白垩系地层冻结壁温度和压力实测分析

吴王青 李栋伟 马乾坤

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽省淮南市，232001）

白垩系地层冻结壁温度和压力实测分析

吴王青 李栋伟 马乾坤

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽省淮南市，232001）

为解决内蒙古海子矿井白垩系地层采用冻结法凿井出现的技术难题，在施工过程中对冻结壁的温度和受力进行现场监测，获得了冻结温度和压力的实测数据，分析得出白垩系地层冻结温度和压力的变化规律。

冻结凿井法 白垩系地层 冻结壁 冻结温度 冻结压力

泊江海子矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市塔然高勒矿区南部，矿井设计生产能力300万t/a，采用立井开拓方式。第四系表土段总厚度6.9m，井筒大部分穿越的是白垩系和侏罗纪地层，其中白垩系地层占整个井筒深度的70%以上，在白垩系特殊地层中采用冻结法建井极少，设计的冻结方案、井壁结构形式与井壁计算均存在较大的不确定性，目前亟需对这些地层冻结法凿井技术进行一系列理论与技术方面的研究。为了解井筒穿过白垩系地层的井壁冻结压力及温度变化，通过工程实测，取得冻结压力及温度实测数据进行汇总分析，以研究白垩系地层冻结温度和压力的变化规律，为井壁的设计及安全性评价提供依据。

1 现场监测内容及方案

图1 测试元件布置方案

根据泊江海子矿井筒检查孔地质柱状图、设计院的井壁结构设计图和冻土物理力学性能测试等资料，结合现场施工的实际情况，对井筒监测分为3个水平：第一个水平埋设垂深为134m，布置8个压力盒；第二水平埋设垂深为252m，布置7个压力盒；第三水平埋设垂深为309m，布置8个压力盒，并且每个水平沿井帮向冻结壁内部布置3个测温点，测点的间距为250mm，测试元件布置示意图见图1。

冻结压力用土压力盒来量测，温度场用热电偶量测，根据量测要求选用压力盒及热电偶规格数目见表1。

表1 监测元件、规格及数量

2 测试结果及分析

2.1 冻结壁内部温度实测分析

根据对3个水平不同位置温度的监测，可获得浇筑混凝土后各测点温度变化曲线，见图2。

由于第一水平在井壁与冻结壁之间没有铺设任何保温材料，混凝土浇筑后散热很快，混凝土浇筑初期井帮温度为－7.75℃，该水平冻结壁对混凝土温度影响占主导地位。而第二、三水平井壁与冻结壁之间铺设了一层塑料薄膜作为保温材料，浇筑初期混凝土内部温度较高，为混凝土早期强度的增长赢得了宝贵的正温养护时间，免除了其低温冻害影响，有利于混凝土初期养护。

从图2可以看出，在混凝土浇筑后，冻结壁各水平上的各测点温度变化趋势基本一致，均经历了以下两个阶段：

（1）温度快速上升阶段。该阶段受混凝土水化热的影响，井壁内部混凝土温度迅速上升，引起靠近井壁位置冻结壁的温度也上升迅速。如第二水平在混凝土浇筑后，水化热开始体现出来，受此热源影响，冻结壁内部不同位置温度也出现不同程度的回升，距井帮500mm、250mm及井帮处测点温度在第2.47d、1.03d和0.76d分别达到最大值，分别为1.95℃、12.8℃和23.4℃，回升速率分别为2.87℃/d、9.6℃/d和13.8℃/d，升温明显。

（2）温度迅速下降阶段。该阶段为测点温度从最大值至回冻到0℃阶段。此时混凝土水化热影响逐渐减小，而冻结管持续提供冷量，并对冻结壁温度影响占主导地位，引起各测点温度快速下降。如第二水平冻结壁内部距井帮500mm、250mm及井帮处分别在5.8d、9.76d和10.78d温度回冻至0℃，回冻速率分别达到0.54℃/d、1.46℃/d和2.32℃/d。

图2 各测点温度变化曲线

2.2 冻结压力实测分析

作用在井壁上的冻结压力主要受冻结壁的变形、土层性质、地层深度和壁后融土回冻时的冻胀特性、冻结壁温度和施工工艺等因素的影响。通过现场监测，获得了各个压力传感元件反映的压力盒压力随时间的变化关系如图3所示。

在实测中，对于有些压力盒其量测数据几乎为零，且随时间未发生变化，原因可能是压力盒被浇筑到井壁内部，无法监测出冻胀压力，因此在进行冻结压力实测数据分析时，均作为不正常情况给予剔除。

从图3可以看出，作用在井壁上的冻结压力发展趋势可分为4个阶段：压力急增阶段、压力降低阶段、压力增长阶段及压力稳定阶段。

图3 井壁冻结压力实测结果

（1）压力急增阶段。井筒监测水平的下一段高爆破掘进时，爆破产生的冲击波对井壁产生了很大的作用力，监测水平面上的压力盒量测的压力表现出压应力急剧增大，荷载作用时间较短，呈直线增加趋势。

（2）压力降低阶段。由于急剧增加的荷载是工作面爆破产生的应力波引起的作用在井壁外边缘的动态瞬时荷载，故这一水平面掘进结束时，下一段高的爆破施工离此水平面越来越远，产生的爆破应力影响也变小了，从而引起了压力的降低。

