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摘要 卧龙湖煤矿井筒穿越粘土地层单层最大厚度达6 5 9 m ，属目前淮北矿区最 大。在冻结法施工中，区f 粘土地层冻土强度低、冻胀鼙大、冻土蠕变特性观显。 因此，如何安全、快速通过特厚粘七地层是卧龙湖煤矿冻结法凿井工程成败的 关键。本文对多圈孔冻结壁的设计进干了理论分析，提出了卧龙湖煤矿冻结方 案优化设汁方浊；建立了多圈孔冻结温度场叠加计算理论与温度场计算模型， 并成功运用于计算机软件编程；利用v c + + 语言开发了一套适台与现场工程地质 条件和施工条件的冻结法凿井信息可视化施工软件，实现了冻结钻孔质量综合 评价、冻结温度场实时查看与预测、冻结壁安全性预测、预报等功能；进行了 过特厚粘上地层外层混凝土井壁施工安全技术研究。实践表明，这些技术的研 究对保证卧龙湖煤矿冻结法凿井安全、快速、经济通过特厚粘土地层起到了科 学、合理、有效的指导作用，经济效益和社会效益显著。沦文的研究成果对今 后冻结法凿并特厚粘土层施工具有重要参考意义，获得的卧龙湖矿区冻结地层 特性和过特厚粘土地层施工中的特征参数对今后类似工程具有一定的借鉴汾 值。 关键词：特厚粘土层冻结壁温度场信息可视化井壁 a b s t r a c t t h et h i c k n e so fc l a yb l a n k e tr e a c h e d6 5 9 mi nw o l o n g h um i n ef r o z e n s e g m e n tc o n s t r u c t i o n t h a ti s t h em o s tt h i c k n e s si nh u a i b c im i n ea r e ai nf o r z e n m e t h o d ，i ti sg e n e r a l l yt h a tc l a yb l a n k e tw h i c hc o n t a i n sc a l c a r e o u s ，c o m p r a r e dw i t h o t h e rs o i l ，i sl o w e ri nf r e e z i n gs t r e n g t h ，b i g g e ri nf r o s th e a v e ，o b v i o u s l l y i nf r e e z i n g c r e e pd e f o r m a t i o n t h er e s e a r c ht h a th o w t os a f e t ya n dq u i g k l yp a s se x t r a t h i c kc l a y p l a n k e ti si m p o r t a n tf o rp r o j e c ts u c c e s so rf a i lt h i sp a p e rg i v e dt h e o r e t i c a la n a l y s e o fd e s i g nf o rm u l t i - r o w sf r e e z i n gp i p e sf r e e z i n gw a l l ；e s t a b l i s h e dm u l t i - r o wp i p e s f r e e z i n gt e m p e r e t u r ef i e l ds u p e r p o s e dc a l c u l a t e dt h e o r ya n dt e m p e r a t u r ec a l c u l a t i n g m o d e l ，g i v e di m p l e m e n t e dm e t h o da p p l y i n gc o m p u t e rs o f t w a r ep r o g r a m m eu t i l i z i n g v c + + t h e p a p e rd e v e l o p p e d as e to f f r e e z i n g m e t h o di n f o r m a t i o nv i s u a l s o f t w a r e ，w h i c hi sa d a p t e dw i t hf i e l ds u r v e yg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dc o n s t u c f i o n c o n d i t i o n s t h ef u n c t i o ns u c ha sf r o z e nd r i l l i n gh o l eq u a l i t yo v e r a l lm e r i t 、r e a l t i m e i n q u i r ya n df o r c a s t i n go ff r e e z i n gt e