立井冻结壁温度与冻结压力现场实测研究，张松涛，汪仁和，为了掌握立井在冻结和融化过程中冻结壁温度形成和变化规律及外层井壁冻结压力相关性特征，对井筒冻结壁温度和冻结压力进行了监测

为了推进割孔注浆技术在西部富水软岩地层全深冻结立井井筒防治水中的应用,以大海则煤矿主立井防治水为工程实例,详细介绍了割孔注浆技术的现场应用情况及取得的成果。实践表明,合理地采用该技术可成功地封堵冻结管外环形空间导水通道,并对受注地层导水裂隙起到了封填堵水的作用,达到了防治水的目的,确保了矿井井筒的安全。

针对西部含水软岩冻结井筒马头门维护困难的问题,利用数值模拟、现场监测等手段进行马头门破坏机理分析,并提出修复加固设计。现场应用结果表明,利用锚-注-喷等多种方式进行修复加固,可提高马头门、井筒及巷道相接处的围岩强度,能够有效地降低马头门变形破坏程度。

为研究第三系红层软岩在低温下的蠕变特性,对冻结红层进行单轴蠕变试验,试验结果表明,在应力水平较低时,软岩只存在衰减蠕变,随着应力水平的增大,当超过流变长期强度时,出现了非稳定蠕变;同时,随着温度的降低,软岩的瞬时应变量和蠕变量都会明显减少,而长期强度则有较大幅度的增长,说明温度对软岩及冻结壁的流变性质影响十分显著。引入与时间和应力相关的非线性黏滞系数和时间开关函数,对西原模型进行改进,得到了可以描述加速蠕变的非线性流变本构模型,通过试验数据对冻结红层软岩的参数进行了辨识。将流变模型嵌入到abaqus有限元程序,并对井筒开挖进行数值模拟,获得冻结壁最大位移与时间曲线,通过与实测值进行比较,两者较为吻合。可见,建立的流变模型能够很好的描述冻结红层软岩的蠕变规律。

为了深入研究第四系地层的冻结发展规律,现场实测了西部某矿风井的冻结温度变化,结合-650 m层位砾岩热物理参数,采用ANSYS数值模拟软件分析冻结壁温度场发展规律,得到了冻结壁发展速率等关键技术参数,验证了实测规律。并预测分析了冻结壁厚度、冻结壁平均温度、井帮平均温度、交圈时间等设计参数。此研究对该地区矿井的冻结设计、方案优化和冻结施工具有指导意义。

高家堡煤矿风井深820m,穿越厚度达380m的高水压、大流速深厚富水软岩含水层,最大涌水量达2 219.63m3/h,采用冻结法施工。为了确保冻结封水效果,采用一次冻全深方案,并采用"三大一小"施工方式,即大直径冻结管、大盐水泵、大装机制冷量、小开孔间距。冻结孔采用外、内圈孔插花加防片帮孔的布置方式。冻结初期,快速降低盐水温度,实现了冻结壁早交圈,井筒早开挖。利用部分冻结孔,对深厚含水层裂隙进行注浆充填加固,减小地下水流速,保证了冻结效果。该井筒冻结施工所取得的成功经验,可为西部富水软岩地层冻结法凿井设计和施工提供借鉴。

西部软岩冻结凿井施工设计主要参照中东部冻结凿井施工经验,造成掘砌段高、冻结强度等关键参数设计无可靠依据。为此,通过对冻结软岩围岩径向变形主要影响因素进行辨识,并充分考虑影响因素之间的内在关联性和实际工程状况,根据正交试验理论设计了4因素4水平正交试验方案;根据中砂岩强度参数与冻结温度的相关性,通过fish编程对数值模型进行参数赋值;经过模拟分析,确定最大径向位移点出现在2.13h/3处,采用2h/3处径向位移为评价指标,经极差分析,掘砌段高对径向变形影响最大,且段高超过4.0 m后影响显著,最后经补充实验方案模拟分析,结果表明,掘砌段高影响最大,为22.7%,而冻结强度为-24.0℃时,增加冻结强度对控制冻结变形并不明显。分析结论对冻结凿井施工中冻结温度的确定和掘砌段高设置具有重要应用价值。

冻结壁是冻结法凿井中的临时支护结构,在冻结工程中的作用是非常重要的[1]。许多冻结工程都遇到了需要穿越深厚富水岩层的问题。但是,我国相关方面的理论研究与实践经验都比较欠缺。开展人工冻结软岩的实验研究、探讨软岩冻结壁的相关物理力学特性对井筒冻结设计具有重要的指导意义。

为掌握西部侏罗系地层深厚含水基岩段井筒外壁荷载,采用振弦式传感器,对新街矿区红庆河煤矿二号风井基岩冻结压力进行现场实测分析,得到外层井壁冻结压力变化规律。研究表明:冻结压力发展趋势表现出阶段性特征,即在混凝土井壁浇筑后的12d内,急速增大,达1.286~1.371 MPa,为最终稳定值的70%~88%;随后缓慢增长、降低并趋于稳定。受多种因素及原位测试影响,冻结压力在同一层位,呈现出非均匀分布的特点。侏罗系软岩地层实测冻结压力最大值为1.872MPa,远小于中东部冲积层冻结压力上限值,也小于西部基岩段冻结压力最高经验值,为保证冻结凿井施工安全提供了依据。

为解决西部白垩系富水地层冻结法凿井的技术难题,采用振弦传感器和热电偶对甘肃某矿风立井外壁竖筋、环筋受力与冻结压力的变化规律和成因以及外壁温度场的变化等进行实测。结果表明,外壁竖筋先受压后受拉,最大拉应力达81.711 MPa,环筋均受压,最高为-42.113MPa;冻结压力达1.098~1.724 MPa,但远小于东部冲积层限值;外壁浇筑后急剧升温,最高为62.3℃,随后迅速降低并低于-10℃,同一点前后温差在70℃以上;井壁设计过于保守,施工进度慢、成本高,对西部立井井壁设计施工需进一步优化。