高海拔礦井多年凍土地下冰地段熱融災(zāi)害研究

劉劍璞 王玉臣 刁明富

（肥城礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 肥城271608）

0 引言

高海拔礦井多年凍土中的冰受熱融化后導(dǎo)致土體發(fā)生收縮、 沉陷的過程即為熱融作用，其形成的地形又被稱為喀斯特地貌。 目前，熱融地貌主要被分為2 種類型∶1）高海拔礦井多年凍土地下冰受熱融發(fā)生沉陷，即熱融沉陷。 這種現(xiàn)象主要發(fā)生在高原地區(qū)或平原地帶；2）高海拔礦井多年凍土地下冰受熱融發(fā)生滑塌，厚層地下冰熱平衡狀態(tài)被人為活動或自然的影響破壞，同時由于重力的原因，土體凍融界面發(fā)生熱融垮塌或者移動，由于其自身的重力作用是的熱融界面凍土發(fā)生垮塌。

高海拔凍土的熱融主要是由于凍土中冰的融化造成的。高海拔多年凍土地下冰地段的常年不斷的開發(fā)和建設(shè)，對于礦井，進(jìn)行井筒開挖等活動使得多年凍土地下冰地段的熱平衡狀態(tài)遭到嚴(yán)重破壞，影響地中熱和多年凍土地溫場周轉(zhuǎn)收支平衡的變化。

1 高海拔多年凍土地下冰地段的壓縮與熱融沉降

高海拔多年凍土地下冰地段在凍結(jié)過程中其水由于凍結(jié)成冰體積通常增大9%，同時，過程中還伴隨著凍脹、水分遷移、土骨架位移、析冰等現(xiàn)象，導(dǎo)致融土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在凍土進(jìn)行融化的過程中，熱融排除水剩余空間發(fā)生融化固結(jié)的現(xiàn)象以及礦物顆粒也會隨之發(fā)生位移，導(dǎo)致其局部產(chǎn)生向下運動，即發(fā)生熱融下沉。在凍土自重作用力下，凍土熱融融化下沉量被稱為凍土熱融融化下沉系數(shù)，該系數(shù)被用來對凍土的融化下沉特征進(jìn)行描述，建立相關(guān)表達(dá)式為∶

其中∶△h 表示為具有厚度為h 的凍土凍層在熱融融化形成的下沉量，其數(shù)值大小與凍土內(nèi)部的含水量、顆粒組成，起始融化下沉干密度等相關(guān)因素有關(guān)。

2 高海拔礦井多年凍土區(qū)熱融滑塌形成機(jī)理探討

熱融滑塌在高海拔礦井多年凍土中普遍存在，主要是由于熱融滑塌誘發(fā)因素及凍土條件具有緊密聯(lián)系。 多年凍土對溫度是極為敏感的，其強(qiáng)度隨著凍土溫度的升高會顯著降低，尤其是在熱融后其強(qiáng)度會發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致強(qiáng)度急劇下降。

高海拔礦井地下冰段區(qū)域的熱融滑塌的失穩(wěn)因素可以歸結(jié)為∶①厚層地下冰的存在且埋藏深度較淺易受地表氣溫變化的影響，具有相對隔水和摩擦阻力極低的冰面是熱融滑塌形成的內(nèi)在因素；②不合理井筒開挖引起的厚層地下冰的暴露且使井筒周圍形成臨空面而使其失去支承力，這是熱融滑塌形成的外在因素(誘發(fā)因素)。

3 高海拔礦井多年凍土區(qū)熱融的防治原則

各類工程一般在自然狀態(tài)下的遇到的因特殊不良地質(zhì)問題發(fā)生的熱融現(xiàn)象都采取避讓措施，若必須經(jīng)過該地區(qū)時，則需要采用有效的防治措施∶①減少大氣降水的滲入、侵濕及水的危害；②減少對動多年凍土的破壞和擾動，盡量保持其熱平衡狀態(tài)；③采用較好的防護(hù)工程措施，減少基底的蓄熱或增加基底的冷儲。