（3）压力增长阶段。此阶段冻结压力增长主要有两个方面原因，一是由于岩体开挖后集聚的应力得以释放，由此引起冻结壁变形产生的冻结压力直接作用在井壁上；二是受浇筑初期混凝土水化热融化冻结壁的影响，冻结壁经历了融化－回冻过程，产生二次冻胀压力及在水平地压作用下的冻结壁蠕变变形。该阶段现浇混凝土外层井壁的强度不断增加，抵御冻结壁变形的能力越来越强，当冻结壁的变形受到外壁阻碍时，即产生冻结压力且增长迅速；由于这一阶段也是冻结壁受浇筑混凝土水化热融化之后的回冻期，此后冻结压力增长速度较小。

（4）压力稳定阶段。在此阶段，冻结壁的变形速率和外层井壁的强度增长均趋于稳定，因此冻结压力最终也逐渐趋于稳定。随着冻结壁的融化，冻结压力逐渐转化为水土压力并有下降趋势，但最终趋于稳定。

通过数据分析，可以得到3个水平不同方向的最大压力值的平均值，作为该深度处的平均冻结压力，其值分别为：第一水平压力为1.19MPa、第二水平压力为1.37MPa、第三水平压力为1.43 MPa，可以得到平均冻结压力随深度的变化规律如图4所示。曲线拟合结果显示，白垩系地层平均冻结压力随深度的变化几乎成线性关系：P＝1.00691＋0.00139 h（1）

式中：P——均冻结压力，MPa；h——地层深度，m。

图4 平均冻结压力随深度变化曲线

3 结论

（1）白垩系地层的井壁冻结压力主要受岩体开挖后应力释放、井帮温度、冻结壁变形和混凝土水化热等因素影响，导致作用在井壁上的冻结压力发展趋势为4个阶段：快速增长阶段、降低阶段、缓慢增长阶段、趋于稳定阶段，每个阶段冻结压力发展表现出不同速率，冻结压力的早期急剧增长是引起外层井壁破坏的主要原因，在工程中必须考虑。

（2）随着混凝土的浇筑，产生了大量的水化热，由于冻土强度及变形性质与温度密切相关，因此，壁后冻土的大范围升温及局部融化对外壁受力将造成不利影响。但基本上随着深度的增加，水化热的影响越大。由于混凝土产生的水化热，使得冻结壁内冻土出现了二次融化与回冻状态，因此，不能忽略内壁浇筑产生的水化热对冻结壁的影响，同时也要重点研究白垩系地层冻结的二次融化与回冻规律。

（3）将3个水平不同方向的最大压力值进行平均，作为该深度处的平均冻结压力，得到平均冻结压力随深度的变化的线性拟合关系式。

（4）3个水平不同方位上测得冻结压力沿井壁四周的分布呈现出明显的各向异性的特点，主要由于冻结管偏斜、盐水流量分配的不均匀性等因素，造成冻结壁的温度、厚度、强度等不均匀性，从而导致冻结压力在同一测试水平、不同方向存在较大差异，容易造成外层井壁产生剪切力，对井壁安全不利。

［1］ 汪仁和，亢延民，林斌，李栋伟.深厚黏土地层冻结压力的实测分析［J］.煤炭科学技术，2008（2）

［2］ 王衍森，黄家会等.特厚冲积层中冻结井外壁温度实测研究［J］.中国矿业大学学报，2006（4）

［3］ 李运来，汪仁和，姚兆明.深厚表土层冻结法凿井井壁冻结压力特征分析［J］.煤炭工程，2006（10）

［4］ 陈远坤.深厚冲积层井筒冻结压力实测及分析［J］.建井技术，2006（2）

［5］ 王衍森，薛利兵，程建平等.特厚冲积层竖井井壁冻结压力实测与分析［J］.岩土工程学报，2009（2）

［6］ 杨平，郁楚侯，张维敏等.冻结壁与外壁温度和应力实测研究［J］.煤炭科学技术，1999（4）

［7］ 姚直书，程桦，张国勇等.特厚冲积层冻结法凿井信息化施工外层井壁受力实测研究［J］.煤炭科学技术，2004（6）

［8］ 岳丰田，王涛.扎赉诺尔矿区白垩系地层冻结温度场实测与分析［J］.河北理工大学学报（自然科学版），2009（2）

［9］ 亓燕秋，王继献.深厚下第三系红层的冻结设计探讨［J］.中国煤炭，2011（11）

In－situ measurement and analysis on the temperature and stress of freezing wall in Cretaceous stratum

Wu Wangqing，Li Dongwei，Ma Qiankun
（School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science＆Technology，Huainan，Anhui 232001，China）

In order to solve the technical problems of freeze sinking in Cretaceous stratum in Haizi Mine in Inner Mongolia，in－situ measurement on the temperature and stress of freezing wall was conducted during the process of shaft sinking.Then the field data of freezing pressure and temperature was obtained，from which the changing law of freezing pressure and temperature was acquired.The result has an important guiding significance for the design and construction of freezing shaft and project optimization in special strata in Inner Mongolia.

freeze sinking，Cretaceous stratum，freezing wall，freezing temperature，freezing pressure

TD265.3

A

吴王青（1987－），男，安徽池州人，本科学历，安徽理工大学土木建筑学院在读硕士研究生，主要从事冻土力学以及岩土与地下工程研究工作。

（责任编辑 张毅玲）