深厚冲积层冻结法凿井井壁设计中冻结压力取值探讨

曾凡伟，刘民东，李功洲

(1.河南国龙矿业建设有限公司，河南 郑州 450000；2.焦作煤业(集团)有限责任公司，河南 焦作 454002；3.中国电子工程设计院有限公司，北京 100142)

冻结压力是指冻结段掘砌过程中由冻结壁施加于外层井壁上的临时荷载或施工荷载，它是外层井壁设计荷载计算的依据，也是影响外层井壁稳定性、施工安全性的主要因素。冻结压力是冻结壁变形(包括弹性、蠕变、塑性变形)、冻结过程中形成的冻胀力释放、井壁壁后冻土层融化及融土回冻时的冻胀变形等多因素对井壁作用的结果。合理确定冻结压力取值，对外层井壁结构、强度和厚度科学设计及井壁混凝土强度增长特性要求均具有重要的理论和现实意义，因此长期以来一直是该领域的科技工作者最为关注和研究热点[1-3]。

现有冻结法凿井外层井壁设计理论，将冻结压力作为外层井壁所承受的水平荷载，但现行《煤矿立井井筒及硐室设计规范》(GB 50384—2016)规范只有<500m冲积层的冻结压力标准值取值，缺少关于≥500m冲积层冻结压力取值规定。研究冻结压力的方法有理论、物理模拟、现场实测等方法，基于现场实测结果研究确定外层井壁设计中冻结压力取值更具说服力。国内工程科技工作者对冻结压力进行过大量实测，取得大量的实测结果为这些冻结井筒安全施工和井壁设计提供了大量有用的数据。我国冻结压力的实测工作自1964年开始，2000年之前重点检测了<350m冲积层(含黏性土层和砂性土层)的11个单圈孔冻结井筒的冻结压力特性；2000年以来，重点检测≥350m冲积层的16个以上多圈孔冻结井筒的冻结压力特性。本文基于这些大量的现场实测资料分析提出深厚冲积层冻结法凿井外层井壁设计中冻结压力标准值取值建议，为>500m深厚冲积层冻结井外层井壁设计提供参考。

1 350m以浅冲积层单圈孔冻结的冻结压力

影响冻结压力大小和变化特征的主要因素有土层埋深、土层性质(包括颗粒大小、含水率、蠕变特性、冻胀特性)、冻胀力，以及冻结壁的整体强度、抗变形能力。冻结孔布置方式、冻结壁平均温度和井帮温度对冻胀力的大小和冻结壁蠕变变形影响较大，井壁结构形式、混凝土(早期)强度、井壁掘砌施工工艺、井筒断面形状及尺寸等对冻结壁变形也有较大影响，因此间接地影响冻结压力。煤科总院北京建井研究所、中国矿业学院、淮南煤炭学院曾对兖州矿区、两淮矿区等多个矿区11个单圈孔冻结井筒的冻结压力特性进行系统实测，实测邢台矿区、兖州矿区、两淮矿区冻结井筒不同地层、不同深度的冻结压力见表1。通过对实测资料的综合分析得到如下结论[3]：①外层井壁砌筑初期冻结压力增长速度较快，随时间的延续，增长速度减缓。要求井壁支护强度增长率必须大于冻结压力的增长率；②同一水平冻结压力普遍存在不均匀现象，在外层井壁结构设计时应进行不均匀受力计算；③黏性土层冻结压力明显大于砂性土层冻结压力；④同性土层的冻结压力随着埋深的增加而增大，但并不是线性增加。基于现场实测成果，国内相关研究单位和学者归纳总结提出单圈孔冻结黏性土层冻结压力计算经验公式[1，4]。

实测结果表明，在一定埋深范围内基本可用线性回归实测冻结压力参考值，用以概括一般黏土层冻结压力随埋深增大的特性，但冻结压力Pd与埋深H的比值并不是固定的常数，而且随埋深增大呈缓慢递减趋势，如图1所示。浅部冻结压力Pd与埋深H的比值较大，深部的冻结压力Pd与埋深H的比值下降，黏性土层冻结压力Pd与埋深H的比值在埋深300～350m基本趋于0.01以下，即冻结压力降至静水压力以下。从冻结压力组成分析，冻结过程中冻胀力一直存在，冻胀力值大小与冻结状况、土性等有关，但与埋深关系不大；冻结壁蠕变等反映地压和掘砌应力重新分布引起的变形是随着埋深增加而加大。

表1 单圈孔实测冻结压力与土层特性、土层埋深的关系

图1 小于400m冲积层冻结井筒冻结压力与埋深的比值(Pd/H)变化趋势

通过对小于400m冲积层冻结井筒冻结压力实测回归曲线分析，回归埋深(>100m)冻结压力计算公式为：

Pd=0.01ΨdH

(1)

