0 引 言
板集煤矿为新建的大型矿井，副井井筒设计直径为7.3 m，穿过表土冲积层厚度约581.0 m，设计深度为795.4 m，采用钻井法施工。地层由老到新依次有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和新生界。新生界松散层自上而下大致分为一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和四含共计4个含水层(组)和3个隔水层(组)。其中，四含厚度介于39.80～175.70 m，平均83.66 m左右，由上部的厚层中、细砂层和下部的砂砾层组成，其中砂层厚度大，富水性中等，全井田均有分布，且大部分与基岩直接接触，是基岩含水层的重要补给水源[1-3]。
2009年4月18日，板集煤矿副井井筒发生突水涌砂事故，专家组对事故调查后认为：突水事故的直接原因是上覆岩层受重复扰动影响，使得井筒受拉破裂，诱发井筒壁后四含水涌入井筒。通过研究分析，板集煤矿副井井筒采用以下综合治理方案：先钻探查明地层扰动情况，然后通过地面预注浆充填加固地层，再采用冻结法形成井筒排水修复保护帷幕，最后进行井筒套壁修复加固。根据专家对出水点位置分析的结果，出水点应位于表土段第三隔水层以下至基岩风化带，其具体位置不明确，且井壁破坏程度及其范围亦不明确。为减小冻胀力对上部完好井壁影响，并确保下部破损井壁安全修复，要求采用控制冻结技术进行地层冻结，且冻结壁应具有一定的强度和厚度，冻结深度应穿过基岩风化带进入稳定不透水基岩。
在控制冻结研究方面，文献[4-5]为了提高局部复杂地层的冻结效率，提出了一种冻结管差异温度优化冻结方案，并研发了单管双循环冻结器。石荣剑等[6]针对地下有流水时盐水帷幕冻结方法无法形成封闭冻结壁的情况，采用液氮低温快速冻结的方式对局部未封闭区域进行补强冻结，其研究表明利用液氮快速冻结的特点，进行盐水帷幕冻结下的局部补强冻结，可以有效封堵地下流水，解决盐水冻结不能形成封闭冻结帷幕的难题。王绍君等[7]为了解决外界低温引起的基坑局部土体冻胀，提出了在基坑侧壁贴设保温板以控制土体冻胀的防护措施，为类似工程提供了参考。综上所述，目前国内外对于控制冻结技术的研究成果较少，并且关于该技术在破损井筒修复中的运用尚无成功先例，为了给类似工程提供参考依据，将对板集矿区副井井筒修复过程中的控制冻结技术进行系统的分析。
1 控制冻结方案设计
1.1 设计依据
1)通过对现场突水成分进行分析，发现井筒内突水成分含有大量的砂与少量的岩块，据此可以判断井壁出水点在基岩风化带以上部位。
2)通过对水位观测孔水位进行分析，发现三含以上含水层水位没有变化，四含水位变化明显，据此可以判断，井筒突水水源来自四含或四含以下含水层。
3)通过对突水量进行分析计算，发现平均涌水量为18 700 m3/h，据此可以判断井壁破坏范围较大。
基于上述情况，2009年4月专家组会议决定，采用“地面预注浆+冻结法”修复井壁，即利用注浆法改善土体及井壁壁后充填物性能，利用冻结法封水修复井壁，要求冻结壁具有一定的强度和厚度。2010年5月27日专家组会议对冻结方案提出了优化意见，即采取局部控制冻结，双供液管隔温，设置水文孔释放早期冻胀力，采用淹井冻结等。结合对地质资料的分析结果，最终确定冻结深度为673 m，累深380 m以上地层采用双供液管工艺实现控制冻结。
1.2 设计参数
1)冻结孔布置。按维亚洛夫—扎列茨基公式[8-11]计算得到冻结壁厚度为5.0 m。为使冻结壁快速交圈，迅速达到设计厚度，增强抵抗地层扰动后性能弱化所带来的其他风险能力，采用双排孔布置。冻结孔具体布置参数见表1。冻结孔的排布方式如图1—图2所示。
表1 冻结孔布置参数
Table 1 Layout parameters of freezing holes
