国外竖井论文6：500m以上冲积层冻结法凿井新技术

发布时间:2024-02-13

国外竖井论文6：500m以上冲积层冻结法凿井新技术

摘  要：中国从1955年开始应用冻结法凿井，至2010年经历了引进推广、探索改进、完善提高、攻尖攀高四大阶段，共计冻结近700个立井井筒，冻结总深度超过16.0×104m。21世纪以来，冻结深度和冲积层厚度大幅度增长，多个冻结井的冲积层厚度超过500m，冲积层最大厚度为587.4m，冻结最大深度为800m。随着冲积层厚度的增大，地压、水压和冻结压力相应增加，井壁和冻结壁厚度增大，冻结与掘进的矛盾加剧，掘进难度增大，冻结管断裂、外层井壁压坏和内层井壁收缩开裂的现象增多，安全性降低。

采用综合防治措施，取得阶段性的技术突破，为＞500m冲积层冻结凿井安全快速施工提供实践经验：① 采用多圈冻结孔与差异、异径相结合的冻结工艺；② 开展冻结壁形成特性的工程预报与科学调控；③ 应用低温早强和低水化热防裂密实高性能混凝土。

关键词：多圈孔冻结  高性能混凝土  冻结壁形成特性  快速施工

New ground freezing shaft sinking technology in alluvium with thickness over 500 m 

CHEN, Wen-bao1 LI, Gong-zhou2 CHEN, Zhang-qing3 (1, 3 - Coal Branch, China Association of Senior Scientists and Engineers, Beijing 100013, China; 2 - SDIC Coal Co., Ltd) 

Abstract：Ground freezing for shaft sinking has been used in China since 1955. Through to 2010 there have been identifiable stages of development including introduction and promotion; discovery and improvement; perfection and upgrading - all supported by research and development.   Since 1955 there have been about 700 mine shafts sunk with ground freezing applied over a total depth of 160 km.   Many shafts have been sunk in alluvium of over 500m thickness with an average of nearly 590 m and a maximum depth of 800 m.  

With the increasing depths of alluvium, the progressively higher groundwater pressure has required thicker frozen walls, which must be accommodated in the excavation methods and schedules. A particular safety issue is to prevent or minimise the effect of a broken freeze tube which could lead to failure of the freeze wall and consequent effects on the inner liner.   With the introduction of comprehensive prevention and control measures a significant technical advance has been achieved in this area. 

Practical achievements have been use of the ground freezing technique combined with the multi ring freezing boreholes of different diameters;  the engineering prediction and the scientific adjustment and control of the freezing wall formation;  and the application of low temperature, early strength and low hydrated heat, crack - proof compact and high performance concrete.中国从1955年开始应用冻结法凿井，至2010年经历了引进推广、探索改进、完善提高、攻尖攀高四大阶段，共计冻结近700个立井井筒，冻结总深度超过16.0×10⁴m。21世纪之前，冻结最大深度为435m，冲积层最大厚度为383m；21世纪以来，冻结深度和冲积层厚度大幅度增长，有39个冻结井的冲积层厚度为400~500m，18个冻结井的冲积层厚度超过500m，冲积层最大厚度为587.4m，冻结最大深度为800m。

随着冲积层厚度的增大，地压、水压和冻结压力相应增加，井壁和冻结壁厚度增大，冻结与掘进的矛盾加剧，掘进难度增大，冻结管断裂、外层井壁压坏和内层井壁收缩开裂的现象增多，安全性降低。为解决＞500m冲积层冻结法凿井面临的技术难题和施工困难，中国主要采取以下综合防治措施：冻结设计、井壁设计、冻结壁形成特性工程预报与调控、安全快速施工，以及冻结壁径向位移、井壁温度及壁后冻土融化回冻特性、深部粘性土层冻结压力等实测研究，已取得阶段性的技术突破，18个超过500m冲积层的冻结井均已顺利建成。本文着重介绍＞500m冲积层的冻结设计、井壁设计和冻结段安全快速施工经验。

1. 冻结设计

（1）冻结壁厚度、掘砌段高计算

实践探索得出：＞500m冲积层按多姆克公式计算砂性土控制层位的冻结壁厚度和维亚洛夫—扎列茨基公式计算粘性土控制层位的掘进段高的设计体系是安全可靠的和较为接近实际的；FLAC-3D等软件数值模拟可以作为掘砌段高验算方法。

