0 引 言

冻结法凿井是井巷工程应用人工制冷技术暂时冻结地下水以加固不稳定冲积层、松软含水层、富水砂层的特殊施工方法[1-2]。自1955年以来，我国应用冻结法施工了千余个立井井筒，已经成为世界上冻结法应用最多的国家[3]。该方法主要利用不透水且抗压强度较高的冻结帷幕承担地层压力、地层水冻结成冰产生的冻胀压力与渗流压力等，故冻结壁发育正常与否是冻结法凿井施工的成败关键。随着建设井筒深度的增加，冻结凿井法施工常会遇到地下水流速大(>5 m/d)、富水弱胶结砂岩层、卵砾石层、局部地下空洞等复杂地层条件，由此导致冻结壁不能按时交圈、整体强度不足等异常状况屡见不鲜，不但造成重大经济损失，也给立井井筒施工安全带来严重威胁。

自1986年焦作位村矿副井首次发生冻结壁长期不交圈状况以来[4]，国内外学者已经针对井筒冻结壁异常状况监测技术进行了研究。但是目前仍然存在由于冻结壁异常状况未能及时发现、准确评估导致冻结工期延长，甚至淹井等事故。可见，确定复杂地层条件下井筒冻结壁异常状况监测仍是制约冻结法凿井安全施工的瓶颈。追根溯源，监测难的原因在于复杂地层条件下井筒冻结壁受到诸如地质条件恶劣、边界散热复杂、施工工况较差等多重影响，往往会出现形状不规则、强度不均匀、开窗地点随机等异常状况。仅凭借有限个水文、温度监测孔难以洞察井筒整个冻结壁异常状况。因此，复杂地层条件下冻结壁异常状况判断难已经成为严重制约立井冻结施工的关键性技术瓶颈。为了实现对复杂地层条件下井筒整体冻结壁异常状况的早期预报、过程监测、效果评价，笔者综述了井筒冻结壁异常状况监测技术的研究进展，分析了各个监测技术在应用过程中存在的问题，并对未来的研究方向进行了展望。

1 冻结壁异常状况监测技术研究进展

自1955年冻结法引进国内以来，冻结壁异常状况监测技术一直是国内煤矿科技工作者研究的热点。目前主要有测温孔观测、水文孔观测、纵向测温法、超声波法和地质雷达法等。

1.1 测温孔观测

自1955年以来，我国便对测温孔监测冻结壁扩展情况进行了大量研究。经过60余年的不断研究与应用，测温孔监测冻结壁发育情况已经成为常规且不可或缺的方法，并在相关规范中做出了明确规定[5]。目前，我国利用一线总线测温技术[6]实现了对测温孔温度、去回路盐水温度等进行多点、高速、实时监测，并基于成冰公式、巴霍尔金公式、冻结时间经验计算法、数值模拟法等计算冻结壁的扩展速度、交圈时间、厚度及强度。在布置测温孔附近可直观、准确地反应冻结壁发育状况，是目前掌握井筒冻结壁温度场发展规律不可或缺的主要手段之一。