项目冻结圈径/m孔数孔间距/m孔深/m冻结方式外圈冻结孔19.6421.465673全深冻结内圈冻结孔13.9321.364660局部冻结
图1 冻结管分布平面
Fig.1 Schematic diagram of distribution of frozenpipes
图2 地层分布以及冻结管布置剖面
Fig.2 Schematic diagram of formation distribution and freezing pipe arrangement
2)冻结器设计。外圈孔冻结管采用ø159 mm×(5～7)mm(直径×壁厚)的无缝钢管内管箍连接，下ø75 mm×6 mm的聚乙烯塑料软管作供液管。内圈冻结孔(内圈孔)深380 m以浅采用ø168 mm×6 mm低碳钢无缝钢管，外管箍焊接连接，内下双ø70 mm×5 mm聚乙烯塑料软管；380 m以深采用ø159 mm×7 mm低碳钢无缝钢管，内管箍焊接，内下ø70 mm×5 mm聚乙烯塑料软管。具体结构如图3所示。
图3 冻结器结构
Fig.3 Structure diagram of freezing pipes
3)测温孔以及水文孔布置。副井共计施工7个测温孔，其中内圈冻结孔内设置4个，分别为C4、C5、C6、C7，孔深分别为660、660、490、660 m；内、外圈冻结孔之间设置2个，分别为C2、C3，孔深分别为673、400 m；外圈冻结孔外部设置1个，为C1，孔深673 m。测温管采用ø108 mm×4.5 mm无缝钢管外管箍连接。为减小井壁受冻胀影响，在冻结壁内侧布置一定数量的水文孔，以释放早期冻胀力。在冻结壁内侧(内圈孔与井壁之间)布置4个水文孔S1、S2、S3、S4，孔深分别为386、386、581、581 m，S1、S2采用双层报导，管内设置隔板，释放二含、三含内的冻胀水，层位分别为深102～121 m与深131～386 m；S3、S4采用单层报导，释放四含内的冻胀水，层位为深544～581 m。花管设置在厚度较大的砂性土层中。水文孔采用ø159 mm×5 mm无缝钢管内管箍连接，具体结构如图4所示。
2 冻结施工与监测
2.1 冻结钻孔
副井共设计84个钻孔，总长度为55 306 m。其中：冻结孔共74个，总长为49 386 m；测温孔6个，总长为3 986 m；水文孔4个，总长为1 934 m。
图4 水文管构造示意
Fig.4 Schematic diagram of hydrological pipe structure
副井表土层厚度大(581.3 m)，冻结孔深度较深(673 m)，进入基岩长度90 m。根据探注孔施工经验，由于地层受扰动影响，钻孔施工过程中，表土层坍塌、粘钻、漏水现象严重，且基岩段钻进困难。并且，表土段砂层与黏土层交界面灌浆水泥互相交叠，地质条件极为复杂，容易造成孔斜，成孔效率低[12-14]。根据地层特点及现场施工条件，选择钻孔能力强的TSJ-2000(A)水井钻机进行施工，由于井口永久井架限制了施工空间，将2台高24.6 m钻塔改造为高15.3 m，满足现场施工要求。
钻孔结构力求简单，冻结孔钻进一径到底，钻孔孔径应与冻结管径相匹配：由于外圈孔、测温孔及水文孔所下的冻结管规格均不大于ø159 mm，而内圈孔深380 m以浅管径168 mm，因此孔径取190 mm即可达到要求。
由于井筒周围原始地层被破坏，钻进过程中有可能出现泥浆漏失的情况，因此前期用ø190 mm的钻头开孔，遇漏及时起钻，随后用ø311 mm钻头扩孔，下ø219 mm套管进行注浆，最后用ø190 mm钻头成孔，安放冻结管。
2.2 制冷工艺
根据冷量计算，冷冻站配置15组螺杆压缩制冷机组进行制冷，标准制冷量为1.092×108 kJ/h，工况制冷量达3.452×107 kJ/h，富余系数为1.15。
