彬长矿区基岩全深冻结监测研究*

孙希奎，吕 强

(1.山东能源淄博矿业集团，山东 淄博255120;2.山东省充填开采工程研究中心，山东 淄博255120)

0 引 言

冻结法是井筒通过复杂地层采用最多的特殊施工方法之一，采用冻结法凿井较多的国家如德国、英国、波兰、前苏联等，多为含水量大和地压较大的基岩地段［1］。井筒冻结深度最大超过900 m，冻结井筒穿过的冲积层厚度最大接近600 m［2］。英国博尔比钾盐矿，冻结深度930 m，主要冻结地层为埋深645 ～930 m 的本特砂岩［3］。

国内采用冻结法凿井以来，已施工700 多个立井井筒，最近几年，国家对煤炭需求增加，大于500 m 特厚冲积层条件矿区开始探索并成功建井［4］。龙固矿、丁集矿、赵固一矿、赵固二矿新井需穿过的冲积层的厚度分别为567.7，530.4，526.5，530.5，600 m 左右的冲积层冻结施工已经基本成熟［5］。

在中国西部煤炭资源大开发初期，由于对深厚富水基岩地层认识不足，多采用普通法凿井，遇水时借助注浆或降水等措施强行通过含水层。由于此类地区的基岩地层多为孔(裂)隙复合含水，注浆堵水效果差，疏排水亦较为困难，地面预注浆和工作面注浆堵水与降水效果不好。例如，亭南、塔然高勒、核桃峪等煤矿的立井井筒因注浆堵水无效被迫改用冻结法凿井，麦垛山等矿井也因降水失败而改用冻结法施工，使建设时间和建设费用受到重大影响［6］。

东部地区冻结的主要对象是第四系、第三系地层，厚500 ～600 m，以含水丰富的松散流砂层及粘土层为主。西部地区冻结的主要对象是白垩系、侏罗系软弱地层，厚800 ～900 m，赋存基岩承压含水层，静水位高，水压大。2 个地区的地层特性差异较大，地质条件之复杂，在世界上是罕见的。

文中基于基岩为主的强含水层深井全部冻结，重点介绍井壁结构设计方法和监测技术。

1 工程和地质概况

1.1 工程概况

高家堡矿井属鄂尔多斯盆地南部陕西彬长矿区，设计生产能力5.0 Mt/a，采用立井开拓方式，采用特殊冻结法施工，主、副、风井冻结深度达分别到788，850，860 m，是目前国内最深的软岩冻结井之一。

高家堡矿井井筒具有以下难度和特点

1)地下水流速大。主检50 m 处流速为0.51 m/h，放水试验结束后，测得风检孔流速为2.26 m/h;

2)承压水水压高。主井第四系+基岩风化带含水层水位深度18.86 m，水位标高+910.17 m;风井洛河组砂岩含水层水位深度16.11 m，水位标高+941.07 m;副井洛河组砂岩含水层水位深度17.70 m，水位标高+940.94 m，直罗组、延安组含水层水位深度99.72 m，水位标高+1 022.96 m.故承压水水压大会造成冻结孔垂向流动，增加冻结难度。

3)地温高、结冰温度低。测温资料显示主副风井井底温度分别为40.3，38.4，39 ℃，所有测试岩体的结冰温度均较低且差别不大，结冰温度在-3.0 ～-3.5 ℃之间，为了保证深部岩体能够处于稳定的冻结状态，其井帮不能高于-5 ℃.

1.2 井筒地质水文条件

1.2.1 地层

依据钻孔揭露地层由老至新依次有:三叠系上统胡家村组(T3h)侏罗系下统富县组(J 1f)，中统延安组(J 2y)、直罗组(J 2z)、安定组(J 2a)，白垩系下统宜君组(K 1y)、洛河组(K 1l)、华池组(K 1h)及第四、三系地层(Q+N)。

其中:三叠系上统胡家村组(T 3h):岩性主要为灰绿色、灰色、深灰色砂质泥岩、粉砂岩以及细粒砂岩，由于该地段缺失富县组，在三叠系的顶部具有不太明显的暗红色斑块。三孔均未揭穿，主、副、风井井检孔揭露厚度分别为123.84，106.70，52.95 m.