（2）冻结设计参数的优化

① 冻结壁平均温度

冻结壁平均温度是确定冻土强度和冻结壁强度、稳定性的主要参数。它主要取决于冻结壁有效厚度、盐水温度、冻结孔间距、井帮温度及冻结孔布置方式等因素。

中国从1987年开始，基本上采用成冰根据冻结壁温度场物理模型试验、工程实测、理论计算综合分析得出的单圈孔冻结壁有效厚度平均温度计算公式（公式1-1）。随着冻结壁设计厚度和冻结孔布置圈直径的增大，成冰又在20世纪90年代中后期提出在主冻结孔内侧增设辅助冻结孔、防片冻结孔的冻结壁平均温度计算公式（公式1-2）。

A.单圈孔冻结壁有效厚度的平均温度等于按冻结壁0℃边界计算的平均温度值与井帮温度对平均温度的影响值之和。

t_c=t_0c t_e                                               （1-1）

 （1-1-1）

t_e=Δt_n                                 （1-1-2）

B.主冻结孔内侧增设辅助孔（含防片孔）的冻结壁有效厚度的平均温度，是在成冰单圈孔有效厚度冻结壁平均温度计算公式的基础上，增加主冻结孔与辅助冻结孔之间部位对平均温度的影响值。

                      （1-2）

式中：t_c，t_0c—单圈孔冻结壁有效厚度的平均温度，冻结壁0℃边界计算的平均温度，℃；

  t_n，t_e，t_b—井帮冻土温度，井帮温度对冻结壁平均温度影响值，冻结盐水温度，℃；

  L，E—冻结孔最大间距，冻结壁有效厚度，m；

  Δ—井帮温度对平均温度的影响系数；

  t_cf—主冻结孔内侧增设辅助冻结孔的冻结壁有效厚度平均温度，℃；

  t_s—主冻结孔内侧与辅助孔（含防片孔）之间部位冻结壁平均温度，℃；

  S—辅助孔圈（含防片冻结孔）与主孔圈之间的距离，m；

  E₁，E₂—外圈主冻结孔外侧冻结壁厚度，辅助孔（含防片孔）内侧冻结壁有效厚度,m。

②冻土计算强度

设计冻结壁厚度时，主要根据已建深厚冲积层冻结井实际采用的冻土计算强度与冻结壁有效厚度平均温度的综合曲线，选取砂性土层冻土强度值，采用多姆克公式和综合曲线的冻土强度值计算砂性土层的冻结壁厚度在多个矿区冻结设计和工程实践中取得良好的效果。

设计冻结壁掘砌段高时，主要根据粘性土Ф61.8mm×150 mm圆柱体试件按恒应变速率轴向加载的冻土瞬时抗压强度换算值选取冻土计算强度。

③冻结盐水温度

＞500m冲积层的冻结盐水温度一般取-30℃~-33℃。

④钻孔偏斜值与成孔间距

＞500m冲积层的钻孔偏斜值一般控制在靶域半径0.8~1.0m的范围内；主冻结孔在冲积层段的终孔间距控制在3.0m以内。

（3）冻结孔布置

冲积层加深导致冻结壁设计厚度增大和冻结与掘砌的矛盾加剧，为了适时开挖和实现安全快速施工，需要采用多圈孔冻结，在多圈孔设计方面存在以外圈孔为主冻结孔和以中圈孔为主冻结孔的两种设计思路。实践表明，采取以外圈孔为主冻结孔和内侧增设辅助及防片冻结孔的布置方式，对协调冻结与掘砌的关系起到积极作用，有利于掘砌过程中进行冻掘调控，为安全快速施工创造条件。

2. 井壁设计

（1）冻结段井壁结构

中国冻结段井壁基本上采用钢筋混凝土塑料夹层井壁，在内、外层井壁之间增设具有滑动作用的塑料夹层，在外层井壁与围岩之间增设具有缓压和隔热作用的聚苯乙烯可压缩层。图1为赵固二矿副井井壁结构示意图。

