曾凡偉，劉民東，李功洲

(1.河南國龍礦業(yè)建設有限公司，河南 鄭州 450000；2.焦作煤業(yè)(集團)有限責任公司，河南 焦作 454002；3.中國電子工程設計院有限公司，北京 100142)

凍結壓力是指凍結段掘砌過程中由凍結壁施加于外層井壁上的臨時荷載或施工荷載，它是外層井壁設計荷載計算的依據，也是影響外層井壁穩(wěn)定性、施工安全性的主要因素。凍結壓力是凍結壁變形(包括彈性、蠕變、塑性變形)、凍結過程中形成的凍脹力釋放、井壁壁后凍土層融化及融土回凍時的凍脹變形等多因素對井壁作用的結果。合理確定凍結壓力取值，對外層井壁結構、強度和厚度科學設計及井壁混凝土強度增長特性要求均具有重要的理論和現(xiàn)實意義，因此長期以來一直是該領域的科技工作者最為關注和研究熱點[1-3]。

現(xiàn)有凍結法鑿井外層井壁設計理論，將凍結壓力作為外層井壁所承受的水平荷載，但現(xiàn)行《煤礦立井井筒及硐室設計規(guī)范》(GB 50384—2016)規(guī)范只有<500m沖積層的凍結壓力標準值取值，缺少關于≥500m沖積層凍結壓力取值規(guī)定。研究凍結壓力的方法有理論、物理模擬、現(xiàn)場實測等方法，基于現(xiàn)場實測結果研究確定外層井壁設計中凍結壓力取值更具說服力。國內工程科技工作者對凍結壓力進行過大量實測，取得大量的實測結果為這些凍結井筒安全施工和井壁設計提供了大量有用的數(shù)據。我國凍結壓力的實測工作自1964年開始，2000年之前重點檢測了<350m沖積層(含黏性土層和砂性土層)的11個單圈孔凍結井筒的凍結壓力特性；2000年以來，重點檢測≥350m沖積層的16個以上多圈孔凍結井筒的凍結壓力特性。本文基于這些大量的現(xiàn)場實測資料分析提出深厚沖積層凍結法鑿井外層井壁設計中凍結壓力標準值取值建議，為>500m深厚沖積層凍結井外層井壁設計提供參考。

1 350m以淺沖積層單圈孔凍結的凍結壓力

影響凍結壓力大小和變化特征的主要因素有土層埋深、土層性質(包括顆粒大小、含水率、蠕變特性、凍脹特性)、凍脹力，以及凍結壁的整體強度、抗變形能力。凍結孔布置方式、凍結壁平均溫度和井幫溫度對凍脹力的大小和凍結壁蠕變變形影響較大，井壁結構形式、混凝土(早期)強度、井壁掘砌施工工藝、井筒斷面形狀及尺寸等對凍結壁變形也有較大影響，因此間接地影響凍結壓力。煤科總院北京建井研究所、中國礦業(yè)學院、淮南煤炭學院曾對兗州礦區(qū)、兩淮礦區(qū)等多個礦區(qū)11個單圈孔凍結井筒的凍結壓力特性進行系統(tǒng)實測，實測邢臺礦區(qū)、兗州礦區(qū)、兩淮礦區(qū)凍結井筒不同地層、不同深度的凍結壓力見表1。通過對實測資料的綜合分析得到如下結論[3]：①外層井壁砌筑初期凍結壓力增長速度較快，隨時間的延續(xù)，增長速度減緩。要求井壁支護強度增長率必須大于凍結壓力的增長率；②同一水平凍結壓力普遍存在不均勻現(xiàn)象，在外層井壁結構設計時應進行不均勻受力計算；③黏性土層凍結壓力明顯大于砂性土層凍結壓力；④同性土層的凍結壓力隨著埋深的增加而增大，但并不是線性增加?；诂F(xiàn)場實測成果，國內相關研究單位和學者歸納總結提出單圈孔凍結黏性土層凍結壓力計算經驗公式[1，4]。

實測結果表明，在一定埋深范圍內基本可用線性回歸實測凍結壓力參考值，用以概括一般黏土層凍結壓力隨埋深增大的特性，但凍結壓力Pd與埋深H的比值并不是固定的常數(shù)，而且隨埋深增大呈緩慢遞減趨勢，如圖1所示。淺部凍結壓力Pd與埋深H的比值較大，深部的凍結壓力Pd與埋深H的比值下降，黏性土層凍結壓力Pd與埋深H的比值在埋深300～350m基本趨于0.01以下，即凍結壓力降至靜水壓力以下。從凍結壓力組成分析，凍結過程中凍脹力一直存在，凍脹力值大小與凍結狀況、土性等有關，但與埋深關系不大；凍結壁蠕變等反映地壓和掘砌應力重新分布引起的變形是隨著埋深增加而加大。

表1 單圈孔實測凍結壓力與土層特性、土層埋深的關系

圖1 小于400m沖積層凍結井筒凍結壓力與埋深的比值(Pd/H)變化趨勢

通過對小于400m沖積層凍結井筒凍結壓力實測回歸曲線分析，回歸埋深(>100m)凍結壓力計算公式為：

Pd=0.01ΨdH

(1)