侏罗系地层:岩性为紫杂色、灰色、灰绿色泥岩，含有砾岩、泥质粉砂岩，呈团块状，质纯、致密、细腻、松软易破碎;厚度平均为78.92 m.

白垩系地层:岩性有杂色巨厚层状粗砾岩、紫红色、棕红色细～粗粒长石石英砂岩、紫褐色、褐灰色泥岩。砾径一般30 ～50 mm，最大150 mm 以上;砂岩次棱角-次圆状，分选差，基底式或孔隙式胶结，致密坚硬;泥岩，细腻致密，较均匀。厚度平均为644.88 m.

第四系及第三系(Q +N):包括第四系中更新统离石黄土和上更新统马兰黄土。马兰黄土以粉土为主，疏松、具大孔隙，垂直节理发育，透水性好。离石黄土为亚粘土与古土壤互层，上部结构疏松，具孔隙，含不规则钙质结核;下部致密，孔隙少而小，夹多层钙质结核。包括第三系红土及第四系下更新统午城黄土。接近底部有近4 m 厚的卵石层，松散，粒径一般25 ～80 mm.最大200 mm，成份以石英岩、变质岩、灰岩为主。三个井筒井检孔平均厚度23.97 m.

1.2.2 构造

彬长矿区位于鄂尔多斯盆地南部的彬县-黄陵坳褶带。总体构造形态为中生界构成的NW 缓倾的大型单斜构造。在此单斜上产生一些宽缓而不连续的褶皱。

本次施工的井筒位置位于庙-彬凹陷内，七里铺-西坡背斜的南翼。倾角1° ～4°，岩层较为平缓。井田内断层罕见，但在东南部的水帘矿、火石咀矿、下沟矿的生产矿井见少量断距在1.2 ～6 m的小断层。3#检查孔附近没有发现断层，属岩层平缓、简单构造类型。

1.2.3 主要含水层

第四、三系含水层:抽水试验涌水量单位涌水量q:0. 007 123 L/s·m，渗透系数K:0. 060 08 m·d-1，富水性微弱，矿化度0.846 g·L-1，水质类型为HCO3-Na 型。

洛河组砂砾岩含水层:钻孔揭穿最厚为副井井检孔373.40 m，风井井检孔371.37 m，最薄为主井井检孔371.28 m，平均厚度372.02 m.

该含水层静水位标高+940.94 ～+941.07 m，降深5.54 ～16.19 m，涌水量6.839 ～19.642 L/s，单位涌水量1.210 ～1.487 L/s·m，平均1.338 L/s·m，渗透系数0. 379 7 ～0. 436 8 m/d，平均0.407 0 m/d，矿化度0.904 ～0.977 g/L，水温24 ～25 ℃.水化学类型主要为HCO3·Cl·SO4-(K +Na)型，是影响井筒施工的主要含水层。

从井筒各含水层段涌水量结果来看，第四、三系含水层的富水性弱-中等，洛河组含水层富水性强，延安组含水层富水性较强-强。

2 井筒信息化监测内容与方案

由于井筒深，冻结深度大，为确保安全通过冻结段，并了解井筒掘进过程中井壁冻结情况、温度变化等，有效评估冻结壁发展状况，并分析冻结壁、井壁的安全与稳定性。需要对井帮温度、井底温度、空气温度以及井帮位移等进行监测，掌握井壁外载的增长状况，从而能较为准确地评估外层井壁的安全性;混凝土应变、钢筋应力监测，则可直接评估井壁结构的安全性［7-8］。

