特厚冲积层主井冻结法施工冻胀力监测研究

公维强 徐学庆 牛 奔

(1.山东矿业管理集团矿建第二项目部，山东 泰安 271204；2.兖州矿业集团杨村煤矿，山东 济宁 272118； 3.山东八一煤电化有限公司，山东 枣庄 277524)



特厚冲积层主井冻结法施工冻胀力监测研究

公维强1徐学庆2牛 奔3

(1.山东矿业管理集团矿建第二项目部，山东 泰安 271204；2.兖州矿业集团杨村煤矿，山东 济宁 272118； 3.山东八一煤电化有限公司，山东 枣庄 277524)

在内、中、外三圈主冻结孔辅以内圈防片帮孔的冻结法施工方案中，通过施工C1，C2测试孔，对冻结壁内外部冻胀力进行了测量分析，研究发现，冻结壁形成过程中内外部的应力、应变变化将显著改变冻结壁内外部初始应力、应变状态，进而直接影响冻结管的受力与变形。

特厚冲积层，冻结法，冻胀力监测

1 工程背景

山东某煤矿主井井筒设计净直径为7 m，井筒建设过程中需要穿过一段特厚冲积层(主要为粘性土层)，冲积层平均厚度为534.2 m。冲积层段设计采用冻结法施工，冻结深度为590 m。因特厚冲积层(粘土层)中的粘土比例高，使得冻结壁的冻结强度较低、流变性显著，施工难度大，风险高。其风险主要表现在：一方面易使冻结管发生断裂，影响冻结壁的安全；另一方面冻结压力的过快增长容易造成井壁破坏，甚至造成整个冻结工程的破坏。为更好的分析、评估、预测冻结凿井过程中冻结壁、外层井壁的安全性能，确保冻结凿井的安全施工，本文对此煤矿开展了主井冻胀力监测技术研究。主井井筒主要技术特征如表1所示。

表1 主井井筒主要技术特征

2 技术方案

2.1 冻结凿井施工方案

主井冻结施工中，地层冻结工程设计采用“特厚冲积层段一次冻全深，内中外三圈主冻结孔辅以内圈防片帮孔”的冻结方案。

2.2 冻结施工的关键问题

外壁、冻结壁和冻结管的安全是冻结法凿井的关键问题，外壁及冻结管的安全主要受到冻结壁变形的影响。即冻结施工中的关键问题是冻结壁的变形。冻结壁形成过程中产生内、外部冻胀力是由土体的冻胀性在特厚冲积层多圈冻结过程中形成的。冻结壁的外载是由冻结壁外部的冻结力构成，而变形能的积聚则是由内部的冻胀力形成。开挖井筒的过程中，在内外部冻胀力的共同作用下冻结壁将加速变形，严重威胁了冻结管乃至外层井壁的安全。对冻结壁内、外部冻胀力的现场实测研究，掌握冻结壁形成过程中内、外部冻胀应力变化规律的研究分析，是冻结壁设计及安全稳定性分析的直接依据。另外，冻结管的受力与变形机理将得到更加深入地认识，这也奠定了冻结管断管机理的研究及断管预防技术的开发基础。

3 工程实施方案

3.1 测孔及测试层位的选择

冻结壁外部冻胀力测试孔为C1孔。位于主井井心N-W方位的C1孔，外圈孔为W46，W47中心连线中点的外侧，距外围孔径2.5 m。孔径190 mm，管材φ89×5。利用C2孔作为冻结壁内部冻胀力测量孔。C2孔位于主井井心S-E方位，内圈孔N8，N9中心连线中点的外侧，距中、内圈冻结孔开孔圈径分别为1.8 m，1.5 m。孔深551.5 m，孔径190 mm，管材φ89×5。在C1孔、C2孔的测试中，测试范围均是四个290 m以下较厚的粘土层，且选择砂层作对比层。C1,C2孔中测试层及传感器配置如表2所示。

表2 C1,C2孔中测试层及传感器配置表

3.2 测试数据的处理与分析

冻结壁冻胀力测量属于非常规测试项目，测试技术复杂，实施难度大。实施过程中，通过传感器安设方案的论证、优化，保证了传感器安装后的初始成活率在80%以上。然而安设后至开机冻结的3个月内，大量传感器先后失效，最终所获得的有效测试数据较少。以下仅对工作性能稳定、可靠的部分传感器的测试数据进行分析。

3.2.1 冻结壁内部冻胀力测试数据分析

C2孔内353 m,525 m深度的传感器测值曲线如图1所示，从图1中可以看出内、中圈冻结孔之间在冻结壁形成过程中的水土压力变化情况。

由图1中不同深度位置的水平土压力测值曲线可见：

1)353 m深度地层中的水平土压力：孔中的泥浆柱压力为4.02 MPa，这是初始压力值，和按照P=0.012H计算得到的初始水平地压大致相等。压力急剧增长阶段是在冻结至50 d(2013.7.5)开始的，而增速逐渐趋缓但仍保持增长是在第65天(2013.7.20)后。压力值达到8.68 MPa，也就是初始水平地压的约2.06倍是出现在冻结至第190天(2013.11.22)的时候。在井筒掘砌至320 m深，冻结至2013.12.16时，进入水平土压力急剧下降阶段，这时井筒掘砌工作面也随之逼近。而后压力重新转入增长并逐渐逼近初始水平地压是在工作面超过该深度后，切压力值趋于稳定。

