特厚沖積層主井凍結法施工凍脹力監(jiān)測研究

公維強 徐學慶 牛 奔

(1.山東礦業(yè)管理集團礦建第二項目部，山東 泰安 271204；2.兗州礦業(yè)集團楊村煤礦，山東 濟寧 272118； 3.山東八一煤電化有限公司，山東 棗莊 277524)

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特厚沖積層主井凍結法施工凍脹力監(jiān)測研究

公維強1徐學慶2牛 奔3

(1.山東礦業(yè)管理集團礦建第二項目部，山東 泰安 271204；2.兗州礦業(yè)集團楊村煤礦，山東 濟寧 272118； 3.山東八一煤電化有限公司，山東 棗莊 277524)

在內(nèi)、中、外三圈主凍結孔輔以內(nèi)圈防片幫孔的凍結法施工方案中，通過施工C1，C2測試孔，對凍結壁內(nèi)外部凍脹力進行了測量分析，研究發(fā)現(xiàn)，凍結壁形成過程中內(nèi)外部的應力、應變變化將顯著改變凍結壁內(nèi)外部初始應力、應變狀態(tài)，進而直接影響凍結管的受力與變形。

特厚沖積層，凍結法，凍脹力監(jiān)測

1 工程背景

山東某煤礦主井井筒設計凈直徑為7 m，井筒建設過程中需要穿過一段特厚沖積層(主要為粘性土層)，沖積層平均厚度為534.2 m。沖積層段設計采用凍結法施工，凍結深度為590 m。因特厚沖積層(粘土層)中的粘土比例高，使得凍結壁的凍結強度較低、流變性顯著，施工難度大，風險高。其風險主要表現(xiàn)在：一方面易使凍結管發(fā)生斷裂，影響凍結壁的安全；另一方面凍結壓力的過快增長容易造成井壁破壞，甚至造成整個凍結工程的破壞。為更好的分析、評估、預測凍結鑿井過程中凍結壁、外層井壁的安全性能，確保凍結鑿井的安全施工，本文對此煤礦開展了主井凍脹力監(jiān)測技術研究。主井井筒主要技術特征如表1所示。

表1 主井井筒主要技術特征

2 技術方案

2.1 凍結鑿井施工方案

主井凍結施工中，地層凍結工程設計采用“特厚沖積層段一次凍全深，內(nèi)中外三圈主凍結孔輔以內(nèi)圈防片幫孔”的凍結方案。

2.2 凍結施工的關鍵問題

外壁、凍結壁和凍結管的安全是凍結法鑿井的關鍵問題，外壁及凍結管的安全主要受到凍結壁變形的影響。即凍結施工中的關鍵問題是凍結壁的變形。凍結壁形成過程中產(chǎn)生內(nèi)、外部凍脹力是由土體的凍脹性在特厚沖積層多圈凍結過程中形成的。凍結壁的外載是由凍結壁外部的凍結力構成，而變形能的積聚則是由內(nèi)部的凍脹力形成。開挖井筒的過程中，在內(nèi)外部凍脹力的共同作用下凍結壁將加速變形，嚴重威脅了凍結管乃至外層井壁的安全。對凍結壁內(nèi)、外部凍脹力的現(xiàn)場實測研究，掌握凍結壁形成過程中內(nèi)、外部凍脹應力變化規(guī)律的研究分析，是凍結壁設計及安全穩(wěn)定性分析的直接依據(jù)。另外，凍結管的受力與變形機理將得到更加深入地認識，這也奠定了凍結管斷管機理的研究及斷管預防技術的開發(fā)基礎。

3 工程實施方案

3.1 測孔及測試層位的選擇

凍結壁外部凍脹力測試孔為C1孔。位于主井井心N-W方位的C1孔，外圈孔為W46，W47中心連線中點的外側，距外圍孔徑2.5 m?？讖?90 mm，管材φ89×5。利用C2孔作為凍結壁內(nèi)部凍脹力測量孔。C2孔位于主井井心S-E方位，內(nèi)圈孔N8，N9中心連線中點的外側，距中、內(nèi)圈凍結孔開孔圈徑分別為1.8 m，1.5 m?？咨?51.5 m，孔徑190 mm，管材φ89×5。在C1孔、C2孔的測試中，測試范圍均是四個290 m以下較厚的粘土層，且選擇砂層作對比層。C1,C2孔中測試層及傳感器配置如表2所示。

表2 C1,C2孔中測試層及傳感器配置表

3.2 測試數(shù)據(jù)的處理與分析

凍結壁凍脹力測量屬于非常規(guī)測試項目，測試技術復雜，實施難度大。實施過程中，通過傳感器安設方案的論證、優(yōu)化，保證了傳感器安裝后的初始成活率在80%以上。然而安設后至開機凍結的3個月內(nèi)，大量傳感器先后失效，最終所獲得的有效測試數(shù)據(jù)較少。以下僅對工作性能穩(wěn)定、可靠的部分傳感器的測試數(shù)據(jù)進行分析。

