深厚冲积层和深厚含水岩层800m冻结安全快速施工技术

李粮店矿（深厚冲积层和深厚含水岩层）800m冻结安全快速施工技术,汇报人：李功洲研究员现供职单位：国投煤炭有限公司,主要汇报内容,一、问题的提出二、项目研究的关键技术三、主要创新点四、主要技术经济指标和经济效益五、与国内外同类先进项目对比六、推动技术进步的作用和推广效果,一、问题的提出,李粮店矿主、副井筒穿过近500m深厚冲积层和250m深厚含水岩层（简称“双深厚地层”），冻结深度分别为772m、800m，为目前我国最深、国内外连续冻结段长度最大的冻结井。双深厚地层广泛分布河南、安徽、山东、宁夏等地区，而对于双深厚地层全井深冻结设计、井壁设计和快速施工理论和技术国内外均没有成熟的经验可供借鉴。研究解决类似地层的冻结法凿井安全快速施工技术具有重要的理论和现实意义。,难题2：冻结孔布置方式和工艺,难题1：冻结壁厚度设计方法,冻结壁设计与实施,一、问题的提出,双深厚地层冻结法凿井存在的主要问题是：全井深冻结壁的设计与实施，全井深井壁结构形式和设计两类问题。,问题之一,难题3：实现冻结和掘砌施工中的协同、安全、快速施工,问题之二,井壁结构形式和设计,难题4：井壁的结构形式与设计,现状及局限：以往针对冲积层下部少量含水岩层沿用冲积层冻结法凿井理论和技术，成本高，速度慢，且容易发生冻结管断裂事故。用于双深厚地层成本更高，难以承受，如果发生断管事故，将是灾难性的。,难题1,冻结壁厚度计算方法,一、问题的提出,难点：需要解决双深厚全井深冻结壁厚度设计计算方法,现状及要求：传统思路片面强调过低井帮温度，井心冻实，实施速度慢、效率低下。需要创新，实现冲积层段冻结壁浅部不片帮、深部冻土挖掘量小（俗称“吃溏心”），且外层井壁不压坏、冻结管不断裂，经济、安全施工。,难题2,冻结孔布置方式和工艺,一、问题的提出,难点：要研究解决冲积层和基岩段冻结孔垂直空间协同布置理论和应用技术,现状及局限：以往对冻结壁形成状况的工程预报和调控停留在根据工程实测数据进行图解分析或数值模拟，缺少对冻结壁形成特性基本规律的定量、精细化分析，准确性、实时性差。难以实现预期效果和深井冻结需要。（该快的不快，该慢的没有慢，盲目，不安全）。,难题3,一、问题的提出,难点：要创新冻结壁形成特性定量、精细化预测预报方法。解决“精、准、快”。,实现冻结和掘砌施工中的协同、安全、快速,现状：现有深井冻结常用的双层井壁结构和设计方法，基岩段井壁过厚，应用成本高，速度慢，实施困难。而按普通凿井仅考虑基岩地压的井壁设计又很难实现井壁封水功能。,难题4,一、问题的提出,难点：要研究解决适于双深厚地层冻结凿井井壁结构形式和设计方法,井壁的结构形式与设计,当混凝土最高强度等级为C70，主、副井冻结井壁厚度将分别超过1.6m和2.3m，深部基岩段井壁厚度将分别超过1.9m和2.6m。增加投资、工期。,二、项目研究的关键技术,2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用2.2双深厚地层全井深冻结井壁结构2.3冻结壁形成特性精细化研究与工程预报、调控2.4全井深安全快速施工,研究提出多姆克公式、维亚洛夫扎列茨基公式分别计算砂性土和基岩、粘性土冻结壁厚度，最终确定冻结壁厚度的设计理念。,冻结壁厚度计算公式的确立,2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用,但是应用多姆克、维亚洛夫扎列茨基公式的相关参数必须以多圈孔为边界条件来确定。,设计体系：研究提出基于多姆克、维亚洛夫扎列茨基公式分别计算砂性土控制层和基岩、粘性土控制层冻结壁厚度、互为验证、最终确定冻结壁厚度的设计理念。但是应用多姆克、维亚洛夫扎列茨基公式的相关参数必须以多圈孔为边界条件来确定。,多姆克：,E冻结壁厚度，cm；Ra井筒掘进半径，cm；K持久抗压强度，MPa；P计算深度的地压，MPa。,维亚洛夫扎列茨基：,h安全掘进段高，cm；E冻结壁厚度，cm；P计算深度的地压，MPa；s冻土持久抗压强度，MPa；工作面冻结状态系数。