m p e r a t u r ef i e l d 、f r e e z i n gw a l ls e c u r i t yp r e v i e w a n dp r e d i c t i o ni sp r e s e n t e d t h er e s e a r c ho fe x t e r n a lc o n c r e t es i d e w a l ls e c u r i t y t e c h n i q u e i ne x t r a t h i c k n e s s c l a yb l a n k e t i sa l s o g i v e di n t h i s p a p e r p r a t i e a l e x p e r i e n c e i n d i c a t e dt h a tt h e s er e s e a r c h e sa r e g r e a t i n s t r u c t i v ef o r p a s s i n g e x t r a t h i c k n e s sc l a yb l a n k e t i ti sg r e a tr e f e r e n c ef o rl a t e rp a s s i n ge x t r a t h i c kc l a y b l a n k e tw i t hf r e e z i n gm e t h o d t h ea c h i v e m e n to ff r e e z i n g c l a y c h a r a c t e ra n d c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rb o r r o w e dg o o di d e a sf o rl a t e rs i m i l a rp r o j e c t s k e yw o r d ：e x t r a t h i c kc l a yb l a n k e t ；f r e e z i n gw a l l ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；i n f o r m a t i o n v i s u a l ；s i d e w a l l 卧龙湖矿冻结法凿井安全快速通过特厚粘十i 地层芙键技术研究 11 问题的提出及课题研究意义 1 绪论 1 9 5 5 年我国首次在开滦林西风井应用冻结法凿井技术，并一举获得了成功。 随后，冻结法在全国煤矿井筒开凿中，得到了广泛地应用，成为我斟不稳定表 土或含水地层最常用的凿井方法。据不完全统计，迄今我国采用冻结法开凿的 煤矿井筒已超过5 0 0 个，累计冻结深度在7 0 k i n 以上。近年来，随着我国埘煤 炭需求的日益增大，煤矿新井建设正在蓬勃发展，山东、河南、安徽两淮出现 了你追我赶的大好局面。在新形势下，煤矿冻结法凿井出现了2 个新的特点： 1 建井周期大大缩短；2 新的工程经验给原有的冻结设计规范提出了重大挑战。 这两个新的特点与冻结法凿井的施工安全相互矛盾。而保证冻结法施工安全是 重中之重。由此必然提出冻结法凿井一系列新的理论、技术与工艺。 冻结法凿井的关键是“一钻两壁”。保证冻结管在施工全过程的完好关系到 工程的成败。它主要取决于冻结壁的变形和所使用的冻结管对此变形的适应能 力。冻结壁强度( 冻结壁厚度和平均温度) 及其合理参数( 地压值大小、施工段高、 段高暴露时间等) 问题至关重要。随着建井速度的加快和冻结深度的增加，在凿 井过程中冻结管断裂事故时有发生。2 0 0 2 年，山东梁宝寺矿冻结法凿井，就出 现了冻结管偏斜、断裂，导致工程停工，并造成很大的经济损失；2 0 0 3 和今年 2 0 0 4 年，在两淮地区张集北区副井在2 8 0 m 、3 15 m 出现了7 根冻结管断裂、界 沟煤矿的两个井筒的内排冻结管分别在1 8 0 m 和2 0 0 m 也发生4 根冻结管断裂、 涡北煤矿风井内排冻结管分别在2 1 0 m 、2 8 0 、3 5 0 m 处相继出现了1 1 根冻结管 断裂。这些矿井的冻结管断裂虽然没有造成透水淹井事故，但也造成了较大的 经济损失，延误了一段工期。大量的调查研究表明，事故发生的原因有两个方 面：一是冻结管自身原因，如冻结管的材质及其接头焊接质量等未能满足要求， 二是过特厚粘土地层并筒开挖弓i 起冻结壁发生过量变形，超过冻结管允许变形。 卧龙湖煤矿井筒穿越的第四系表土地层厚度2 2 8 m ，相比两淮地区较薄。但 粘土或钙质粘土最大单层厚度达到6 5 9 m ，较两淮地区厚2 0 3 0 m ，是安全隐患 最大的地层。大量冻土实验资料表明粘土或钙质粘土具有如下特征：( 1 1 含水量 低，导热系数小，冻土扩展速度慢，强度低；( 2 ) 冰点温度低，一般在3 左右， 冻结壁实际承载厚度较小；( 3 ) 粘土地层膨胀性大，冻结壁径向位移大，外层混 凝土井壁冻结压力大；( 4 ) 具有很强的非稳定性蠕变特性。