2.1 井筒工作面温度与变形监测

1)温度监测:包括井帮温度、井底温度、空气温度。

2)变形监测:包括井帮位移、井底位移、收敛位移。

2.2 已成型井壁段温度、受力及变形监测

1)围岩外层井壁及冻结壁内的温度。

2)围岩冻结压力、外壁混凝土应变和钢筋应力监测。

2.3 传感器

本次监测采用压力盒6 只，钢筋计4 只，混凝土应变计4 只，仪器如图1 ～5 所示。

图1 温度传感器Fig.1 Temperature sensor

图2 压力盒Fig.2 Pressure box

图3 混凝土应变计Fig.3 Concrete strain gauge

图4 钢筋应力计Fig.4 Reinforcement stress meter

图5 传感器引线的汇总电缆Fig.5 Sensor wire of the gather cable

2.4 测点布置

每一监测断面沿井筒外壁周向均匀布置6 个压力盒，4 个混凝土应变计，4 个钢筋计，测点布置具体布设位置，如图6 所示。

图6 传感器测点布置Fig.6 Arrangement points of the sensor measurement

3 测试数据的分析

3.1 温度监测

井壁温度测点:从J1到J10，依次从井壁内侧沿径向向外，其中J1距离井壁内表面约20 mm，测点之间的平均间距约100 mm.

冻结壁温度测点:从D1到D6，依次从井帮测温孔深部向外，受测温孔深度(约400 mm 限制)，D5，D6测点位于井壁内。

图7 掘进井壁温度变化曲线Fig.7 Driving shaft temperature change curve

图8 井壁内温度随时间的变化Fig.8 Borehole wall temperature changes over time

图9 安装后某时刻井壁内温度的径向分布Fig.9 After installing the radial distribution of temperature in borehole wall in a moment

图10 冻结壁内温度随时间的变化Fig.10 Frozen wall temperature changes over time

图11 安装后某时刻冻结壁内温度的径向分布Fig.11 After install some time after the radial distribution of the temperature of the frozen wall

3.2 冻结压力

对压力盒测试数据进行处理后，获得了冻结壁侧向压力随时间的变化曲线，分别如图12，13所示。

1)根据井壁温度的测试数据、曲线可见

由J10测点的温度曲线可见，传感器安装16 h之内，J10测温点一直处于降温过程中;此后温度开始缓慢回升，受水化热的影响明显滞后于其余测点。该现象估计与该测点紧贴泡沫板、且距上一段井壁较近有关。预计随时间延长，J10测点温度会继续升高，逐渐与J9测点温度接近，使井壁内部-外侧之间的温差得以减小。

由D5，D6温度曲线可见，上述两测点先后达到的最高温度分别是60.937，67.3 ℃，远高于同一时刻位置相近的J9，J10测点，分析认为，上述两热电偶测试结果存在较大误差。

然而，鉴于段高中间位置的水化热更容易积聚，因此，就整个段高而言，井壁内的温度最高点应位于段高的中间部位。此次由于测温杆需要借助仪表箱托架进行安装，未能测得最大温度值，

通过上述测试数据分析可见，混凝土浇注后，由于水化热的释放，井壁内外的温差是客观存在的，尤其是浇注初期，井壁外表面与井壁内部的温差较大，但是，随时间延长，该温差有望逐渐降低，从而使得井壁中部与其内、外表面的温差均保持的25 ℃之内。减轻温度裂缝的出现。

2)根据冻结壁测温数据、曲线可见:

井壁浇注过程中，井帮测温孔深部的3 个测点(D1～D3)温度略有升高，但趋势缓慢;位于井帮浅层、距井帮表面约10 cm 的D4测点在安装16 h(此时约为混凝土浇注完毕后的8 h)后，呈现处明显的升温趋势。

由于混凝土水化热释放、传导对外侧冻土的影响必然存在一定的滞后，而此次温度测量数据不足24 h，因此，尚无法对于井帮冻土是否融化、以及融化深度进行确凿地判断。

但是，从井壁拆模，并历经数个段高后，井壁接茬部位往往存在一定的轻微流水现象看，壁后冻土出现融化、并进而发生回冻是客观存在的。何时开始回冻、冻胀压力如何增长及其最大值是开展井壁安全研究需要关注的重点之一。

由测试数据及其曲线可见

1)当冻结壁侧向压力正处于逐渐增长过程中，增长速度以A 测点最为显著，C，B 点次之。

2)最大冻结压力为A 点的1.18 MPa，其余测点测得的冻结压力均远小于1 MPa，其中C，B 点分别为0.28，0.24 MPa. 因此，从冻结压力测试结果看，井壁处于正常工作状态。