1.2 水文孔观测

水文孔观测即是判断冻结壁是否交圈的主要手段，也是判断冻结壁异常状况主要手段之一。自20世纪70年代以来,煤炭科学研究院北京建井研究所、中国矿业大学、安徽理工大学等单位就深入研究利用水文孔冒水时间、水位波动情况等指标判断冻结壁交圈状况的检测方法。于镇洪等[7]通过兖州兴隆庄矿副井冻结井筒事故提出了水文观测管不仅起到预报冻结壁交圈作用，还起到卸压的作用。90年代初，兖州矿务局第六工程处、煤炭科学研究院北京建井研究所等科研单位提出了将水文观测孔作为地下动水诱发冻结壁长期不交圈检测主要手段之一，对水文观测孔判断冻结壁交圈状况进行了系统总结[8-10]。2000年后，随着水文孔检测深度不断增加，众多学者发现水文孔常会出现不溢水等问题。李鑫等[11]发现深部水文孔滤水管被浆液堵塞，与管外含水层不沟通，导致不能判断冻结壁交圈；汪仁和等[12]总结了水文孔不溢水的原因，并提出水文孔设计及施工方法。张步俊等[13-14]在此基础上提出了水文孔设计的优化方案，以上成果为水文观测孔应用在深井冻结壁交圈状况判断奠定基础。2010年以后，随着我国煤炭开发逐步向中西部转移，常会出现水文孔报道层位含水量少，导致不能正常冒水的现象[15-20]。刘杰忠等[16]对含水率极低、水文孔水位波动、富含承压水等特殊地层中水文孔实际报道情况作判定分析，结果表明水文孔观测可以准确判断不同地层冻结壁交圈与否，在报道异常时需结合其他监测手段。汤江明等[17]针对富含承压水地层水文孔判断冻结壁交圈进行研究分析，提出水文孔有可能出现交圈后不冒水、下管后即刻冒水等异常冒水现象，往往会导致误判。唐永志等[18]进一步总结了冻结井筒水文孔异常冒水原因与冻结壁交圈判断方法，发现水文孔报道层位富水性较弱，冻胀水量小是水文孔异常冒水主要原因。以上成果均为各类复杂地层条件下冻结壁异常状况判定提供了参考。

1.3 纵向测温法

近15年来，冻结器内纵向测温监测技术已经成为判断复杂地层条件下井筒整个冻结壁异常状况的主要方法。王建平等[21]提出了冻结孔纵向测温技术，并应用灰色关联度分析方法分析了建昌营冻结井筒纵向测温数据，判定冻结壁开窗位置。周晓敏等[21-22]建立了停冻后的单孔冻土柱升温的数学计算模型，揭示了在瞬时升温过程中单孔冻土柱温度分布与时间、冻土柱半径之间的关系，实现了利用纵向测温监测数据定量推导井筒整个冻结壁的发育状况。2000年后，北京科技大学、煤炭科学研究总院北京建井研究院、山东科技大学等单位总结了纵向测温理论，利用一线总线测温技术实现了不同深度多测点的快速温度测试[22-25]。2010年以后，煤炭科学研究总院北京建井研究院应用该项技术在伊犁一矿[26-28]、塔什店煤矿副井[29-31]、东峰煤矿[32]等项目中较准确地判断出冻结“窗口”的方位，有效地解决了地下水异常流动影响冻结壁交圈的事故，成为目前全面评估冻结壁异常和安全情况的主要手段。

1.4 超声波法

超声波法是无损探测的主要方法之一，目前已经成熟地运用于众多工程岩土领域。自20世纪70年代起，国内外学者对超声波检测冻土的相关理论进行了研究。文献[33]通过试验对比了冻结砂土和粉土的波速-温度关系，发现波速与温度之间均符合指数关系，粉土波速高于砂土。傅蓉等[34]通过试验获得了冻土温度、含水率和容重等对波速的影响，结果表明冻土中声速与水分状况有关，其相关规律随土粒径而异。WANG等[35]通过试验测定了不同含水率冻结砂土、黄土和黏土在不同温度下的超声波波速，利用波速计算得到所测试样的动弹性力学参数。近年来，有学者[36-39]通过试验手段建立了单一影响因素变化情况下超声波声学参数与冻土物理力学性质之间的关系式，推动了超声波检测冻土物理力学参数理论的发展。

70年代末，杨书林[40]提出了一种声波检测冻结壁厚度的方法，指出可以在适当位置上对冻结前后各土层的声波传播速度进行测定和比较，得出冻结壁的厚度。之后，煤炭科学研究院北京建井研究所等单位利用研制的DSC-1型冻结壁声波检测仪先后在东滩副井(冻结深度151 m)和潘集三号东风井(冻结深度358.5 m)进行了超声波测量冻结壁厚度现场试验，最终得出了冻结壁的外轮廓线[41]，但是由于超声波检测信号处理技术较落后，检测精度较低。李栋国等[42]利用TICO超声波检测仪测出在反复冻融条件下的波速变化。可见，利用冻土与未冻土之间超声波声学参数的差异，采用超声波监测复杂条件下冻结壁异常状况是可行的，但仍需要针对冻结壁超声波检测信号处理进行细致的研究，以提高超声波检测的资料解释精度。

