丁集矿冻结压力分析

李思浩 舒恩

安徽理工大学 安徽淮南 232001

在我国黄淮地区，煤炭储量丰富，但随着浅层的煤炭资源被利用开发，其资源已经变得越来越少，为了缓解日益加剧的能源问题，该地区加紧对新井的建设，新建矿井多具有需要开挖很深、水土压力大、地质条件复杂等特点。冻结法凿井在我国比较常见的还是在深厚不稳定含水地层中。但是随着我国冻结法凿井深度增加，对我国黄淮地区新井建设最大的挑战还是缺乏冻结法凿井穿越特厚表土层的理论基础和技术储备。因此在丁集煤矿进行冻结法凿井信息化施工监测，通过电脑的监测记录，人为的分析，能够最快的进行施工参数调整，确保了井筒能够安全、高效、快速地建成[1]。

1 矿井概况

丁集矿副井井筒设计净直径为8.0m，穿过表土层厚525.25m，冻结深度为565m；风井井筒设计净直径为7.5m，穿过表土层厚为527.7m，冻结深度为558m。副井井壁为钢筋混凝土双层井壁，混凝土强度等级为C50-C70，土层性质以钙质粘土和粘土为主。风井混凝土等级为C60，土层性质也以钙质粘土和粘土为主。

2 监测内容

本次监测的一次仪表采用振弦式传感元件，二次仪表采用振弦式频率仪。振弦式传感元件具有的优点有：（1）使用和安装较便捷，结构简易、可靠；（2）抵抗外界干扰的能力强，能够在恶劣的条件下被使用；（3）零点稳定，可以长时间用于监测；（4）方便多点远距离遥测，并且利于信息化的处理。

将测试元件随着工程施工埋入井壁混凝土中，其中外荷载采用压力传感器量测；钢筋的应力应变采用钢筋计量测；井壁应变采用振弦式混凝土应变计量测。在每个监测水平布置了6个压力传感器，以实时监测井壁所受的冻结压力值[2]。

副井监测水平情况如下：第一水平：传感器埋深289m，层厚5.2m，土质为钙质粘土，环筋直径为25mm。第二水平：传感器埋深347m，层厚21.1m，土质为钙质粘土，环筋直径为28mm。第三水平：传感器埋深417.9m，层厚8.3m，土质为钙质粘土，环筋直径为28mm。第四水平：传感器埋深438m，层厚10m，土质为粘土，环筋直径为28mm。第五水平：传感器埋深501m，层厚2.5m，土质为钙质粘土，环筋直径为32mm。第六水平：传感器埋深521m，处于井筒内壁，环筋直径为32mm。

风井监测水平情况如下：第一水平：传感器埋深358.7m，层厚12m，土质为粘土，环筋直径为28mm。第二水平：传感器埋深398.5m，层厚24.6m，土质为钙质粘土，环筋直径为28mm。

3 实测结果及分析

元件埋设后，通过压力传感器对各个水平的压力测量，并通过绘制出如下图时间与井壁冻结压力的关系曲线。分析出两者之间的变化规律。另外也能够得出冻结压力的大小与土层性质等因素的关系。

通过图2和图3比较可以看出，井壁冻结压力的大小与土层性质有一定关系。图2副井第二水平（-347米）比图3的风井第一水平（-358.7米）浅，土层层厚相差不大，但是副井第二水平的最大冻结压力几乎是风井第一水平最大冻结压力的两倍。由于副井第二水平所处的土层为钙质粘土，而风井第一水平所处的土层为粘土，从而说明钙质粘土层的冻结压力相较于粘土层要大。

由以上几张井壁冻结压力实测曲线图可以看出，冻结压力随时间的变化规律：在混凝土浇筑的初期，这是由于土体形成冻结壁时，地层释放了之前聚集的原岩应力，对井壁产生了土压力，这期间是冻结压力迅速增长的过程，但随着井壁的建成，土压力会逐渐稳定下来最后与井壁形成一个相对稳定的结构，这是图中冻结压力增长速度减缓，最后趋向于稳定的过程。图2，3中后期由于冻结壁出现融化现象，冻结压力部分转化成了水土压力，所以有下降的趋势[3]。

4 结语

（1）通过现场井壁压力的实测，得出特厚表土层的冻结压力大小主要取决于土层性质、层厚、埋深等。其中土层性质对冻结压力的影响本文通过实测数据以及图文分析更为直观的表现出来了。通过数据之间的对比，得出深埋钙质粘土由于蠕变的特性，导致冻结压力会很大。如果只通过公式推导缺乏针对性以及说服力，所以一般采用实地监测的办法来加以确定。

（2）冻结压力的不均匀性。由于冻结管偏斜、盐水流量分配的不均匀性等，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，其最大值与平均值相差特大，对井壁受力不利。