,2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用,2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用,基于长期冻结壁温度场实测和理论研究，提出多圈孔冻结壁平均温度计算公式，并成功应用于800m深井冻结设计。,冻结壁平均温度计算公式（关键参数）,或,主孔内侧增设防片帮孔或辅助孔（双圈孔）冻结时冻结壁有效平均温度计算公式：,主孔内侧增设防片帮孔和辅助孔（三圈孔）冻结时冻结壁有效平均温度计算公式：（四圈孔）,冻结壁平均温度根据工程实测、模型试验、理论计算等成果综合分析，认为深厚冲积层可以应用改进的成冰公式计算。,单圈孔,2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用,研究得出计算公式中砂性冻土强度取值安全范围。,冻土安全强度取值（关键参数）,图1砂性冻土强度（K）与冻结壁平均温度（tc）的关系,2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用,研究提出深井多圈孔布置圈数确定原则，并提出各圈圈径计算公式。研究提出主冻结孔布置在最外侧、其内侧增设辅助冻结孔和防偏帮孔的三圈孔布孔方式作为800m深厚冲积层、深厚含水岩层冻结孔布孔模式。,冻结孔布孔方式的确定,2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用,冻结孔布置圈直径计算方法,表1李粮店矿冻结方案设计主要技术指标汇总表,2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用,现场应用,2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用,现场应用,表1李粮店矿冻结方案设计主要技术指标汇总表（续）,2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用,现场应用,图2-2李粮店副井冻结管布置平、剖示意图,图2-1李粮店主井冻结管布置平、剖示意图,图3李粮店主井、副井冻结钻孔偏斜投影图,2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用,副井,主井,现场应用,设计研究提出李粮店矿800m深井冻结段井壁组合结构型式：（1）冲积层、基岩风化带的筒形壁座以上部位采用钢筋混凝土塑料夹层双层井壁结构；（2）筒形壁座以下部位采用单层混凝土井壁结构,2.2双深厚地层全井深冻结井壁结构,冲积层段设计混凝土最高强度等级C80，井壁最大厚度分别为1500mm和1850mm，比以往双层井壁混凝土最高强度等级C70井壁最大厚度分别减薄300mm和350mm。基岩段较用以往设计理论减薄1250mm1500mm。单层混凝土井壁段长分别达194.5m和251.5m。实施效果结构简单、安全可靠、经济合理。,2.2双深厚地层全井深冻结井壁结构,现场应用,表3李粮店主井全井深冻结井壁结构,2.2双深厚地层全井深冻结井壁结构,现场应用,表4李粮店副井全井深冻结井壁结构,2.2双深厚地层全井深冻结井壁结构,现场应用,图5李粮店主、副井全井深冻结井壁结构示意图,副井,主井,设计应用,2.2双深厚地层全井深冻结井壁结构,基于长期对冻结工程预测预报研究与实践。研究提出单孔冻土、单圈孔冻结壁、各孔圈之间冻土交汇成整体冻结壁的内侧及外侧扩展速度的全新量化计算公式；研发了冻结壁形成特性分析软件（自主知识产权）；创建了冻结壁形成特性综合分析方法（发明专利），实现对工程参数即时、定量、精细化预测预报。