3.3 钢筋轴力

由钢筋计测试数据处理后获得了钢筋的轴力变化曲线，如图14，15 所示。

通过钢筋轴力测试数据及曲线可见

图12 冻结壁侧向压力的变化曲线Fig.12 Frozen wall change of lateral pressure curve

图13 冻结壁侧向压力的变化曲线Fig.13 Frozen wall change of lateral pressure curve

1)竖向钢筋目前呈现为受拉状态，尤其B 点拉力最大，达到24.3 kN，D 点达到16.5 kN，A，C测点数据异常，但曲线显示，其竖向钢筋也属于受拉状态。

2)环向钢筋目前呈现受压状态，尤其D 点压力最大，达到57.4 kN，A 点达到38.9 kN，B，C 测点也分别达到了34.5，16.4 kN.

3)就钢筋轴力的绝对值而言，环向钢筋的受力普遍大于竖向钢筋的受力，但相对于钢筋的抗拉、抗压强度而言，均处于安全状态。

4)钢筋受力的不均匀性明显，显示了井壁外侧冻结压力的不均匀性。

3.4 混凝土应变

通过对混凝土应变计测试数据的处理，得到井壁混凝土应变值的变化曲线。

其中，处于同一方位、沿径向分布的A，E，F 点的混凝土应变曲线，如图16，17 所示;而处于井壁外缘、分布于不同方位的A，B，C，D 测点的混凝土应变曲线，如图18，19 所示。

由混凝土应变测试数据及其随时间的变化曲线可见

图14 钢筋计轴力随时间变化曲线Fig.14 Steel bar meter axial force changing with time curve

图15 钢筋计轴力变化曲线Fig.15 Steel bar meter curves of axial force

图16 A，E，F 测点的混凝土应变曲线Fig.16 A，E，F measuring point concrete strain curve

1)井壁竖向应变、径向应变均为拉应变，而环向应变均为压应变。图16，17 中，沿同一方位、径向布置的A、E 测点的径向应变极为接近，表明该方向传感器工作状态良好。

2)竖向应变中，A 点测值较大(B 点竖向应变计仅取得了部分数据)，目前达到290 με;D，E，F较为接近，目前均在150 με 左右;

图17 A，E，F 测点的混凝土应变曲线Fig.17 A，E，F measuring point strain curve of concrete

图18 A，B，C，D 测点的混凝土应变曲线Fig.18 A，B，C，D measuring point strain curve of concrete

3)环向应变中，B 测点的测试值较大，达到150 με，而C 点测值最小，不足50 με，位于同一方位上的A，E，F 测点，环向应变较为接近，分别为96，112，118 με，位于外侧的A 点最小，位于内侧的F 点最大，其大小关系与理论分析一致，也证明了传感器测试结果的可靠性。

4)径向应变中全部为拉应变，分析认为与井壁内各点环向压应力占主导地位有关，同时，也与井壁内的温度变化有关。

图19 A，B，C，D 测点的混凝土应变曲线Fig.19 A，B，C，D measuring point strain curve of concrete

4 结 论

高家堡矿井井筒穿越岩层遇水泥化和裂隙发育，同时面临高地温的地质条件和大流速高承压的复杂水文条件，采用全深冻结方案，主、副、风井冻结深度达分别到788，850，860 m，是目前国内最深的软岩冻结井之一。为确保安全通过冻结段，并了解井筒掘进过程中井壁冻结情况、温度变化等，有效评估冻结壁发展状况，并分析冻结壁、井壁的安全与稳定性，对冻结施工全过程进行信息化监测，实现了安全快速掘进，节约了矿井建设成本。监测成果如下

1)监测部位井壁外侧冻结压力仍处于增长状态，井壁钢筋受力继续增大，混凝土应变类似增长，但增速趋缓，冻结压力、钢筋计轴力、混凝土环向压应变等最大值均处于允许范围内，表明该部位井壁处于安全状态。

2)从监测点冻结压力变化情况表明井壁不均匀受压明显。钢筋受力、混凝土应变的最大值均小于允许值，井壁是安全的，仍需要进一步观测以确定其安全性。

3)随深度增加，井壁外侧冻结压力来压早，且增长迅速，量值大。在此条件下，如果井壁混凝土不能达到较高的早期强度，则井壁结构将面临因承载力不足而发生强度破坏的危险。

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