盐水温度控制在-30～-34 ℃，盐水浓度为29.8°Be，采用双去双回供液方式，即外圈孔与内圈孔盐水系统独立。外圈孔盐水流量W=691 m3/h，计算扬程H=66 m，选用300S-90A型水泵2台(备用1台)作为盐水泵(功率280 kW、流量756 m3/h、扬程为78 m)，盐水干管选用ø377 mm钢管。内圈孔盐水流量W=408 m3/h，计算扬程H=76 m，选用300S-90B型水泵2台(备用1台)作为盐水泵(功率220 kW，流量720 m3/h，扬程为67 m)，盐水干管为ø325 mm钢管。
内圈孔采用正循环局部冻结方式，即盐水从长供液管进入冻结器，并经冻结器底部进入冻结器环形空间，最后经短供液管流出冻结器。通过计算分析，当井壁外缘温度达到-3.0 ℃时，控制内圈孔冻结，即减小其盐水流量，控制盐水温度，使得冻土不再向井筒内发展。外圈孔滞后内圈孔30 d开冻。外圈孔采用正循环方式冻结，即盐水从供液管进入冻结器，经冻结器底部进入冻结器环形空间，最后经冻结器顶部流出冻结器。当冻结壁外侧厚度达到1.2 m时，控制外圈孔冻结，即减小其盐水流量，控制盐水温度，使得冻土不再向外侧发展。
2.3 冻结施工检测、监控
冻结施工检测、监控可为冻结法施工提供及时的反馈信息，这些信息是判断冻结壁的发展情况以及对冻结方案进行调整的主要依据[15-17]。
1)冻结孔施工过程监测。根据每个孔钻具长度来计算钻孔的深度；冻结管下管前地面丈量配管，下管完成后使用测绳测量其深度。
冻结孔偏斜检测又分为指导钻进偏斜监测(不提钻测斜)和成孔偏斜检测。指导钻进偏斜监测，每30 m测斜一次；成孔偏斜每孔必测，上下复测，对于偏斜及孔间距超过规定者应及时纠偏。下完冻结管后要立即进行水压试漏。
2)冷冻站制冷系统运转指标监测。通过对冷冻站的氨系统、盐水系统、冷却水系统这三大循环系统中的温度、压力等进行监测，分析冷冻站的运转指标，以确保其安全有效地制冷。
监测方式：分别在循环管路中安设测温元件、压力计等来实现上述指标的监测。监测周期是从冻结运转至结束，对冷冻站运转设备及各部位观测点进行不间断连续观测。
3)冻结制冷盐水温度、流量和盐水水位变化的实时监测。了解每个冻结器的工作状况，以及全部冻结管的平均散热能力。保证对每根冻结管提供足够的冷量，确证冻结壁的形成。对盐水水位变化监测，可及时掌握和控制盐水系统运转情况和盐水漏失现象，保证冻结壁的均衡发展和安全性。
监测方式：采用便携式超声波流量计测量制冷系统的盐水流量；在每个冻结器的回路上安装测温元件观测去回路温差；在每个盐水箱上安装电子液位自动显示报警器监测盐水漏失情况。
4)冻结壁温度场和厚度监测。为掌握冻结壁温度发展状况，设计在冻结壁内侧与井壁之间布置4个测温孔，其位置按4个方向均匀布置，以掌握冻结壁内侧发展情况；在冻结壁中部和外侧布置测温孔，以掌握冻结壁中部及外侧发展情况，测温孔位置如图1所示。
监测方式：采用国产的CW-500多路数字温度采集仪监测冻结温度。该仪器主要性能：测量最大点数720个，分辨率0.1 ℃，最大测深1 000 m。该监测系统自动化程度高、性能稳定。从冻土积极冻结开始时即进行温度监测，直到井筒冻结段施工完毕。在积极冻结过程中，8 h监测一次，在维持冻结过程，每1～2 d监测一次。
5)水文孔水位及温度监测。为减小内侧冻结壁内冻胀力对井壁的影响，在内圈孔与井壁之间设置水文孔用来释放冻胀力。
监测方式：在井壁与内圈孔之间布置4个水文孔，开始冻结后，每天监测水文孔内水位变化情况。
3 冻结数据分析与控制
3.1 冻结壁发展预测
冻结设备于2011年6月27日开始运转，整个冻结过程中制冷设备运转正常。根据冻结孔、测温孔的实际位置，采用有限元数值计算软件COMSOL Multiphysics进行计算，其几何模型如图5所示；基于各个层位土体的热物理参数的试验结果以及每个测温孔实测数据对冻结壁的发展规律进行模拟计算；通过前期实测数据与数值计算结果的对比分析，验证了数值计算的合理；基于该数值计算模型对各个层位的冻结温度场的整体发展规律进行预测，并根据预测结果提出相应的控制冻结改进措施。
