高海拔矿井多年冻土地下冰地段热融灾害研究

2013-08-03刘剑璞王玉臣刁明富

山东工业技术 2013年14期

刘剑璞王玉臣刁明富

（肥城矿业集团有限责任公司，山东肥城271608）

0 引言

高海拔矿井多年冻土中的冰受热融化后导致土体发生收缩、沉陷的过程即为热融作用，其形成的地形又被称为喀斯特地貌。目前，热融地貌主要被分为2 种类型∶1）高海拔矿井多年冻土地下冰受热融发生沉陷，即热融沉陷。这种现象主要发生在高原地区或平原地带；2）高海拔矿井多年冻土地下冰受热融发生滑塌，厚层地下冰热平衡状态被人为活动或自然的影响破坏，同时由于重力的原因，土体冻融界面发生热融垮塌或者移动，由于其自身的重力作用是的热融界面冻土发生垮塌。

高海拔冻土的热融主要是由于冻土中冰的融化造成的。高海拔多年冻土地下冰地段的常年不断的开发和建设，对于矿井，进行井筒开挖等活动使得多年冻土地下冰地段的热平衡状态遭到严重破坏，影响地中热和多年冻土地温场周转收支平衡的变化。

1 高海拔多年冻土地下冰地段的压缩与热融沉降

高海拔多年冻土地下冰地段在冻结过程中其水由于冻结成冰体积通常增大9%，同时，过程中还伴随着冻胀、水分迁移、土骨架位移、析冰等现象，导致融土的结构发生变化。在冻土进行融化的过程中，热融排除水剩余空间发生融化固结的现象以及矿物颗粒也会随之发生位移，导致其局部产生向下运动，即发生热融下沉。在冻土自重作用力下，冻土热融融化下沉量被称为冻土热融融化下沉系数，该系数被用来对冻土的融化下沉特征进行描述，建立相关表达式为∶

其中∶△h 表示为具有厚度为h 的冻土冻层在热融融化形成的下沉量，其数值大小与冻土内部的含水量、颗粒组成，起始融化下沉干密度等相关因素有关。

2 高海拔矿井多年冻土区热融滑塌形成机理探讨

热融滑塌在高海拔矿井多年冻土中普遍存在，主要是由于热融滑塌诱发因素及冻土条件具有紧密联系。多年冻土对温度是极为敏感的，其强度随着冻土温度的升高会显著降低，尤其是在热融后其强度会发生巨大变化，导致强度急剧下降。

高海拔矿井地下冰段区域的热融滑塌的失稳因素可以归结为∶①厚层地下冰的存在且埋藏深度较浅易受地表气温变化的影响，具有相对隔水和摩擦阻力极低的冰面是热融滑塌形成的内在因素；②不合理井筒开挖引起的厚层地下冰的暴露且使井筒周围形成临空面而使其失去支承力，这是热融滑塌形成的外在因素(诱发因素)。

3 高海拔矿井多年冻土区热融的防治原则

各类工程一般在自然状态下的遇到的因特殊不良地质问题发生的热融现象都采取避让措施，若必须经过该地区时，则需要采用有效的防治措施∶①减少大气降水的渗入、侵湿及水的危害；②减少对动多年冻土的破坏和扰动，尽量保持其热平衡状态；③采用较好的防护工程措施，减少基底的蓄热或增加基底的冷储。

3.1 冻土层中井筒掘进不存在太大的问题，主要是井颈明槽部分的施工应注意明槽两侧的热融后滑塌。为防止冻、融对井壁的破坏，井筒周围壁后要采用厚层（50-70mm）泡沫塑料衬垫，一方面起到隔热效果，防止砼凝固产生的热量和井筒通风时暖风流的传导热对壁后冻土层的融化影响，另外也可缓减井壁后的土层发生二次冻结时的冻胀对井壁的影响。3.2 三条井筒要通过F8 断层，断层带岩石破碎，而且有可能积聚水与瓦斯，因此在施工中应提前采用探水钻探测，并制定施工方案。掘进中加强临时支护，短掘短砌，并采用砼或挂网锚喷支护。

4 高海拔矿井多年冻土区热融温度变化及防治效果模拟

4.1 热融温度物理模型

在高海拔矿井多年冻土地下冰段进行开采，为防止冻融对矿山井壁的破坏，采用采用厚层（50-70mm）泡沫塑料衬垫在井筒周围壁后。

对物理模型采用5 节点单元格进行单元格划分，将其划分为2959个节点以及2830 个单元格。结合地区气候特征以及泡沫塑料衬垫附面层原理及表面热辐射特征，假定泡沫塑料衬垫表面温度边界条件为∶

利用天然热融滑塌模型计算结果得出泡沫塑料衬垫温度为-15℃作为模型初始地温条件。

4.2 模型控制方程

高海拔矿井多年冻土地下冰地段的热融滑塌的突出特点主要表现在于土体滑塌后冻土整体结构产生了变化，滑塌后的冻土较为松散，使得其导热系数逐渐降低，故稳定的冻土温度场分布与热融滑塌温度场分布是存在巨大区别。未冻结水在计算过程中只考虑其含量属于温度的函数，故可以用二维热传导微分方程描述热融滑塌温度场的分布规律，即∶

式中∶t 为热融时间变量，d；T 为多年冻土的土体温度，℃；k 为多年冻土的导热系数，kJ/(m·d·K)；λ 为热融滑塌体积比热容，kJ/(m3·K)；ky、kx分别为y、x 方向的多年冻土导热系数。

4.3 模型模拟的计算结果及分析

高海拔矿井多年冻土地下冰段主井井巷采用隔热缓冲垫层(50mm)，其结构图如下所示。

图1 主井井巷冻土层泡沫塑料衬垫结构图

由图1 可知，主井井巷冻土层的泡沫塑料衬垫主要分布在外围，地温分布特征的明显区别集中在滑坎位置。

图2 泡沫塑料衬垫与低温拟合曲线图

由图2 可知，模拟得出矿井位置融化深度与位置关系图，结果显示主井井巷采用隔热缓冲垫层(50mm)措施后，井巷的地温明显降低，使得多年冻土将处于持续冻结状态，保护了冻土层的稳定性，抑制热融滑塌的产生。结果显示，矿井井筒整体地温低，其冻土平均地温为-1.74℃，但是不同深度地温也较低，其温度为-2.50 m、-3.0 m 深度地温平均值为-1.85℃、-1.79℃。在季节融化期矿井多年冻土冰地段0℃等温线明显抬升。