过特厚粘土层易造成 的工程事故有：( 1 ) 粘土地层的冻结壁强度和厚度未能满足设计要求，造成冻结 壁变形过大，冻结管断裂；( 2 ) 冻结壁井帮温度过高，井筒上部井帮的片帮问题， 井筒下部冻结壁的变形和稳定性问题；( 3 ) 冻结压力过火及其不均匀，造成外层 卧龙湖矿冻结法凿井安全快速通过特厚粘七地层笑键技术研究 井壁的破坏。因此，如何保证卧龙湖煤矿安全、快速通过特厚粘土地层是卧龙 湖煤矿冻结法施工中的重要技术难题，万万不可掉以轻心。 目前，信息化施工技术已成为岩土工程施工中最实用的技术，冻结法凿井 信息化施工技术作为岩土工程信息化施工技术的1 个分支，丌展此项是必然趋 势。冻结法凿井信息化施工技术将工程监测与施工结合起来，利用监测数据和 实际施工状况分析冻结壁的稳定性和施工参数的合理性，进行反馈设计，对施 工安全进行预羽4 、预报，对指导、保证冻结法凿井安全、快速、经济、优质具 有重要意义。将冻结法凿井信息化施工技术全面应用于卧龙湖煤矿，科学、台 理指导工程旋工，必将对卧龙湖煤矿冻结法凿井有重要指导意义。 1 2 国内外研究现状 由于冻土的力学特性与温度有着密切的关系，因此冻结壁温度场的研究显 得十分重要。朱林楠在假定冻结孔沿圆周均匀分布的情况下对深井冻结壁温度 场进行了解析计算，并导出了冻结壁厚度的解析计算公式。郭兰波、张燕等用 有限元方法对冻结壁温度场进行过分析。但由于对冻结管的位置，冻结地层参 数作了一些必需假定，因而未能较为全面地模拟冻结壁的真实温度场。汤志斌 等曾对冻结壁温度场作过实测研究并探讨了冻结壁形成时的觌律及特性，但因 工程和地质条件的特殊性加上实测数据的有限性仅能反映局部问题和情况。 国外在此方面的研究状况与国内大致相同，在理论研究匕主要从数值模拟 计算入手，同时重视现场实测和信息化施工技术的应用。如：日本的y a o y ij i u 等用有限差分法对峒室在低温下的温度分布进行了研究；德舀的p j o r d a n 等人 对深井冻结粘土层的温度场用有限元方法进行了细致的研究并与实测值进行了 比较；英幽的f a a u l d 研究了冻结壁变形与掘进段高、凿井速度和冻结管变形 的关系，并推导出了冻结壁弹性变形和蠕变变形的计算公式。 综合以上对国内外研究现状的分析可见，随着建井速度的加快和冻结深度 的不断加深，把研究问题局限于某一方面而不注重实际应用，或采用“头痛医 头，脚痛医脚”的方法，已显然不能满足现场施工和管理的实际需要，建立贯 穿整个施工过程的冻结法信息化施工系统势在必行，它将使工程设计和管理人 员随时掌握冻结温度场状况、井壁安全状况、冻结壁安全状况等施工信息，为 指导冻结凿井提供可靠的依据。 1 3 课题研究的主要内容 主要研究内容可分为如下五个部分： 1 冻结法凿井冻结壁温度场信息化技术研究 2 冻结技术参数分析、设计与制冷保障体系 2 卧龙湖矿冻结法凿井安全快速通过特厚粘十地层关键技术训究 3 快速通过特厚粘土地层施工技术安全性研究； 4 冻结壁井帮和底臌变形实测与分析； 5 建立一个安全快速施工决策与管理体系。 ( 1 ) 冻结法凿井冻结壁温度场信息化技术研究 冻结法凿井冻结壁温度场信息化技术软件的研究与 1 ：发，是表二e 立井冻结 法信息化施工的中心工作，也是冻结法凿井的发展方向。 该技术应从如下方面进行研究，并设定程序开发设计原则如下： 1 考虑不同水平剖面冻结管的实际造孔偏斜，较为真实地模拟出冻结壁温 度场的特性； 2 利用测温孔实际测温数据，分析计算冻结壁温度场的特征，计算冻结壁 实际最大和最小厚度，并利用单元温度的概念，计算冻结壁有效厚度上 的平均温度； 3 根据冻土力学性能( 冻强度和变形条件) 校核冻结壁的安全性； 4 根据测温孔温度下降趋势，建立回归数学模型，预测冻结壁温度场的发 展； 5 显示任意指定水平高度冻结壁温度场的特性和竖向冻结壁温度场性状； 6 根据冻结壁扩展速度经验值，模拟不同土层性质冻结壁温度场的发展特 性，使冻结壁温度场分析更具可靠性； 7 根据冻结壁温度场的经验模拟，进行冻结方案优化设计，冻结孔造孔质 量的评价，如：相邻冻结孔问距和冻结交圈效果模拟图等，掌握实际冻 结效果，指导冻结施工； 8 冻结壁温度场及盐水温度陆线、测温点温度曲线等的可视化。 ( 2 ) 冻结技术参数分析、设计与制冷保障体系 1 分析、研究、调整冻结系统参数：冻结盐水温度和盐水流量； 2 对冻结壁较为薄弱的地方进行局部加强冻结方案： 3 包括加强冻结站的管理、确保制冷设备的完好等措施。 ( 3 ) 快速通过特厚粘土地层的施工技术安全措施 快速通过特厚粘土地段是卧龙蝴煤矿井筒施工安全的关键，必须提前研究 通过该地层的施工安全技术措施，认真组织、协调各单位的关系，分工负责， 层层把关。主要研究如下内容： 1 利用冻结壁温度场信息化施工技术，随时掌握冻结法施工中的主要技 术参数：如冻结壁厚度、平均温度、井帮温度、井帮位移、工作面底 臌变形、冻结壁强度、外层井壁安全性等； 2 确定安全掘进段高、提高凿井速度、改进井筒掘进和井壁施工工艺， 确保外层井壁施工质量和安全； 3 外层混凝土井建施工安全预案： 卧龙湖矿冻结法浙井安全快速通过特厚粘士地层芙键技术仰：究 4 各单位的组织协调和管理： 作，加强管理，使管理工作程序化。 ( 4 ) 冻结壁井帮底臌实测分析 不做盲目施工，最主要就是要建立和加强现场实测，真正做到信息化施工 和动态管理。 1 冻结壁温度场的监测； 2 施工过程中，冻结壁井帮、工作面温度、位移等监测： 3 冻结壁强度计算及其可靠性分析以及安全性判据研究。 ( 5 ) 建立一个安全快速施工决策与管理体系 包括专题问题专家论证会制度，协调冻结、施工等单位的关系，做好施工 预案与措施。 1 4 研究方法与技术路线 i 通过工程实测、收集现场资料，利用理论计算、计算机分析，提出井筒快速 施工优化方案； 2 建立冻结法凿井温度场、应力场和位移场理论计算模型，丌发针对卧龙湖煤 矿地质条件下，冻结法施工信息可视化管理软件； 3 通过现场测温孔对冻结壁温度场、冻结壁井帮和工作面温度、位移的量测和 计算机软件分析，提出井筒安全施工的标准，对井简安全施工提出指导性的 意见； 4 组成专家组，对每个关键的工序进行专家组会议论证，确保工程安全和经济。 卧龙湖矿冻结法凿井安全决进通过特厚粘十地层关键技术研究 2 冻结壁设计理论 21 冻结壁温度场形成的理论分析 2 1 1 冻土的形成过程 冻土的形成过程，实质上是土中水冻结并将固体颗粒胶结成整体的物理力 学性质发生质变韵过程，也是消耗冷量最多的过程。如图2 1 所示，土中水的 冻结过程可以划分为血段： 1 一一冷却段：向土层供冷初期，土体逐渐降温以达到冰点： _0 越 蚂一?一l 。1 14 1 一弋 4 时 图2 - 1 冻土中水冻结过程曲线 2 过冷段：土体降温全o 以下时，自由水尚不结冰，呈现过冷现象： 3 一一突变段：水过冷后，一旦结晶就立即放出结冰潜热，出现升温现象； 4 冻结段：温度上升接近o 。c 时稳定下来，土体中的水便产生结冰过程 将矿物颗粒胶结成整体形成冻土： 5 一一冻土继续冷却段：随着温度的降低，冻土的强度逐渐增大。 2 1 2 冻土的热物理参数 冻土是由矿物颗粒、冰、未冻水和气体所组成的四相物体，冻土和未冻土 的物理性质有很大差别，是由于土中水处在不同相态时或者正在发生相变时的 特性所决定的。由于冰的导热系数约为水的四倍，而冰的热容量约为水的二分 之一，冻土中的含冰量愈大，其物理性能的差异也愈显著。“。 描述冻土物理性质的主要指标有比热、导热系数、导温系数和热容量。 1 比热 5 卧龙湖矿冻结法凿井安全快速通过特厚粘十地层关键技术研究 1 k g 冻土温度改变1 所需要吸收( 或放出) 的热量称为比热( c ) 。试验表 明，冻士的比热可按其各物质成份的比热加权平均值计算：、 c c i + ( w w 。) c b + w 。c 。 1 + w ( 2 1 1 ) 式中c 一冻土的比热( k j k g ) ； w 一一重量含水量( ) ； w u 未垛水含量( ) ； e 。c c 广分别为土颗粒、水和冰的比热( k j k g ) 。 土、水和冰，以及它们所组成的冻土的比热都是随温度而变化的，工程计算 时一般采用平均比热，即冻土在温度变化过程中吸收( 或放出) 热量的总值与 温度变化总值之比。 2 导热系数 肖温度梯度为l ( 1 r n 长度上温度降低l ) 时，每一小时内通过单位面积的 热量称为导热系数 ，它是反映冻土传热快慢的指标。 冻土的导热系数受土层性质、含水率和温度变化的影响，当上性相同时， 含水率愈大，凡值也愈大”“。 3 导温系数 反映在不稳定传热过程中温度变化速度的指标称为导温系数。，冻土的导 温系数铷用以下表达式： 五 口= c ， ( 2 2 ) 式中a 冻土的导温系数( m 2 h ) ： c 冻土的比热( k j k g ) ： y 冻土的容重( k g m 3 ) 。 冻土的导温系数随含水量增大而增人，但到一定含水量以后，增长率缓慢。 4 热容量 在冻结过程中，土体从初始温度降到所需要的冻结温度h , i ，每l m 3 土所放出 的总热量称为土的热容量。 冻土的热容量q 可用下式计算： q = q i + q 2 + q 3q 4( 2 - 3 ) 式中q 1 l i 1 1 土体中的水出原始温度t 。降到结冰温度t 。时所放出的总热量： q 1 = w c s ( t , it “) y 。 ( 2 - 4 ) w 含水率( ) ： c 。水的比热( k j k g ) ： y ，水的比重( k g m 3 ) 。 q 2 土中水结冻时放出的潜热量： 卧龙湖矿冻结法黼井安全快速通过特厚粘土地层关键技术研究 q 2 = wy 。q q ( 2 - 5 ) q q 1 k g 水结冰时放出的潜能量，一般为3 3 6 k f f k g ： q 3 冻土中的冰由结冰温度降到所需的冻结温度时所放出的热量： q 3 = w c 。y 。( t ，一t )( 2 6 ) c 。冰的比热( k j k g ) ； “冰的比重( k g m 1 ) ； t 一所需的冻土平均温度( ) ； q 4 一土颗粒由原始温度降到设计的平均温度时所放出的热量： q 4 = ( 卜w ) c ty t ( t o - t ) ( 2 7 ) 5 相变潜能 在一定温度下将水或某种水溶液由液态变成固态时所需放出的热量即相变 潜能。