0.019h

(1)

式中：P为冻结壁压力，MPa；h为深度，m。

图5 冻结壁平均压力与深度关系曲线

3 结 语

1) 特殊地层(白垩系)条件下冻结壁压力的整个变化区间可以分为4个区段：短时快增区段、短时快降区段、缓慢回增区段、长时稳定区段，各个区段都展现出不同的速率及变化特点，短时快增区段也即是井筒开挖及井壁混凝土浇筑后初期，冻结壁压力急剧增长，因冻结壁压力也会反作用于井壁，故此区段造成井壁开裂破坏的可能性比较大，必须在该类条件下井壁结构形式设计、材料选取及现场施工过程中予以重视。

2) 冻结地层的物理力学性质与冻结温度有着十分密切的联系，井壁混凝土浇筑时期产生的大量水化热会引起冻结壁的局部融化及回冻(二次冻结)现象，具体过程为：井壁混凝土释放的水化热引起井壁附近一定范围内的冻结壁温度升高，造成冻结壁局部融化，使冻结壁强度减小，孔隙水压力增大，但随着深度及时间增加，水化热的影响会越来越弱，冻结冷量继续持续供应，此时造成局部融化的冻结壁发生回冻(二次冻结)，冻结壁压力增大，极易引起井壁发生开裂。

3) 由于地层性质的各向异性、冻结孔施工误差及各个冻结孔盐水流量差异等因素造成各个水平每个位置冻结壁物理力学参数的不均匀性，导致井壁会产生一定程度的剪切，可能造成井壁破坏，降低井壁的安全性。

4) 根据3个水平4个方向上现场实测的最大冻结壁压力值取其平均值作为该水平的平均冻结壁压力，并对其进行拟合，得出冻结壁平均压力与深度之间呈线性关系。