冻结法凿井的若干问题研究
摘 要 介绍了冻结法凿井技术的原理及适用条件，从影响掘进段高的因素、风
动机具使用时的压风除湿、冻土掘进的方法、冻结管断裂、工作面底鼓与冻结壁变形
和冻结井壁破裂等方面，探讨了冻结井筒施工中的问题。
关键词 凿井技术 冻结法施工 问题探讨
1 冻结法的发展概况及在我国的应用冻结法起源于天然冻结。由于人工制冷技术的发展和应用，产生了人工冻结。18
62年英国南威尔士在建筑基础施工中，首先使用了人工制冷加固土壤。1883年德国工
程师波茨舒(F.H.Poetsch)在德国阿尔巴里得煤矿，用冻结法开凿了深度为103m的井
筒，获得了冻结法凿井技术专利。之后，该项技术传播到世界上许多国家。前苏联从
1928年开始使用冻结法，到前苏联解体时，采用冻结法凿井数目已超过400个，成为
当今世界上采用冻结法凿井规模最大的地区之一。
冻结法广泛应用于矿井建设、地基基础、水利工程、地下铁道、河底隧道等工程
施工中。
冻结法在矿井建设中多用于立井的开凿，也用于其它地下工程的不稳定地层或含
水极丰富的裂隙岩层施工。通常，当地下水含盐量不大，且地下水流速较小时(流速v
＜17～10m/s)，均可使用冻结法。井筒直径大小和深度基本不受限制。
冻结深度是冻结法凿井施工技术高低的一个重要标志。目前，各主要使用冻结法
凿井国家的最大冻结深度如下。
英国为390m,加拿大9.5m,波兰725m,比利时638m,德国628m,前苏联620m,法国550m
,中国435m,荷兰338m。 我国煤矿于1955年在开滦林西风井首次使用冻结法凿井，
井筒净直径5m，冻结深度105m。此后，冻结法凿井技术逐渐推广到东北、华北、华东
、中南地区。到1998年，冻结凿井数目共430余个，累计冻结深度70km以上，最大冻
结深度435m(河南永夏矿区陈四楼煤矿主井),冻结法凿井所通过的第四纪地层最厚为3
83.1m(山东金桥煤矿副井)。我国已是世界上用冻结法凿井穿过表土层最厚的国家之
一。2 冻结法的凿井原理
岩土工程冻结制冷技术通常是利用物质由液态变为气态，即气化过程的吸热现象
来完成的。其制冷系统多以氨作为制冷工质。为了使氨由液态变成气态，由气态又变
为液态，如此循环进行，整个制冷系统由三大循环构成：氨循环系统、盐水循环系统
、冷却水循环系统。这种制冷系统可获得-35℃左右的低温盐水。
立井冻结凿井是利用传统的氨循环制冷技术来完成的。它是在井筒开挖之前，用
人工制冷的方法，将井筒周围含水地层冻结成一个封闭的不透水的帷幕——冻结壁，
用于抵抗地压、水压,隔绝地下水与井筒之间的联系。而后，在其保护下进行掘砌施
工。为形成冻结壁，首先在欲开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结器
。低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围地层之热量，形成冻结圆柱。冻结圆柱逐渐
扩大并连接成封闭的冻结壁，直至达到其设计厚度和强度为止。然后在其保护下进行
掘砌施工，以便安全穿过含水地层。冻结法凿井主要工艺过程包括：冷冻站安装、钻
孔施工、井筒冻结和井筒掘砌四大内容。3 冻结井筒施工中的若干问题
3.1 影响掘进段高的因素
掘进段高是指掘进段未经支护的高度。到目前为止，冻结井筒掘进段高计算理论
不少，但还没有公认的可靠的计算方法。主要原因是影响段高的因素甚多，理想模型
不能真实描述复杂的现实施工情况。目前只能采用工程类比法，按施工经验选取。由
于段高大小直接影响施工速度、施工安全、井壁质量及经济效果，所以，一直为人们
所重视。近年来，井帮变形实测工作及冻土力学性质的研究工作均为段高的选取提供
了实践和理论依据。
影响掘进段高大小的因素很多。笔者认为，主要有以下因素：
(1)地压。地压越大，段高应越小。一般来说，地压随井筒深度增加而增大，而
段高却应随之增加而减小。当深度相同时，塑性岩土较非塑性岩土压力大，段高也应
相应减小。
(2)掘进速度。掘进速度反映了井帮暴露时间的长短。冻土是流变体，当地压不
变时，变形随暴露时间增加而增大。因此，掘进速度快时段高可大一些，反之，段高
应小一些。
(3)冻结壁内之平均温度。冻结壁内平均温度越低，冻土强度就越大，冻结壁的
承载能力也就越大，段高相应地可大一些。
(4)冻结壁形成过程。冻土中的水变为冰的状况与冻结速度有关，如果盐水温度
低，冻结速度快，岩土中的水会变成六面冰晶体，否则将变成针状冰晶体。由于六面
冰晶体较针状冰晶体强度高，故冻结速度快时，段高可大些，否则段高则应小一些。
因此，如果采用低温冻结，将大大有利于增加冻土强度和增大段高。