根据很多研究资料表明，水的结冰潜热变化于3 3 0 。3 3 4 k j k g 之间。 土体冻结时放出的结冰潜能与土体的未冰冻水含量关系可用下式表示： l = 3 3 4 4yd ( w w u )( 2 - 8 ) 式中l 结冰潜热( k 3 k g ) y 。一上壤干容重( k g m 3 ) ； w u 冻土中的未冻水含量( ) 。 2 1 3 影响冻结壁温度的主要因素 1 末冻水含量 当土体冻结时，特别是当细分散土( 如粘性土) 冻结时，在土的冻结温度 下，远非所有的水都结成了冰，而只是其中的一部分变成了冰。当负温进一步 下降时，继续发生水的相变，但总的强度减小了，而且，发一l 三冻结的水的数量 不仅将决定于负温度值( 主要因素) ，而且决定了于矿物颗粒的比表面积、吸附 阳离子的成分、压力等。 土体中的未冻水含量多，土体冻结较慢，粘性土比砂士中含较多的未冻水， 砂土就较容易冻结。土体中的未冻水含量直接影响到土体的相变潜热，进而影 响土体温度的下降。 冻土中的未冻水含量不仅是计算相变潜热的必要指标，而且直接制约冻土 的力学特性，其含量随土类、温度和外载而变，并与冻结负温值保持幂函数形 式的动态平衡关系“。其数学表达式如下： w u = a o o f ，一q 1 式中：w u 无外载条件下的末冻水含量，： 0 冻土温度，取其绝对值，： 卧龙湖矿冻结法凿井安全快速通过特厚粘十地层关键技术研究 a ，b 由土质决定的常数，由试验确定。 俄罗斯学者通过研究未冻水含量与负温值之间的关系划分出冻土中水分的 三个主要相变区“： o 5 剧烈相变区。在该区内，温度变化l 时未冻水含量的变化为1 或 更大( 与干土重之比) ； 一5 一i 0 缓慢过渡区。未冻水含量的变化量小于1 ，但大于0 1 ； 一i 0 0 以下为实际的冻透区。温度每降低1 ，水相变成冰的数量不超过 o 1 。 俄罗斯学者e g o rg s t a r o s t i n 用量热法研究了未冻水含量与总含水量的关 系。由于湿存水与纯水结晶热不同，首先通过试验测定土壤水的结晶热，然后 用它来计算未冻水含量。试验表明，在低含水量条件下，未冻水含量对总含水 量有明显的依赖关系，当含冰量增大时，这种依赖关系则不明显。 2 土的冻结温度 标准大气压与自由水的冻结温度是o 。c ，但处于矿物颗粒表面力场中的孔隙 水，特别是当其呈薄层( 薄膜水) 时，冻结温度更低，而土的冻结温度足指上 体中孔隙水稳定冻结的温度，土体孔隙水的冻结有其自身特点，这是山于与土 体矿物颗粒表面的相互作用和水中具有某种数量的盐分所决定的。孔隙水冻结 的同时伴随着土体体积增大、析冰作用、土颗粒冻结。 土体中的水由于受土颗粒表面能的作用及溶质的存在和地压力不从心影 响，其冻结温度均低于o 。c ，因而土体的冻结温度应试验测定。 在给定含水量及无外载条件下上体的冻结温度”： 盱一。( 迎) 协 式中”f 土体的冻结温度， w 。- 一土体的含水量， a ，b 由土质决定的常数，由试验确定。 在相同初始含水量的情况下，土颗粒细的，其冻结温度低；土颗粒粗的冻 结温度高。一般情况下，当含水量为液限含水量时，粘性土类的冻结温度为 一0 1 0 3 左右：砂和砂性土的为o 一0 2 。 土的含盐量的大小也影响着它的冻结温度的高低，含盐量大，其冻结温度 低，而含盐量又与水分有关，土的含水量大，土中盐稀释，冻结温度高；土的 含水量小，盐的浓度增大，冻结温度就低。试验表明，当土的含水量不同时， 冻结温度也不同，其规律是土的冻结温度随含水量的增加而升高。 8 卧龙湖矿冻结法凿井安全快速通过特厚粘土地层关键技术研究 2 1 4 冻结壁平均温度的计算方法 冻结壁的平均温度足计算冻结壁厚度的基本参数之一。冻结壁的平均温度 主要取决于冻结壁的厚度、盐水温度、冻结孔间距、井帮冻l 温度等因素，而 受冻结管直径的影响较小。 在实际工程中筒形冻结壁不仅径向各点的温度不同，环向各点的温度也有 所差别。加上由于钻孔的偏斜，以及每个冻结管在冻结过程中的差别，实际形 成的冻结壁是不均匀的，要精确计算冻结壁的平均温度是困难的。一般近似地 按冻结孔最大j 日j 距处主、界醯冻结壁平均温度之和的一半来计算。 现有的冻结壁平均温度计算公式可分为三类： 第一类是由纯理论推导得出的，如特鲁巴克公式是由单个冻结管传热条件 推导出来的，未考虑邻近冻结管的相互影响和井筒的实际冻结状况，计算出来 的冻结壁平均温度偏高1 5 刮； 第二类是通过模拟试验得出的半经验公式，如纳索诺夫一苏普利克公式， 但模拟试验冻结过程的冻结壁厚度较小，且术考虑井筒的实际冻结状况，计算 结果只在较小的范围内适用1 5 ； 第三类是通过实测得出经验公式，如斯捷潘诺娃公式，它比较接近实际， 但由于利用该公式时需事先掌握冻结管外壁的温度情况，而该温度受冻结管内 盐水运动状况、冻结时间和冻结壁厚度等因素的影响，很难精确计算，加上该 公式未考虑井帮冻土温度对冻结壁有效厚度的平均温度的影响，适用范围也受 到一定的限制忙”。 