90年代初期，文献[44]在Morlet提出的短时Fourier变换[43]的基础上提出了小波变换的思想。2004年以后，母丽华等[45]发现了断层结构所对应的波谱特性，文献[46-50]对基于小波分析的超声信号去噪技术进行了深入研究，有效提高了超声波检测的资料解释精度，为冻结壁超声波检测信号处理奠定基础。2010年以后，陈乔等[51]基于波动理论，在软件平台上编写了超声波传播模拟软件，并初步探讨了孔洞、缝对声波的影响。朱生旺等[52]利用有限差分数值模拟方法研究了裂缝产状对声波衰减系数的影响。孙锡乐利用COMSOL软件建立了钻井井壁的随机介质模型[53]，获得了不同时刻的声波场演化规律。以上成果为井筒冻结壁声场-温度场耦合数值分析提供了参考。

笔者基于以上研究，提出了热-声单向耦合控制方程及数值模拟方法，获得了不同冻结阶段两冻结孔之间超声波声学参数变化规律，结果如图1所示。由图1可知，与冻结90 d相比，冻结25、40、42 d峰值声压分别衰减51.83%、51.48%、10.29%，表明利用超声波声学参数可以有效地判别冻结壁的发育状况，为利用数值分析方法提高超声波检测的资料解释精度提供理论支撑。

1.5 地质雷达法

地质雷达对电磁参数差异反映敏感[54]。冻土和未冻土之间介电常数和电阻率有很大差异[55]。因此，地质雷达被广泛应用于极地和寒区的浅层地质调查等方面。2005年宋雷等[56]提出了利用地质雷达在井帮附近判断冻结锋面的位置，探明冻结壁的分布范围,并可探测出缺陷位置，保证冻结壁的质量，避免灾害性事故的出现。孙猛等[57]利用250 MHz屏蔽天线沿井帮探测山东赵楼副井冻结壁发展状况。2011年宋雷[58]建立上海灰色粉质黏土介电常数的频散经验公式。2012年宋雷等[59]利用物理模拟，获得了人工冻结壁中冻结管、缺陷等典型目标体的雷达图像特征，发现地质雷达技术能够比较准确地确定冻结壁的实际厚度，但精细的缺陷探测(<50 mm)仍十分困难。文献[60-61]总结了地质雷达水平分辨率与地层深度关系，发现随深度增大，地质雷达分辨能力降低，探测深度在3～30 m较为合适。综上，由于地质雷达法受到探测深度较小，雷达波受无缝钢管冻结管干扰大等因素影响，很难应用于井筒掘砌前冻结壁异常状况的监测。

2 冻结壁异常状况监测技术应用及存在的问题

2.1 应用实例

新疆塔什店煤矿副立井井筒，设计净直径6.5 m，深度687.5 m，原设计采用普通法施工，掘进施工到深度345.8 m时，遇到第三系桃树园组地层突水，伴随大量涌砂，瞬时涌水量达430 m3/h，导致淹井；后改用冻结法施工，设计单圈冻结孔35个，深度492 m。

冻结过程中由于既有井筒已回灌至静水位，无法在中部布置水文孔，故仅布置测温孔3个。冻结89 d后，3个测温孔数据正常，初步判断冻结壁已按设计交圈。但当井筒内水抽到工作面后，工作面仍有约5.4 m3/h涌水。经冻结器内纵向测温，发现Z22、Z23号冻结孔在350～370 m深处，温度存在明显异常，判断此处冻结壁局部存在“窗口”。待井筒开挖后证明冻结器内纵向测温推测窗口位置准确，但利用单孔冻土柱升温的数学计算模型推断的冻结壁开窗间距与实际偏差较大。待进行工作面注浆后，将止浆垫预留的孔口管与井筒输水管路连接作为水文观测孔，并向井筒内注水至静水位继续冻结。最终，通过先后进行4次纵向测温数据对比情况与水文孔水位溢出井口判断冻结壁不但交圈而且具备一定的强度。