（2）井壁受力计算

冲积层段采用内、外层井壁分层受力的设计假设，同时采用内、外层井壁共同受力的模型对冻结段井壁进行验算。外层井壁在施工期间承受冻结压力，内层井壁主要承受水压力；冻结壁解冻后，内、外层井壁共同承受永久地压（水压和土压）以及井壁自重、井筒装备重量、井塔荷载和外层井壁传递给内层井壁的竖向附加力。

（3）混凝土设计强度

21世纪以来，随着冲积层厚度和冻结深度的加大，冻结段井壁设计要求提高混凝土强度等级，以控制井壁设计厚度和减少冻结和掘砌工程量和工程成本，图2反映不同时期中国冻结段井壁混凝土最高强度等级状况。

图1  赵固二矿副井井壁结构示意图

图2  中国不同时期冻结井壁混凝土最高设计强度

3. 赵固二矿副井527.5m冲积层冻结法凿井实例

（1）冲积层组成特征

表1  赵固二矿副井冲积层组成特征

（2）赵固二矿副井冻结设计主要技术指标

表2  赵固二矿副井冻结设计主要技术指标

说明：

1、W1~W58为外圈主冻结孔58个；

2、Z1~Z20为中圈辅助冻结孔20个；

3、N1~N20为内圈防片冻结孔20个；

4、C1~C5为测温孔，W1~W3为水位观测孔。

图3  赵固二矿副井冻结孔布置图3  赵固二矿副井冻结孔布置图

（3）冻结孔布置图

（4）冻结壁形成特性工程预报与安全快速施工

① 水位孔的水位实测与冻结壁交圈时间

根据赵固二矿副井1号、2号、3号水位孔的水位变化、冒水时间和水位管水压分析，得出0~93m段、93~317m段、317~517m段的冻结壁交圈时间分别为52d、63d、38d。

② 冻结壁形成特性

根据冻结壁温度场实测资料综合分析得出：

A 各孔圈之间冻土交汇的时间和内侧冻土扩至井帮的时间

表3  赵固二矿副井各孔圈冻土交汇时间和不同土层冻土扩至井帮的时间

B 粘性土层冻结壁形成特性

根据冻结壁测温孔的测温资料和井筒掘进过程实测井帮温度（见图4）综合分析，得出不同冻结期的冻结壁形成特性主要技术指标见表4。

图4  赵固二矿副井不同深度粘性土层井帮温度实测曲线

表4  赵固二矿副井粘性土层冻结壁形成特性的主要技术指标

③ 冻结壁形成特性的工程预报与调控

A 工程预报与调控简况

定期对未施工段的冻结壁形成特性的主要技术指标进行工程预报，并提出冻结施工中应注意的问题和盐水温度、流量的调控措施（见表5），为冻结段安全快速施工提供保障。

表5  赵固二矿副井各孔圈冻结盐水温度、流量的调控简况

B 工程预报与调控效果

根据赵固二矿副井冻结壁形成特性的主要技术指标和冻结段施工情况的综合分析，及时对盐水温度、流量进行了调控，使深0~180m段和深180~500m段粘性土层井帮温度分别控制在5.0~0.0 ºC和0.0~-7.0 ºC之间，较好地解决了冻结与掘进的矛盾，实现浅部不片帮和深部基本不挖冻土的目标。内层井壁采取一次套壁工艺，628m冻结段平均掘砌速度和成井速度分别达到104.9m/月和81.4m/月。

（5）赵固二矿副井井壁混凝土取样试验结果

表6  赵固二矿副井冻结段内、外层井壁混凝土取样试验结果

4. ＞500m冲积层冻结法凿井的主要经验

（1）采用多圈冻结孔与差异、异径相结合的冻结工艺，有效地解决了冻结与掘进的矛盾，有效防止了冻结管断裂，确保冻结段安全施工。

（2）开展冻结壁形成特性的工程预报与科学调控，实现冻结段平均掘砌速度≥100m/月和成井速度≥80m/月。

（3）应用低温早强和低水化热防裂密实高性能混凝土，混凝土最高强度C90，把＞500m冲积层的井壁总厚度控制在2m左右，并有效解决了外层井壁压坏和内层井壁开裂问题。