陈文豹、汤志斌在潘集冻结试验井、潘一东风井和潘二南风井的冻结壁温 度场试验实测和理论基础上，对冻结壁的平均温度特性和内外侧厚度比值等进 行了分析研究，提出在冻结管直径为1 5 9 r n m 和盐水温度为层流状态时，冻结壁 平均温度的经验公式( 成冰公式) ： 1 1 厂厂、 吼8 7 5 磊+ 0 2 6 6 柱j _ 0 4 6 6 ( 2 - 1 1 ) 式中。c 一按0 边界线计算的冻结壁平均温度， 屯盐水温度，； ，冻结孔间距，m e 冻结壁厚度，m ( 2 一1 2 ) 卧龙湖矿冻结法凿井安全快速通过特厚粘土地层关键技术研究 c 冻结壁有效厚度的平均温度， 。一最大地压水平处的井帮冻土温度，： 井帮冻土温度每升高或降低l 对冻结壁有效厚度的平均温度的影 响系数。一般取o2 5 0 3 0 ，当井帮土壤温度为正温时j ) ( 0 。 22 冻结壁厚度计算理论 1 轴对称平面力学模型计算方法 ( 1 ) 无限长弹性厚壁圆筒公式 视冻结壁为在均布外压作用下的无限长弹性厚壁圆筒，即 叫州im 咱p - - 1 ( 2 ，13 ) 式中e 冻结壁厚度，m ； r 井筒掘进半径，m ； b 】冻土的容许应力，一般可取瞬日、j 单轴抗压强度的1 ( 2 5 4 ) ，m p a ： 以系数，当用第三强度理论时( 为拉麦公式) ，取值2 ；当用第四强度 理论时，取值3 ； p 冻结壁的径向外载，m p a 。 ( 2 ) 无限长弹塑性厚壁圆筒公式 视冻结壁为在均布外压作用下的无限长弹塑性厚壁圆筒，允许冻结壁内圈 处于塑性状态，外圈仍处于弹性状态下而不失稳定性，即 r，、2 e = r 。 ：p p _ + 丸1 卫 | ( 2 1 4 ) 盯， o - 。i 式巾办、九系数，当用第三强度理论时( 为多姆克公式【7 4 1 ) ，分别取值0 2 9 和2 3 ；当用第四强度理论时，分别取值o 5 6 和1 3 3 ； 仃。一一与冻结壁暴露时间相适应的冻土氏时抗压强度，也可取瞬时抗 压强度的1 ( 2 2 5 ) ，m p a 。 ( 3 ) 无限长塑性厚壁圆筒公式 国内外一些学者认为，在深厚冲积层冻结时，可使冻结壁全部进入塑性状 态极限状态，以一定的安全系数来保证冻结壁的安全度，则 - 1 0 - 卧龙湖矿冻结法凿井安全快速通过特厚粘十地层关键技术研究 。一a ( 外 t 式中丸系数，当用第三强度理论时，取值1 ；当用第四强度理论时， 取值3 2 ： k 一安全系数，取值1 1 1 3 。 2 轴对称空间问题力学模型计算方法 般也称为有限长( 有限段商) 的塑性( 或粘塑性) 厚壁圆筒公式。 冻结井筒一般采用短掘短砌的施工方法，因此采用有限段高模型更接近实 际，有限段高模型中，段高上、下端约束条件对冻结壁的变形有很大影响，必 须予以考虑。 ( i ) 按强度条件计算： 前苏联学者里别尔曼提出永极限平衡原理的极值曲线原理计算冻结壁的厚 度，假设： 冻结壁的外侧面的地压为p = 一囊； 段高的上下段固定； 冻土为塑性体； 根据第三强度理论，抗剪强度为抗压强度之半； 计算时考虑到强度松弛，取随时间变化的冻土强度。 推导出公式： ，h ， e = 一l a k ( 2 1 6 ) 盯f 式中 段高，m ： k 安全系数，为1 1 1 ，2 ： 盯，冻土松弛强度，取与冻结壁暴露时间相一致的冻土长时抗压强 度，m p a 。 前苏联学者维亚洛夫、扎列茨基采用与里别尔曼完全相同的假设，采用第 四强度理论，得出如下公式： e = 也丝 ( 2 1 7 ) 式中z 为支承条件系数，当井心未冻实时，视冻结壁在段高上端固定， 下端不固定，2 ，- 1 ；当井心冻实时，视冻结壁在段高上下两端 固定，z = 0 5 。， ( 2 ) 按变形条件计算 卧龙湖矿冻结法凿井安全快速通过特厚粘十地层关键技术研究 前苏联学者维亚洛大、扎列茨基采用通过对冻土流变性的研究和模拟 提出应按变形条件计算冻结壁的厚度： 。，等3 急”r 一， 1 8 ) l l丁p ，f ) v k 一刊j 式中r 。井筒掘进半径，m ： f 段高上、下端约束程度的参数，0 孝o 5 ：若上端固定，下端 不固定时，善= 0 ；若下端也基本固定时，亭= 0 5 ； “。冻结壁内表面容许的最大径向位移值，m ；一般取o0 3 o0 6 m ； a ( o ，f ) 随时间变化的变形模量，m p a ；a ( o ，) 是时间和冻土温度的 函数，在温度一定时可表示为：爿p ，f ) = c t t 一。其中r 为m j - f 日j ，r a i n ，q 、c 2 为试 验系数。 h 段高，m ； m 冻土的强化系数，砂土一般取值o 2 7 ；粘七一般取值0 4 。 冻土蠕变本构关系式为： s ：a 伯b 8 ，。 将其转化成复杂应力状态下的冻土蠕变本构关系，并由剪应力强度和剪应 变强度来表示有可得： 一= 砺r ，f 。 ( 2 一t q 、 式中孤刃复杂应力状态下的试验系数，且有孤葡= 3 v a ( e ) 。 从而式( 5 - 6 ) 又可描述为： 。忙) ) 谢去硐群+ t 卜。 z 。， 陈湘生博士在维亚洛夫公式基础上，通过冻土三轴剪切蠕变模型试验， 将冻土蠕变本构关系中的温度也分离出来，提出了深冻结壁设计理论及公式： e r 。 