(5)井筒掘进直径、冻结壁厚度及其形成(对称程度)等，均对段高选取有影响。
目前，国外掘进段高一般为10～30m，我国在2～20m之间。在深厚粘土层中，段
高应在2m左右。段高大，井壁接茬少，井壁整体性好。但过大时，有可能使井帮有过
大的径向变形，会导致冻结管断裂，盐水漏失，产生淹井事故。因此，段高大小应参
考本地区的经验谨慎行事。
3.2 压风除湿问题
目前，我国冻结井筒掘进，几乎全部使用风动机具，由于风动机具处于低温环境
，压风中的水分结冰会很快堵塞机具气孔通道，使机具无法使用，大大影响掘进速度
。为此必须采取除湿措施。解决的办法有两种：(1)过滤干燥法，即压风入井前通过
活性炭和无水氯化钙过滤除湿；(2)压风入井前通过冷凝器，使压风中的水蒸汽凝结
成水放出。这两种方法在我国国内都有使用。
笔者建议，根据冻结井筒掘进特点，最好使用液压动力机具。如：液力镐、液力
铲、液力抓岩机、液力挖土机等，从根本上解决压风机具容易冻死的缺点。
3.3 采用钻爆法破碎冻土
为了进一步提高冻土掘进效率，应采用钻爆法破碎冻土。这种方法在国外使用较
为普遍，我国也有使用。笔者认为，我国应进一步推广使用钻爆法破碎冻土。
据统计，冻土掘进采用钻爆法较人工挖掘效率提高3～5倍。比较成熟的经验是浅
打眼少装药，以防止爆破震动引起冻结管断裂。为此，一般炮眼深度应控制在1.5m以
下，装药量也要比平常少，视冻土性质而定。一般每次放炮的总装药量不超过10kg。
在炮眼布置上应控制周边眼与井帮的距离，在冲积层不得小于0.6m，风化带不得小于
0.3m。周边眼到冻结管的距离，在冲积层中不小于1.5m，基岩中不小于1.2m。
3.4 冻结管断裂问题
在冻结井筒掘进中，冻结管断裂现象时有发生。近年来，由于冻结深度逐年增加
，遇到厚粘土层的机会越来越多，冻结管断裂的现象也就会越来越严重。淮南谢桥副
井，冻结深度365m，表土厚298m，1984年当井筒掘到239m时，因五根冻结管断裂、盐
水漏失，冻结壁开窗，涌砂冒泥，造成淹井事故。使建井工期推迟两年，多耗资1000
多万元。在恢复井筒时，采用加强井筒冻结方案，使井帮温度控制在-30℃以下，在
井筒基本冻实的情况下采用小段高掘砌(2m左右),顺利通过了厚粘土层。由此可见，
解决断管的关键问题是如何降低冻结壁内平均温度，提高冻土强度，控制井帮变形。
但是，冻实井筒是一种不经济的办法。欲达到既不冻实井筒，又能提高冻结壁强度的
稳定性，采用低温冻结工艺可能是一种解决冻结管断裂的理想办法。
大量的试验表明，所谓冻结管断裂并非钢材本身冷脆强度降低所致，而是冻结管
接头(管箍与冻结管接头丝扣)脱扣。冻结管如无接头，即使变形大，也难以折断。而有接头的冻结管，即使施加不很大的弯矩，也极易折断(脱扣)。
3.5 工作面底鼓与冻结壁变形问题
井筒掘进中，工作面底鼓和井帮变形一样，时有发生。笔者认为，主要原因可能
有以下几种：(1)当井筒未冻实时，因井帮径向超前变形导致底鼓；(2)当水位观察孔
堵塞，地下冻胀力无出处时，可能导致底鼓；(3)井壁交圈不好，有窗口时，涌砂冒
泥和冻结管断裂、盐水漏失，都会导致底鼓。
当井筒冻实后，底鼓现象大大减少。冻结壁内平均温度很低，冻结壁强度和稳定
性提高，底鼓现象也随之减少。水位观察孔冒水状况可用作判断工作面变形与底鼓状
况。如水位观测孔流出苦涩味水，则可能是由于冻结管断裂、盐水漏失；如若冒出浊
水，有可能是冻结壁开窗，均应判明原因，及时处理。一般导通的水位观察孔，地下
水顺畅放出，底鼓程度则明显减轻。井帮少量径向变形和少量底鼓属正常现象，这主
要是由冻土的流变特性所决定的。径向变形应得到控制，其主要控制办法是提高冻土
强度和稳定性，降低冻结壁平均温度，减小段高，加快掘进速度，减少井帮暴露时间
。4 冻结井壁破裂问题
1987年以来，我国大屯、淮北等矿区，发生了多个冻结井筒在下部风化基岩段附
近井壁破裂。到目前为止，共有数十个矿井井壁发生了破裂。自80年代末以来，中国
矿业大学、大屯煤电公司专门就此问题在实验室对井壁进行了长达两年时间的井壁受
力测试。最后得出的结论均为：由于矿井排水，地下水位下降，表土下沉和井筒固结
等原因，在井筒上产生了垂直附加力，从而造成井壁破坏。因为此附加力在井壁设计
时没有考虑进去。后来，虽然对破裂的井壁通过采用注浆加固(破壁注浆或由地面注
浆)进行了处理，但此隐患一直存在，需要在今后建新井时加以考虑。
目前，诸如德国、波兰等国大量使用丘宾块复合井壁。这种井壁由于采用工厂化
生产，丘宾块具有很高的强度，它不会因水化、热融化冻结壁产生回冻冻胀力，又能
抵抗冻结压力，限制冻结壁径向变形。据笔者所知，在这些国家没有发生过冻结井壁
破裂的现象。因此，笔者建议，今后在我国可采用此种井壁。