图5 深400层位冻结温度场数值计算几何模型
Fig.5 Geometric model for numerical calculation of the 400 layer freezing temperature field
冻结壁所处的土层主要为细砂、砂质黏土、钙质黏土、粉细砂、中粗砂和泥岩，对这些土层分别在现场钻取土样，然后进行冻土热物理性能试验，分别获取了各土层的导热系数、比热容、冻结温度等热物理力学参数。数值计算模型中，各岩土层的热物理力学参数取值见表2。
表2 各个层位的土层的热物理参数
Table 2 Thermophysical parameters of soil layers at various horizons
埋深/m岩性状态密度/(kg·m-3)导热系数/(J·ms-1· ℃-1)比热容/(kJ·kg-1· ℃-1)冻结温度/℃相变潜热/(kJ·kg-1)冻结壁交圈时间/d100细砂未冻土冻土1 9351.4631.4551.7841.242-1.1444.0120200砂质黏土未冻土冻土1 9581.4151.5061.7051.325-2.1048.5115300钙质黏土未冻土冻土1 9491.3981.5171.6351.362-2.3250.5113400粉细砂未冻土冻土2 0241.4751.3721.8151.071-1.1044.095500中粗砂未冻土冻土2 0551.4661.4021.7961.175-1.4144.5100600泥岩未冻土冻土2 1501.5221.2571.8571.053-2.4345.5106
为了验证数值计算的合理性，选取埋深400 m层位处测温孔的实测数据与数值计算数据进行对比，如图6所示 。由图6可知测温孔的实测数据与数值计算结果基本一致，其误差绝对值均小于5%，因此通过数值计算对各个层位的冻结温度场的发展情况进行预测是完全可行的。
图6 不同测点模拟与实测结果对比
Fig 6 Comparison of simulated and measured results of different measuring points
图7为深300 m(内圈孔处于控制冻结段)和深400 m(内圈孔处于有效冻结段)层位处冻结壁发展情况的预测结果。2个层位冻结孔实际成孔位置差别较小，且深300 m层位的土体可冻性优于深400 m层位的土体，但由于深380 m以浅内圈孔采取了控制冻结技术，因此深300 m处的冻结壁向内发展的速度明显小于深400 m处的冻结壁向内发展的速度，随着冻结时间的增加，2个层位的冻结壁的差距愈发明显，当冻结时间达到120 d时，深400 m处的冻结壁已经向内扩展至井壁外缘位置，而深300 m处的冻结壁距离井壁外缘还有1.5 m，并且后者的平均温度明显高于前者，由此说明对深380 m以浅的土层采取控制冻结措施可以有效减缓冻结壁的扩展速度，能够避免冻胀压力对上部井壁的破坏。另外，局部冻结器的控制冻结段的保温效果是影响控制冻结效果的关键因素，现场实测结果表明，控制冻结段的最低温度仅为-13 ℃，能够有效限制冻结壁向内侧的发展速度。
图7 冻结壁温度场预测
Fig.7 Prediction of the frozen wall
根据每个层位冻结孔与井壁的实际距离，通过数值计算可以得到每个位置处的冻结壁发展到井壁位置处的时间，将时间的数值通过线段长度的形式绘制到冻结孔的分布圈上，可以得出不同位置处冻结时间的大小对比关系，如图8所示，并以此为依据进行冻结孔供冷量的调整从而保证冻结壁发展均匀。图8中冻结壁达到井壁的时间是该层位冻结壁发展整体达到井壁所需要的时间。