式中，Pd为不同深度的冻结压力，MPa；H为计算深度，m；Ψd为冻结压力随深度变化系数，见表2。

表2 不同深度黏性土层的冻结压力参考值

2 深厚冲积层多圈孔冻结压力

深厚冲积层(>400m)冻结法凿井需采用多圈孔冻结技术，多圈孔冻结形成的冻结压力与浅部单圈孔冻结的冻结压力有何差异，一直是工程技术人员急需掌握和攻克的难点。21世纪以来，我国广大科技工作者对龙固、郭屯、郓城、涡北、赵固等矿区十几个深厚冲积层多圈孔冻结井筒冻结压力进行实测研究。对于大于400m冲积层多圈孔冻结压力的变化规律有了初步认识。

王衍森、李金华等对龙固副井、郭屯主副井、郓城主副井等深厚冲积层多圈孔冻结井筒进行冻结压力实测[5，6]，分析得到：冻结压力最大值Pmax普遍接近甚至超过重液水平地压P0，Pmax/P0的平均值 为 1.08；超过 55%～60%的地层中，7d、10d、14 d、30d冻结压力平均值分别达到最大值Pmax的 72%、77%、81%、92%。分析得到黏性土层、砂性土层Pmax与H的比值平均值分别为：0.0140、0.00745。

根据姚直书、程桦等曾对朱集、口孜东、陈蛮庄等矿10多个冻结井筒冻结压力进行研究[2，9，10]，得出冻结压力具有显著的不均匀性，同一水平实测最大冻结压力是最小冻结压力的2～4倍，得到>500m黏性土层Pmax与H的比值主要在0.00936～0.0120之间。

作者通过对赵固一矿主井、副井、风井，赵固二矿副井等4个深厚冲积层多圈孔冻结井进行了冻结压力实测，实测结果见表3，初步掌握了该矿区-197～-519m段半固结黏性土层冻结压力的显现特性，实测得到赵固矿区半固结黏性土层冻结压力最大值Pmax与土层埋深H的比值为0.01165～0.02003，平均值为0.0174。

表3 赵固一矿、赵固二矿井筒冻结压力实测结果汇总表

冻结压力实测普遍存在测点难以保护、数据离散性大，长期观测困难等问题，但已获得大量可贵的实测数据和成果，对深厚冲积层冻结井筒冻结压力实测结果分析和应用具有重要实用价值。分析多位学者实测获得的结果，深厚冲积层冻结压力的一般特征有：①冻结压力沿井筒周向具有显著的不均匀性；②冻结压力的增长过程基本具有早期急剧增长，随后增速减小保持缓慢增长(或趋于稳定，个别地层冻结压力达到峰值后下降)的特点，外层井壁混凝土浇筑后7d、10d、14d、30d的冻结压力达到最大冻结压力的平均值分别达到57.6%、65%、72.2%、84.2%；③多圈孔冻结壁较单圈孔冻结壁厚度和强度增大，同质同深土层的地压所产生蠕变变形比单圈孔冻结壁小，但实测多圈孔冻结井筒同土性的冻结压力峰值与测点埋深比值普遍较大，说明多圈孔布置方式和冻结工艺对冻结壁内冻胀力的影响较为显著，多圈孔冻结比单圈孔冻结的冻胀力普遍增大，造成了同深度冲积层多圈孔冻结压力大于单圈孔冻结压力。

建议冻结压力可划分为由冻结壁变形引起的变形压力和地层冻胀引起的冻胀力组成。建议深厚冲积层(>400m)冻结压力Pd按式(2)计算：

Pd=0.01(Kb+Kdz)H

(2)

式中，Kb为冻结壁变形和深度影响系数，计算砂性土层冻结压力最大值取0.75～0.85，黏性土层冻结压力最大值取0.96～1.14；Kdz为冻胀力影响系数，与土层冻胀特性、冻结孔布置方式、冻结壁形成过程、冻结壁平均温度、井帮温度、井壁筑壁材料水化温升特性等因素有关，取0.17～0.38；H为计算深度。

根据式(2)分析得到黏性土层冻结压力最大值见公式(3)：

Pd=(0.0113～0.0152)H

(3)

3 冻结压力标准值及混凝土早期强度取值建议

3.1 冻结压力标准值取值

按照《煤矿立井井筒及硐室设计规范》(GB 50384—2016)关于冻结压力标准值的取值规定，外层井壁承受的冻结压力标准值Pd，k可按表4选取。

表4 冻结压力标准值

Pd，k=(0.009～0.012)H

(4)

3.2 混凝土早期强度取值

对于深厚冲积层冻结压力实测表明，外层井壁砌筑后较短的时间内就要承受冻结压力，因此仅按传统做法对外层井壁的28d强度进行设计不足以满足外层井壁的承受冻结压力不破坏的要求，应对井壁混凝土早期强度及不同龄期强度作出要求，并实现深井井壁现浇混凝土水化热引起冻结壁较多的融化而引起较多的冻胀压力而不破坏，并在今后新制定或修订的规范中列入相应的规范。根据冻结压力实测结果，建议：冻结法凿井外层井壁采用钢筋混凝土结构时，混凝土应具有低温高早强、低水化热特征；混凝土绝热温升不宜大于50℃；混凝土1d强度不应低于设计强度的30%。