2.2 存在的问题

由此应用实例总结目前冻结壁异常状况监测技术存在以下问题：①测温孔布置位置固定，当位置与冻结壁开窗位置距离较远时无法准确反映开窗位置冻结壁温度变化情况；②水文孔无法布置在事故井筒冻结工程当中，且无法定量判断冻结壁开窗位置、大小，只能作为冻结壁异常状况检测的辅助手段之一；③纵向测温法施工过程中需要经历“停止盐水循环4～6 h→切割羊角→下测温线→多点测温→提测温线”等步骤，具有停冻准备时间长，测试人员多等缺点。在理论方面纵向测温法受到理想冻土圆柱假设的限制，无法准确推断受到渗流影响后形状不规则的冻结壁实际开窗距离；④在复杂地层条件下亟需应用无损检测方法，以期实现井筒整体冻结壁发育状况的早期预报、过程监测、效果评价。

3 冻结壁异常状况监测技术研究展望

随着我国新建井筒向西部转移，水文地质条件及周边环境越来越复杂，井筒冻结壁异常状况监测技术面临新的机遇与挑战。

3.1 纵向测温监测技术研究展望

1)需攻克纵向测温监测线长期布设于冻结器中的难题。在此方面，笔者及团队提出了一种用于纵向测温的冻结器及纵向测温方法，改进了冻结器结构形式。目前该项技术在东峰煤矿得到应用，期望今后能够得到推广应用。

2)纵向测温数据需结合目前成熟的温度场-渗流场数值反演分析方法，提升冻结壁开窗距离的预测精度。

3.2 超声波监测技术研究展望

1)需攻克超声波检测冻结壁异常状况的相关理论，主要科学问题包括：超声波声学参数与冻结壁物理力学参数相关性、冻结壁异常状况超声波响应特征、冻结壁声学参数信号处理等，提高超声波检测的资料解释精度。

2)需引进与试制检测深度大的超声波跨孔检测设备。目前国内超声波跨孔检测设备最大检测深度一般在100～150 m。美国PDI公司的CHAMP型声波透射法检测仪可扩展检测深度达200～250 m。为了能够满足深井冻结壁检测需求，需试制具有自主知识产权且检测深度不小于500 m的低电压降跨孔检测设备。

3.3 冻结壁异常状况监测体系研究展望

目前，冻结壁发育状况监测技术已经取得一系列卓有成效的研究成果，但仍需形成冻结壁异常状况监测体系。建议将监测体系分为未冻结阶段、过程评价阶段、效果评价阶段(图2)。

1)未冻结阶段：利用超声波跨孔监测手段探明孔间的地层条件，针对特殊地层(空洞、宽裂隙等)及时采取注浆充填等有效措施，减少冻结壁出现异常状况的风险。

2)过程评价阶段：建立以测温孔、水文孔、冻结器内纵向测温、冻结壁超声波监测四位一体的冻结壁发育状况监测体系，应用多参量指标分析法尽早发现冻结壁出现的异常状况，及时采取有效措施，确保冻结效果。

3)效果评价阶段：借鉴多指标综合评价法相关理论准确地评价冻结壁的发育状况，由此可实现井筒整体冻结壁发育状况的早期预报、过程监测、效果评价。

4 结 语

冻结壁异常状况监测技术主要包括测温孔观测、水文孔观测、纵向测温法、地质雷达法、超声波法等。由于复杂地层条件下井筒冻结壁往往会出现形状不规则、强度不均匀、开窗地点随机等异常状况，监测难度非常大。目前无法实现复杂地层条件下井筒整体冻结壁发育状况的早期预报、过程监测、效果评价，已经成为严重制约复杂地层立井冻结施工的关键性技术瓶颈。建立以测温孔、水文孔、冻结器内纵向测温、冻结壁超声波监测四位一体的冻结壁发育状况监测体系，辅以多参量指标分析法和实验室标定，预期能够实现快速、定量判断复杂地层条件下井筒冻结壁异常状况，应用前景广阔。

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