由图8可见，由于冻结孔之间相互影响，单根冻结管向内侧偏移会导致与之临近冻结孔的作用区域发展到井壁需要的整体时间变短。为了防止冻结后期冻胀压力对井壁产生不利影响，需要对冻结壁发展速率较快的部分实行控制冻结，即通过降低流量来减缓该位置处的冻结速率，从而保证在冻结壁全部位置完成交圈且达到一定强度之前冻胀压力不会对内侧的井壁产生二次破坏。
图8 不同层位的冻结壁发展到井壁的时间
Fig.8 Time for development of frozen walls of different horizons to borehole wall
综合深400、500、600 m层位的冻结规律可得，N12、N19、N22、N26、N32冻结孔向靠近井壁的方向偏移，对应位置冻结壁发展到井壁的时间较短，因此需要在冻结过程中对上述冻结管的盐水流量进行适当控制。于2011年8月26日(冻结61 d)将上述冻结管的冷量供应进行调整，调整其流量为原流量的2/3。
3.2 冻结温度实测分析
位于内圈冻结孔与井壁之间的测温孔实测数据如图9所示(C6测点后期线路被破坏，测试数据提供至870 d)。对温度沿着深度方向的变化规律进行分析可得，由于内圈冻结孔采用了控制冻结技术，因此在冻结控制界面，即深380 m层位附近的冻结温度发生了突变，该层位以浅的地层温度较以深的地层温度高5 ℃左右，从而有效控制了该层位井壁受冻胀影响。对温度随时间的变化规律进行分析可以发现，在第61 d对部分冻结孔的冷量进行控制之后，并没有对整个层位的冻结温度场产生明显的影响，即没有对冻结壁的整体扩展速度带来不利影响。
截止2011年11月26日，冻结机组运转153 d，此时各层位的冻结壁已经全部交圈，且冻结壁厚度和平均温度均可以满足设计试排水要求。经过冻结专家组、矿方、施工单位综合评议，决定于2011年11月26日20:00开始副井井筒内第1阶段排水试验。试排水期间，通过多种方法密切关注冻结壁变化情况，主要通过测温孔和冻结器的温度变化进行分析。经分析可知，7个测温孔和全部冻结器试排水前后温度降幅基本一致，由此可知冻结壁完好。
2011年12月16日(冻结173 d)进入维护冻结阶段，在该阶段通过减少单孔流量以及减停机组等方式进行控制冻结，形成的冻结壁位于井壁的外缘，同时保证冻结壁整体温度维持在合理的范围内，在维护冻结的初始阶段冻结温度场呈现轻微波动状态。当冻结温度场稳定之后，进行井筒排水，2012年10月30日(冻结459 d)，井筒排水以及清淤工作基本完成，并开始对副井井筒与井底车场连接处进行修复。在井筒排水过程中，井筒受到外部空气的热扰动，温度略为上升后逐渐保持稳定。2013年6月3日(冻结708 d)，对副井的井筒进行全井筒修复工作，为了防止井筒套壁过程中混凝土水化热对冻结温度场造成较大的影响，在井筒套壁之前，进行强化冻结，即恢复部分减停的冻结机组，在冻结机组正常运转之后，开始井筒套壁施工，由于供冷量充足，冻结温度场没有发生大幅度的变化，在套壁施工至控制冻结界面(深380 m)以浅层位时，再次进入稳定冻结阶段，2014年7月30日(冻结1 130 d)，井筒套壁施工基本完成，停止冻结。
图10为位于内圈孔与外圈孔之间的测温点的温度变化规律，C2以及C3同时受到内圈孔以及外圈孔冷量的叠加作用，冻结平均温度较低，控制冻结以及施工热扰动引起了温度场的波动，但并没有对冻结壁的整体稳定性产生明显的影响。
图9 内圈冻结孔与井壁间温度场的发展规律
Fig.9 Development law of temperature field between inner ring freezing hole and well wall
对位于冻结壁外缘的C1测温孔的温度数据进行分析可得(图11)，在进入稳定冻结阶段之后，该位置的温度场没有发生明显的变化，说明采取控制冻结的方式之后，冻结壁外缘位置的温度较为稳定，冻结壁的厚度和设计厚度一致。