磐； + i ) 鲁 r 式中r 。井筒掘进半径，m ； f 工作面约束参数，o o 5 ； p 一水平地压，p = o 0 1 3 h ，m p a 卧龙湖矿冻结法凿井安全快速通过特厚釉十地层关键技术研究 日设计深度，m ； “冻结壁内侧最大允许径向变形，m ； h 空帮高度，m ； f 掘砌时问。 式中其余参数基1 二冻土蠕变数学模型： ”浠啦。 ( 2 2 2 ) 式中 y ，一一冻土蠕变剪应变强度； 口冻结壁平均温度的绝对值，； r ，一一冻土蠕变剪切应力强度； a 。、k 、口、c 试验参数。 3 数理统计法 近年来，我国学者总结了建国以来冻结井筒的冻结壁设计与施工经验，采 用数理统计的方法，将所有井筒掘进直径变换成8 m 等小直径。用幂函数曲线 来拟合安全施工曲线得： e = 积。h 4 ( 2 2 3 ) 口、卢经验系数，a = o 0 4 ，口= o ，6 1 。 耻“= 喾 测温孔位于内侧冻结壁中时有 e ：。i t ： t a r l e ： 垒一 ( 2 - 2 5 ) o 4 0 o 4 5 式中 冻结管的内半径，m ； ，测温孔中，山至 曩；结管中心的距离，川； 1 3 卧龙湖矿冻结法衢井安全快速通过特厚粘土地层关键技术研究 f 测温孔实测温度，。 冻结壁厚度计算是一项相当复杂的工作，由于壁内温度分布带来强度的非 均匀性，冻土的流变特性，实际冻结壁的非对称性、地压的不确定性、段高及 约束条件、冻结壁整体强度与试块强度的不一致性等给计算工作带来许多困难。 目前，国内外学者正在通过现场实测、模型试验与理论计算相结合的方法来解 决这一难题。 2 3 卧龙湖煤矿冻结参数优化设计 2 3 1 冻结方案总体设计 1 冻结技术方案设计 根据大量深厚粘土层冻结设计经验，决定主、副、风井均设计采用主排孔 加辅助孔冻结方式。主排冻结孔深度根据地质条件及工程特点，确定采用全深 冻结方式，辅助孔深度根据井筒地质条件、开挖速度、冻结时问、冻结壁厚度 及整体强度要求确定采用全深冻结方式。确定冻结深度参数如下： 主井：主排孔：2 8 5 m辅助孔：2 3 0 m 副井：主排孔：2 7 0 m辅助孔：2 3 0 m 风井：主排孔：2 7 5 m辅助j l ：2 3 0 m 2 冻结壁设计 ( 1 ) 冻结壁设计基本参数 卧龙湖矿主井设计净直径中5 0 m ，井壁最大厚度o 9 m ；副井设计净直径中 6 2 m ，井壁最大厚度1 0 m ；风井设计净直径中5 0 m ，井壁最大厚度0 8 5 m 。 ( 2 ) 冻结基本参数 冻结盐水温度：t y = 2 6 3 0 。 控制层位冻土平均温度：一1 2 ( 2 ： 控制层位：下部粘土层； 冻土抗压强度：按冻土试验参数选取巧一1 0 = 3 18 m p a ； ( 3 ) 冻结壁厚度设计 按里别尔曼公式 e 主4 3 me 副= 4 5 me 风= 4 3 m 按维亚洛夫扎列茨基公式计算 当上端固定，下端固定不好时h = 2 5 m e = 4 0 5 m 按煤矿冻结法凿井技术规程中强度公式计算冻结壁厚度 e = 4 2 m 卧龙湖矿冻结法凿井安全快速通过特厚粘土地层关键技术研究 根据计算结果，综合考虑井筒开挖荒径的大小，开挖前冻结时j 司要求及丌 挖速度要求，确定冻结壁厚度如下： e 主= 4 3 me 副一4 5 me 肛l = 4 3 m 3 冻结孔布爨设计 根据冻结壁设计的原则，纬合冻结壁厚度、掘进荒径的变化及掘进速度要 求，并考虑以往冻结施工经验，综合确定冻结孔布置圈直径、孔问距。 ( 1 ) 土排孔设计 d u = d j + 2 ( 印十e g ) d o 一一冻结孔单圈布置圈径，r 1 d j 一一冻结井筒掘进直径，m e d 一一冻结壁厚度 q 一一冻结壁内侧扩展系数，取o 5 5 o 6 0 ； h 一冻结深度，m e 一一冻结孔允许偏斜率，一般要求 0 r 3 。 冻结孔数目： n ：堕 ， d 主= 13 2 mn 主= 3 5 个 d 副= 15 0 mn 副= = 4 0 个 d 风= 1 3 2 mn 风= 3 5 个 开孔间距：l 主= 1 1 8 4 m ln = i 1 7 8 ml 风= 11 8 4 m ( 2 ) 内排辅助孔设计 d 主= 9 8 mn 主= 1 6 个 d n = i o 2 mn 副= 1 7 个 d 风= 9 8 mn 风= 1 6 个 丌孔间距：l 主= 1 9 2 3 ml 副= 1 8 8 4 ml 风= 1 9 2 3 m 4 冻结管结构设计 f 1 ) 主排冻结管 主排冻结管为0 1 3 3 x 6 m m 低碳无缝钢管内管筘焊接。 ( 2 ) 内排冻结管 内排冻结管为中1 5 9 x 6 m m 低碳无缝钢管内管箍焊接。 ( 3 ) 供液管规格 主排冻结管内置q b 7 5 x 6 m m 聚乙烯软管；内排冻结管内置0 7 5 x 6 m m 聚 乙烯软管。 