,2.3冻结壁形成特性精细化研究与工程预报、调控,单孔冻土扩展速度影响因子和计算公式Vd=0.007Vo单圈孔冻结壁平均扩展速度影响因子和计算公式Vb=aTbLchfVd冻结壁内侧、外侧的冻土扩展速度影响因子和计算公式Vbn=mnVb；Vbw=mwVb相邻冻结孔圈之间冻土交汇成整体冻结壁的内侧、外侧扩展速度影响因子和计算公式Vbn=V1bn+n11V1bw+n21V2bn；Vbw=V2bw+n12V1bw+n22V2bn,冻结壁形成特性基本规律计算公式,2.3冻结壁形成特性精细化研究与工程预报、调控,冻结壁形成特性分析软件,2.3冻结壁形成特性精细化研究与工程预报、调控,图3冻结壁形成特性分析软件主要功能及分析计算程序框架图,2.3冻结壁形成特性精细化研究与工程预报、调控,由冻结壁形成特性分析软件和图解法组成冻结壁形成特性计算体系。对工程实测资料加以综合分析计算，对冻结工程进行预报、验证工程预报的冻结壁形成特性参数和调整影响因子，建立综合计算、工程预报与调整的分析方法，即冻结壁形成特性综合分析方法，为冻结段安全快速施工提供科学依据。,表5李粮店矿主井粘性土层及泥岩冻结壁形成特性主要指标的工程预报与实测结果（部分）,现场应用,设计冻结壁厚7.0m，平均温度-15,表6李粮店矿副井粘性土层及泥岩冻结壁形成特性主要指标的工程预报与实测结果（部分）,现场应用,设计冻结壁厚9.0m，平均温度-15,图9李粮店主井、副井粘性土层及岩层井帮温度实测曲线（达到预期，上部不片帮、下部少挖冻土，永吃溏心）,主井,副井,现场应用,李粮店主井冻结240d冻结壁有效厚度变化总图（糖心）,2.4全井深安全快速施工,制定合理开挖时间,现场决策：55d正式开挖；67d正式开挖。,2.4全井深安全快速施工,主井施工掘砌段高调控状况,副井施工掘砌段高调控状况,控制冻结壁裸露时间、适时调控安全掘砌段高,2.4全井深安全快速施工,安全快速施工效果,主井各施工部位工期和施工速度,副井各施工部位工期和施工速度,李粮店主副井冻结深度772m、800m，具有冲积层近500m和含水岩层250m的双深厚地层特点，为目前我国最深、国内外冻结段长度最大的冻结井，创下质量优良、安全、快速（新纪录）的优异成绩。,创新点1（总体实施效果）,三、主要创新点,经中国煤炭工业协会组织的有关院士、专家鉴定，认为：成果达到国际领先水平。,首次研究提出深厚冲积层和深厚含水岩层的800m深井冻结壁设计计算方法，并成功应用，解决了800m深井冻结壁设计难题；采用三圈孔布孔方式，并与差异冻结、异径冻结相结合，解决了800m深井冻结孔布置难题，科学合理，经济，安全，过程可调控。,三、主要创新点,创新点2,首次研究应用了井筒筒形壁座以上采用钢筋混凝土塑料夹层双层井壁结构和筒形壁座以下采用混凝土单层井壁结构的深冻结井井壁组合结构形式，井壁混凝土最高强度等级达C80，解决了800m深井冻结井筒井壁支护设计和应用难题。,三、主要创新点,创新点3,研究提出了单孔冻土、单圈孔冻结壁、多圈孔各孔圈之间冻土交汇成整体冻结壁的内侧及外侧扩展速度计算公式，创建冻结壁形成特性综合分析方法。解决了冻结壁形成过程特性参数快速、定量分析、精细化进行工程预测预报难题，科学指导了施工。实现了上部不片帮、下部少挖冻土。保障了安全、快速施工。,创新点4,三、主要创新点,四、主要技术经济指标和经济效益,实现800m深井冻结无断管、无井壁破坏事故、质量优良，安全施工，冻结凿井平均成井速度达到101.8m/月（创全国冻结段成井最新记录）。井筒已竣工3年多，安然无恙。,指标、效益1,四、主要技术经济指标和经济效益,主井冻结孔总数70个，钻孔工程量38920m。副井冻结孔总数104个，钻孔工程量57610m。主、副井井壁最大厚度分别为1500mm和1850mm，保证强度和安全前提下，减薄18.9%20%。节约直接经济效益5741万元，节省投资16920万元。,指标、效益2,仅李粮店主副井工程应用成果节约费用22661万元。,五、与国内外同类先进项目对比,未查到国外连续冻结800m施工的文献报道。与国内已竣工的深井冻结（650m）比较，见下表。,某一矿副井-429m粉砂层冻结361d共界面冻结壁形成特性示意图,某二矿副井-465m粉砂层冻结207d共界面冻结壁形成特性示意图,工期节约1.8倍外侧厚度贡献小,五、与国内外同类先进项目对比,本课题研究具有许多独特性（见下表）：,六、推动技术进步的作用和推广效果,研究成果在郑煤集团李粮店矿主、副井全面实施，获得成功，推广应用效果好。实现我国深井冻结法凿井技术水平一次重大突破。