3.3 水文孔和井筒水位变化
对水文孔的水位随冻结时间的变化规律(图12)进行分析可以发现，S1、S2以及S4水文孔的水位在冻结初始阶段都出现了水位下降的现象，随后水位快速上升至深13 m左右，上述3个水文孔的水位维持在该水平一段时间后，S2的水位在冻结28 d时快速上升至深7 m左右，在冻结75 d时，水位达到管口位置，S1、S4水文孔的水位分别维持在深13 m的水平至冻结61 d、75 d，随后温度快速上升至管口位置，S3的初始水位较高，在冻结50 d时，水位即达到管口位置。
截止2011年9月11日(冻结76 d)，副井4个水位孔水位全部达到管口。从各孔的水位变化分析来看冻结壁发展所产生的冻胀水、冻胀压力通过水文孔得到了有效释放。
副井井筒原始水位为深7.84 m，在冻结初期水位变化分为3个阶段(图13)：①冻结时间1～61 d，井筒水位由深7.84 m降至深8.22 m，降幅0.006 mm/d；②冻结时间61～87 d，井筒水位在深8.19 m上下徘徊；③冻结时间87～136 d，井筒水位由深8.19 m升至深7.10 m，涨幅0.022 mm/d。造成该现象的原因是：冻结壁交圈后，井筒内外无水力联系，井筒内水分无法释放只能沿着井筒缓慢上升。
2011年11月26日(冻结第152 d)副井进行试排水，因此水位出现下降，试排水结束之后，进入观察期，发现水位稳定，说明冻结壁已经具备正式排水的条件(图14)。2011年12月16日(冻结第173 d)进入稳定冻结阶段，随后进行正式排水，该阶段水位随着排水时间的增加匀速降低，2012年2月6日(第225 d)，已经排水至淤泥面，整个排水过程中，水位匀速降低，没有出现水位升高的现象，说明冻结壁达到了设计要求，进一步表明控制冻结技术的实施取得圆满成功。
图10 冻结壁中间位置的温度场的发展规律
Fig 10 Development law of temperature field in middle of frozen wall
图11 冻结壁外缘测温孔监测数据
Fig.11 Temperature development law of temperature measuring hole on outer edge of frozen wall
图12 水文孔水位变化规律
Fig.12 Change of water level in hydrology hole
图13 冻结初期水位随冻结时间的变化
Fig.13 Change of water level with freezing time in initial stage of freezing
图14 排水过程中水位随时间的变化规律
Fig.14 Variation of water level with time in drainage process
4 结论及建议
1)针对板集煤矿副井井壁破损和突水问题，提出了沿着深度方向进行控制冻结的前期修复方案，即外圈孔采用全深冻结，内圈孔只对破损严重的层位进行冻结。监测数据表明，内圈未冻层位的整体温度较深部冻结层位高5 ℃左右，有效避免了冻胀对完好井壁的影响。
2)根据冻结孔的偏斜情况和各个层位土体的热物理特性，以及测温孔的实测数据，通过数值计算对冻结壁的发展情况进行了预测，基于预测结果，对向井壁方向发展过快的冻结孔冷量进行控制；在井筒清理、以及套壁施工过程中，根据温度场发展情况及时调整冷量供给。进一步完善了控制冻结技术，有效提高了冻结施工的安全性。
3)在井筒排水以及井筒套壁施工过程中，没有出现突水现象，整个冻结壁温度场发展平稳，表明控制冻结技术的实施取得成功，可为类似工程提供重要参考。
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