式中，Pd為不同深度的凍結壓力，MPa；H為計算深度，m；Ψd為凍結壓力隨深度變化系數(shù)，見表2。

表2 不同深度黏性土層的凍結壓力參考值

2 深厚沖積層多圈孔凍結壓力

深厚沖積層(>400m)凍結法鑿井需采用多圈孔凍結技術，多圈孔凍結形成的凍結壓力與淺部單圈孔凍結的凍結壓力有何差異，一直是工程技術人員急需掌握和攻克的難點。21世紀以來，我國廣大科技工作者對龍固、郭屯、鄆城、渦北、趙固等礦區(qū)十幾個深厚沖積層多圈孔凍結井筒凍結壓力進行實測研究。對于大于400m沖積層多圈孔凍結壓力的變化規(guī)律有了初步認識。

王衍森、李金華等對龍固副井、郭屯主副井、鄆城主副井等深厚沖積層多圈孔凍結井筒進行凍結壓力實測[5，6]，分析得到：凍結壓力最大值Pmax普遍接近甚至超過重液水平地壓P0，Pmax/P0的平均值 為 1.08；超過 55%～60%的地層中，7d、10d、14 d、30d凍結壓力平均值分別達到最大值Pmax的 72%、77%、81%、92%。分析得到黏性土層、砂性土層Pmax與H的比值平均值分別為：0.0140、0.00745。

根據姚直書、程樺等曾對朱集、口孜東、陳蠻莊等礦10多個凍結井筒凍結壓力進行研究[2，9，10]，得出凍結壓力具有顯著的不均勻性，同一水平實測最大凍結壓力是最小凍結壓力的2～4倍，得到>500m黏性土層Pmax與H的比值主要在0.00936～0.0120之間。

作者通過對趙固一礦主井、副井、風井，趙固二礦副井等4個深厚沖積層多圈孔凍結井進行了凍結壓力實測，實測結果見表3，初步掌握了該礦區(qū)-197～-519m段半固結黏性土層凍結壓力的顯現(xiàn)特性，實測得到趙固礦區(qū)半固結黏性土層凍結壓力最大值Pmax與土層埋深H的比值為0.01165～0.02003，平均值為0.0174。

表3 趙固一礦、趙固二礦井筒凍結壓力實測結果匯總表

凍結壓力實測普遍存在測點難以保護、數(shù)據離散性大，長期觀測困難等問題，但已獲得大量可貴的實測數(shù)據和成果，對深厚沖積層凍結井筒凍結壓力實測結果分析和應用具有重要實用價值。分析多位學者實測獲得的結果，深厚沖積層凍結壓力的一般特征有：①凍結壓力沿井筒周向具有顯著的不均勻性；②凍結壓力的增長過程基本具有早期急劇增長，隨后增速減小保持緩慢增長(或趨于穩(wěn)定，個別地層凍結壓力達到峰值后下降)的特點，外層井壁混凝土澆筑后7d、10d、14d、30d的凍結壓力達到最大凍結壓力的平均值分別達到57.6%、65%、72.2%、84.2%；③多圈孔凍結壁較單圈孔凍結壁厚度和強度增大，同質同深土層的地壓所產生蠕變變形比單圈孔凍結壁小，但實測多圈孔凍結井筒同土性的凍結壓力峰值與測點埋深比值普遍較大，說明多圈孔布置方式和凍結工藝對凍結壁內凍脹力的影響較為顯著，多圈孔凍結比單圈孔凍結的凍脹力普遍增大，造成了同深度沖積層多圈孔凍結壓力大于單圈孔凍結壓力。

建議凍結壓力可劃分為由凍結壁變形引起的變形壓力和地層凍脹引起的凍脹力組成。建議深厚沖積層(>400m)凍結壓力Pd按式(2)計算：

Pd=0.01(Kb+Kdz)H

(2)

式中，Kb為凍結壁變形和深度影響系數(shù)，計算砂性土層凍結壓力最大值取0.75～0.85，黏性土層凍結壓力最大值取0.96～1.14；Kdz為凍脹力影響系數(shù)，與土層凍脹特性、凍結孔布置方式、凍結壁形成過程、凍結壁平均溫度、井幫溫度、井壁筑壁材料水化溫升特性等因素有關，取0.17～0.38；H為計算深度。

根據式(2)分析得到黏性土層凍結壓力最大值見公式(3)：

Pd=(0.0113～0.0152)H

(3)

3 凍結壓力標準值及混凝土早期強度取值建議

3.1 凍結壓力標準值取值

按照《煤礦立井井筒及硐室設計規(guī)范》(GB 50384—2016)關于凍結壓力標準值的取值規(guī)定，外層井壁承受的凍結壓力標準值Pd，k可按表4選取。

表4 凍結壓力標準值

Pd，k=(0.009～0.012)H

(4)

3.2 混凝土早期強度取值

對于深厚沖積層凍結壓力實測表明，外層井壁砌筑后較短的時間內就要承受凍結壓力，因此僅按傳統(tǒng)做法對外層井壁的28d強度進行設計不足以滿足外層井壁的承受凍結壓力不破壞的要求，應對井壁混凝土早期強度及不同齡期強度作出要求，并實現(xiàn)深井井壁現(xiàn)澆混凝土水化熱引起凍結壁較多的融化而引起較多的凍脹壓力而不破壞，并在今后新制定或修訂的規(guī)范中列入相應的規(guī)范。根據凍結壓力實測結果，建議：凍結法鑿井外層井壁采用鋼筋混凝土結構時，混凝土應具有低溫高早強、低水化熱特征；混凝土絕熱溫升不宜大于50℃；混凝土1d強度不應低于設計強度的30%。