3.1 凍土層中井筒掘進(jìn)不存在太大的問題， 主要是井頸明槽部分的施工應(yīng)注意明槽兩側(cè)的熱融后滑塌。為防止凍、融對井壁的破壞，井筒周圍壁后要采用厚層（50-70mm）泡沫塑料襯墊，一方面起到隔熱效果，防止砼凝固產(chǎn)生的熱量和井筒通風(fēng)時暖風(fēng)流的傳導(dǎo)熱對壁后凍土層的融化影響，另外也可緩減井壁后的土層發(fā)生二次凍結(jié)時的凍脹對井壁的影響。3.2 三條井筒要通過F8 斷層，斷層帶巖石破碎，而且有可能積聚水與瓦斯，因此在施工中應(yīng)提前采用探水鉆探測，并制定施工方案。掘進(jìn)中加強(qiáng)臨時支護(hù)，短掘短砌，并采用砼或掛網(wǎng)錨噴支護(hù)。

4 高海拔礦井多年凍土區(qū)熱融溫度變化及防治效果模擬

4.1 熱融溫度物理模型

在高海拔礦井多年凍土地下冰段進(jìn)行開采，為防止凍融對礦山井壁的破壞，采用采用厚層（50-70mm）泡沫塑料襯墊在井筒周圍壁后。

對物理模型采用5 節(jié)點單元格進(jìn)行單元格劃分， 將其劃分為2959個節(jié)點以及2830 個單元格。 結(jié)合地區(qū)氣候特征以及泡沫塑料襯墊附面層原理及表面熱輻射特征，假定泡沫塑料襯墊表面溫度邊界條件為∶

利用天然熱融滑塌模型計算結(jié)果得出泡沫塑料襯墊溫度為-15℃作為模型初始地溫條件。

4.2 模型控制方程

高海拔礦井多年凍土地下冰地段的熱融滑塌的突出特點主要表現(xiàn)在于土體滑塌后凍土整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變化， 滑塌后的凍土較為松散，使得其導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，故穩(wěn)定的凍土溫度場分布與熱融滑塌溫度場分布是存在巨大區(qū)別。未凍結(jié)水在計算過程中只考慮其含量屬于溫度的函數(shù)，故可以用二維熱傳導(dǎo)微分方程描述熱融滑塌溫度場的分布規(guī)律，即∶

式中∶t 為熱融時間變量，d；T 為多年凍土的土體溫度，℃；k 為多年凍土的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·d·K)；λ 為熱融滑塌體積比熱容，kJ/(m3·K)；ky、kx分別為y、x 方向的多年凍土導(dǎo)熱系數(shù)。

4.3 模型模擬的計算結(jié)果及分析

高海拔礦井多年凍土地下冰段主井井巷采用隔熱緩沖墊層(50mm)，其結(jié)構(gòu)圖如下所示。

圖1 主井井巷凍土層泡沫塑料襯墊結(jié)構(gòu)圖

由圖1 可知，主井井巷凍土層的泡沫塑料襯墊主要分布在外圍，地溫分布特征的明顯區(qū)別集中在滑坎位置。

圖2 泡沫塑料襯墊與低溫擬合曲線圖

由圖2 可知，模擬得出礦井位置融化深度與位置關(guān)系圖，結(jié)果顯示主井井巷采用隔熱緩沖墊層(50mm)措施后，井巷的地溫明顯降低，使得多年凍土將處于持續(xù)凍結(jié)狀態(tài)，保護(hù)了凍土層的穩(wěn)定性，抑制熱融滑塌的產(chǎn)生。 結(jié)果顯示，礦井井筒整體地溫低，其凍土平均地溫為-1.74℃，但是不同深度地溫也較低，其溫度為-2.50 m、-3.0 m 深度地溫平均值為-1.85℃、-1.79℃。 在季節(jié)融化期礦井多年凍土冰地段0℃等溫線明顯抬升。

5 結(jié)論

根據(jù)模型以及模擬結(jié)果分析可得出以下結(jié)論∶

5.1 通過實測數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果分析可知，兩者能夠較好的吻合，這表明設(shè)計模型以及設(shè)定的邊界條件滿足礦井多年凍土冰地段的熱融傳導(dǎo)現(xiàn)狀。 在熱融滑塌過程中通過計算凍融周期內(nèi)冰地段的溫度場，發(fā)現(xiàn)季節(jié)融化過程中，礦井熱融發(fā)生深度較大，說明礦井井巷位置下多年凍土不穩(wěn)定，特別容易發(fā)生坍塌現(xiàn)象。

5.2 在礦井多年凍土地下冰地段熱融滑塌位置采取隔熱緩沖墊層(50mm)措施后對熱融滑塌的防治措施效果明顯，該措施能夠有效抑制熱融滑塌的進(jìn)一步擴(kuò)展。

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