2)525 m深度地层中的水平土压力：孔中的泥浆柱压力值即初始压力值为6.3 MPa，约等于按P=0.012H计算得到的初始水平地压。压力测值出现“增长→下降→再增长”的波动现象是在冻结至65 d～80 d之间。分析其原因为：在初期，冻结壁交圈内部的未冻夹层水受冻胀影响，压力先是上涨，之后在薄弱方位突破卸压所导致；在95 d(2013.8.19)后进入急剧增长阶段，压力值达到最大值13.07 MPa是在第135天(2013.9.27)之后，大概是初始地压的2.07倍；在此之后压力值基本处于稳定阶段。当井筒掘砌至434 m深，冻结时间到2014.1.10后，压力值才出现下降；当掘砌至474 m深，冻结至2014.1.15时进入急剧下降阶段；而当压力值降至极值点是在掘砌深度达到506 m，压力值达到4.12 MPa时。在此之后经过4 d的增长，从2014.2.11，突然再次转入下降，并最终趋于稳定，稳定后压力值约为2.0 MPa～2.1 MPa。

3.2.2 冻结壁外部冻胀力测试数据分析

如图2所示为在外圈冻结孔(C1孔)外侧2.5 m，径向水土压力测值曲线。观察图2中的粘土层内(353 m)水土压力的变化曲线可以发现：1)泥浆柱压力为4.23 MPa是在此深度的水平土压力初始值。2)在冻结至第75天(2013.7.30)时，压力值开始急剧增长；当冻结至135 d(2013.9.27)后增速有所减缓；而达到最大值是在第190天(2013.11.22)时，压力值为8.60 MPa，大概是初始水平地压的2.03倍。3)井筒掘砌到2014.1.5，深度337 m时，由于掘砌工作面越来越近，压力值会出现急剧下降的现象；由于压力盒安设深度为353 m，井筒掘砌工作面深度达到366 m时压力值出现最小值，大概是初始水平地压的1.63倍，即6.88 MPa，在此之后压力值趋于基本稳定状态。

4 现场实测研究小结

通过现场实测研究某煤矿主井地层冻结过程中冻结壁内外部的冻胀力发现：

1)最大的冻胀压力能达到甚至超过初始水平地压力值的1倍。显著的冻胀应力是在冻结壁形成过程中内、外部都会产生的。2)在井筒掘砌工作面靠近传感器安设深度时，冻结壁内部的径向水土压力下降，直至低于初始水平地压；掘砌工作面超过该深度后，压力值逐渐增长并趋于稳定，最终和初始水平地压力值持平。3)在井筒掘砌工作面靠近传感器安设深度时，径向水土压力在冻结壁外部也出现下降，但始终高于初始水平地压；掘砌工作面超过该深度后，压力值逐渐趋于稳定，最终接近初始水平地压的1.5倍。

[1]崔广心，杨维好，吕恒林.深厚表土层中的冻结壁和井壁.北京：中国矿业大学出版社，1998:37-43.

[2]郭永富，梁洪振.冻结工程事故预防及处理.2005全国矿山建设学术论文集(上册).2005.

[3]陈远坤.深厚冲积层井筒冻结压力实测及分析.建井技术，2006(2)：96.

[4]蒋斌松，陈 伟.立井冻结壁初应力场分析.山东矿业学院学报，1995(2)：29-36.

Research on frost force monitoring of special thick alluvium main shaft freezing method construction

Gong Weiqiang1Xu Xueqing2Niu Ben3

(1.MineConstructionSecondProjectDepartment,ShandongMiningManagementGroup,Tai’an271204,China;2.YangcunCoalMine,YanzhouMiningGroup,Jining272118,China;3.Shandong81CoalPowerChemicalLimitedCompany,Zaozhuang277524,China)

In inner, mid, outer three rings main freezing hole with inner ring anti tablets help hole freezing construction scheme, through the construction C1, C2 test hole, made measurement analysis on freezing wall internal and external frost force, the research found that the internal and external stress, strain change would significantly change freezing wall internal and external initial stress and strain state in freezing wall formation process, thus directly affect the stress and deformation of freezing pipe.

special thick alluvium, freezing method, frost force monitoring

1009-6825(2015)01-0111-02

2014-10-25

公维强(1990- )，男，助理工程师； 徐学庆(1988- )，男，助理工程师； 牛 奔(1985- )，男，助理工程师

TD265.3

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