卧龙湖矿冻结法凿井安全快速通过特厚粘士地层芙键技术研究 5 水文子l 及测温孔设计 f 1 ) 水文观测孔 水文孔冒水是冻结壁交圈的标志，为准确反映冻结壁真实交圈情况，主井 设计两个水文孔，其中一个3 5 m ，一个1 6 4 m ；副井殴计二个水文孔，其中一个 3 4 m ，一个1 6 4 m ；风井设计二个水文孔，其中一个3 3 m ，一个1 6 4 m ；水文孔 用0 1 0 8 x 4 ，5 r a m 无缝钢管外管箍焊接。 f 2 ) 测温孔 为能准确掌握冻结壁实际发展情况，在冻结壁不同1 廿置设苛测温孔，以测 得冻结温度场温度情况。主井设计三个测温孔，其中两个2 8 5 m ，一个2 4 6 m ； 副井设计三个测温孔，其中二个2 7 0 m ，一个2 3 6 m ；风井设计三个测温孔，其 中两个2 7 5 m ，一个2 4 6 m ；测温孔用0 8 9 4 m m 无缝钢管外管箍焊接。 6 冻结时间的计算 ( 1 ) 交圈时间估算( 砂层) ： t f 3 7 d ( 2 ) 试挖前冻结时间：t l = t 0 + 8 = 4 5 d ( 3 ) 试挖至正式开挖时间( 掘砌深度为2 0 m ) t 主2 = t 副2 = t 风2 = 1 5 d ( 4 1 正式开挖至冻结段掘砌结束时间 t 主3 = 4 7 d t 副3 = 4 0 dt 风3 = 4 2 d ( 5 ) 套壁时问 t 主4 = t 副4 = t 风4 = 3 0 d ( 6 ) 总冻结时间： t = t 1 + t 2 + t 3 + t 4则 t 主= 1 3 7 dt 副j = 1 3 0 d，i 风= 1 3 2 d 2 3 2 冻结工程施工方案 2 0 0 4 1 2 9 在皖北煤电集团公司二楼会议室召开关于卧龙湖矿井主、副、风 井井筒冻结工程技术评定会，与会专家列投标卧龙湖矿主、副、风井井筒冻结 工程标书进行详细的评议，对卧龙湖矿井三个井筒冻结技术形成意见如下表 表2 1 卧龙湖煤矿3 个井筒冻结主要技术参数 序号参数 主， 副升 风井 l 冻结难厚度 43 m4 5 1 2 24 t 3m 2 冻结深度主孔2 8 5 m土孔2 7 0 m 土孔2 7 5 m - 1 6 卧龙湖矿冻结法凿井安全快速通过特厚粘士地层关键技术研究 辅孔2 3 0 m辅孔2 3 0 m辅孔2 3 0 m 冻结壁平均温 3 不高y - 1 2 c不高于一】2 不高于，1 2 主排1 32m主排i50 m主排1 3 2m 4冻结圈径 辅排9 8m辅排1 0 2m辅排9 8 m 丰排不大下1 2 m 丰排不夫干1 2 m卡排z i 人t - 12 m 5冻结孔间距 埔排不( 于2 0 m辅排不人丁2o m 辅排不大干2 0 m 6水文孔 二含、三含分层分孔报道 7 测温孔 不少丁3 个，分外圈外侧、两圈之间和内圈内侧布置。 8井筒需冷量 1 9 0 万人卡不小t2 1 0 万大k不小于l8 0 万人k 9盐水温度 不高_ z - 3 0 。c不高于。3 0 不高于一3 0 1 0 冻结管管径 主孔c p l 3 3 6m m ，辅孔q d 5 9 x 6 m m 。 沟槽施 到开机时间1 2 天，开机到试挖时间4 5 天，试挖到开 1 1 丁期 挖时间15 天。 i 7 卧龙 鲥矿冻结法凿井安全快速通过特厚粘十地层关键技术研究 3 卧龙湖冻结法凿井信息化施工技术研究 31 研究的主要内容与预期达到的目标 冻结法技术的关键是冻结壁的安全和稳定性问题，然而，冻结壁的力学特 性不仅与冻土的类型、承受倚载的大小、施工方式、施工条件有关，更重要的 是冻结擘温度场的性状还取决于冻土的温度状况。因此，研究冻结壁温度场分 布特性，是计算冻结壁强度及其稳定性的前提。研究冻结井筒温度场的分布规 律和冻结壁的形成规律，对合理地设计冻结壁厚度和施工参数，制定合理的冻 结方案和施丁工艺，正确地解决冻结与掘砌的关系等具有重要的意义。到目前 为止，还没有一个能够反映真实现象的理论分析。 本课题从单一冻结管作用一f 的冻结温度场出发，以测温孔的实测数据为基 本数据，假定测温时实测层位的温度场为稳定的二维温度场，考虑冻结孔实际 偏斜和孔与孔之间的相互影响，对此测温层位的冻结壁温度分布情况进行分析， 然后求出每个测温层位的冻结壁的温度曲线和平均温度，以期反映整个冻结壁 温度场的真实情况。所以应从如下五个方面进行着重研究： 1 较为全面真实地模拟冻结壁的温度场分布状况，获得冻结擘安全性计算参 数，判断冻结壁可靠性； 2 考虑施工步序，施工方法对实际冻结壁、冻结管的稳定性的影响； 3 无论是对冻结壁的匝分析还是反分析，所采用的模型不能过于简单，尽量 与工程实际情况相一致： 4 ，目前反分析计算的目的大都是为了确定所谓的“正确的计算参数”，而更有 意义的反分析在于将反分析的成果用于对实际工程的安全性与经济合理性 的评价与预测； 5 冻结施工过程、冻结壁温度场的计算机可视化。 本课题设计开发一套冻结法凿井信息可视化软件，预期达到的目标如下： i 考虑不同水平剖面冻结管的实际造孔偏斜考虑不同水平剖面冻结管的实际 造孔偏斜，较为真实地模拟出冻结壁温度场的特性； 2 利用测温孔实际测温数据，考虑地层温度、冰点温度等特征，分析计算冻 结壁温度场的特征，计算冻结壁实际最大和最小厚度，并利用单元温度的 概念，计算冻结壁有效厚度上的平均温度； 3 根据冻土力学性能( 冻土