3.2.1 凍結壁內(nèi)部凍脹力測試數(shù)據(jù)分析

C2孔內(nèi)353 m,525 m深度的傳感器測值曲線如圖1所示，從圖1中可以看出內(nèi)、中圈凍結孔之間在凍結壁形成過程中的水土壓力變化情況。

由圖1中不同深度位置的水平土壓力測值曲線可見：

1)353 m深度地層中的水平土壓力：孔中的泥漿柱壓力為4.02 MPa，這是初始壓力值，和按照P=0.012H計算得到的初始水平地壓大致相等。壓力急劇增長階段是在凍結至50 d(2013.7.5)開始的，而增速逐漸趨緩但仍保持增長是在第65天(2013.7.20)后。壓力值達到8.68 MPa，也就是初始水平地壓的約2.06倍是出現(xiàn)在凍結至第190天(2013.11.22)的時候。在井筒掘砌至320 m深，凍結至2013.12.16時，進入水平土壓力急劇下降階段，這時井筒掘砌工作面也隨之逼近。而后壓力重新轉入增長并逐漸逼近初始水平地壓是在工作面超過該深度后，切壓力值趨于穩(wěn)定。

2)525 m深度地層中的水平土壓力：孔中的泥漿柱壓力值即初始壓力值為6.3 MPa，約等于按P=0.012H計算得到的初始水平地壓。壓力測值出現(xiàn)“增長→下降→再增長”的波動現(xiàn)象是在凍結至65 d～80 d之間。分析其原因為：在初期，凍結壁交圈內(nèi)部的未凍夾層水受凍脹影響，壓力先是上漲，之后在薄弱方位突破卸壓所導致；在95 d(2013.8.19)后進入急劇增長階段，壓力值達到最大值13.07 MPa是在第135天(2013.9.27)之后，大概是初始地壓的2.07倍；在此之后壓力值基本處于穩(wěn)定階段。當井筒掘砌至434 m深，凍結時間到2014.1.10后，壓力值才出現(xiàn)下降；當掘砌至474 m深，凍結至2014.1.15時進入急劇下降階段；而當壓力值降至極值點是在掘砌深度達到506 m，壓力值達到4.12 MPa時。在此之后經(jīng)過4 d的增長，從2014.2.11，突然再次轉入下降，并最終趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后壓力值約為2.0 MPa～2.1 MPa。

3.2.2 凍結壁外部凍脹力測試數(shù)據(jù)分析

如圖2所示為在外圈凍結孔(C1孔)外側2.5 m，徑向水土壓力測值曲線。觀察圖2中的粘土層內(nèi)(353 m)水土壓力的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)：1)泥漿柱壓力為4.23 MPa是在此深度的水平土壓力初始值。2)在凍結至第75天(2013.7.30)時，壓力值開始急劇增長；當凍結至135 d(2013.9.27)后增速有所減緩；而達到最大值是在第190天(2013.11.22)時，壓力值為8.60 MPa，大概是初始水平地壓的2.03倍。3)井筒掘砌到2014.1.5，深度337 m時，由于掘砌工作面越來越近，壓力值會出現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象；由于壓力盒安設深度為353 m，井筒掘砌工作面深度達到366 m時壓力值出現(xiàn)最小值，大概是初始水平地壓的1.63倍，即6.88 MPa，在此之后壓力值趨于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4 現(xiàn)場實測研究小結

通過現(xiàn)場實測研究某煤礦主井地層凍結過程中凍結壁內(nèi)外部的凍脹力發(fā)現(xiàn)：

1)最大的凍脹壓力能達到甚至超過初始水平地壓力值的1倍。顯著的凍脹應力是在凍結壁形成過程中內(nèi)、外部都會產(chǎn)生的。2)在井筒掘砌工作面靠近傳感器安設深度時，凍結壁內(nèi)部的徑向水土壓力下降，直至低于初始水平地壓；掘砌工作面超過該深度后，壓力值逐漸增長并趨于穩(wěn)定，最終和初始水平地壓力值持平。3)在井筒掘砌工作面靠近傳感器安設深度時，徑向水土壓力在凍結壁外部也出現(xiàn)下降，但始終高于初始水平地壓；掘砌工作面超過該深度后，壓力值逐漸趨于穩(wěn)定，最終接近初始水平地壓的1.5倍。

[1]崔廣心，楊維好，呂恒林.深厚表土層中的凍結壁和井壁.北京：中國礦業(yè)大學出版社，1998:37-43.

[2]郭永富，梁洪振.凍結工程事故預防及處理.2005全國礦山建設學術論文集(上冊).2005.

[3]陳遠坤.深厚沖積層井筒凍結壓力實測及分析.建井技術，2006(2)：96.

[4]蔣斌松，陳 偉.立井凍結壁初應力場分析.山東礦業(yè)學院學報，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

公維強(1990- )，男，助理工程師； 徐學慶(1988- )，男，助理工程師； 牛 奔(1985- )，男，助理工程師

TD265.3

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