冻结凿井穿越第四系厚土层的应用

【前言】冻结凿井穿越第四系厚土层的应用由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。霍邱矿区张家夏楼矿地质资源储量（332+333）为3053.82万吨，TFe平均品位为27.89%.铁矿床，埋藏于当地侵蚀基准面及地表水水位以下，矿床内无大的地表水体，第四系上部分别覆盖着厚为42.361米的粘土、亚粘土，稳定，透水性差，在天然状态下，地表水和地下水力联系极其微...

摘要：冻结凿井穿越第四系厚土层施工中，涉及其内含的未凝结的水和冰，使得冻土的力学特征表现出明显的流变特性和时间效应.冻土未被破坏并最终丧失承载能力之前，为防止冻结壁发生过大的蠕变进而导致冻结管的断裂，在张家夏楼中风井冻结壁设计和施工中经行了有益的尝试和探索。

关键词：冻结壁 冻结管变形 效益

Abstract: mine freezing shaft sinking through the Quaternary thick soil layer construction,involving its embedded not condensed water and ice,the frozen soil mechanics characteristic obvious rheological characterstics and time effect .Frozen without being damaged and eventual loss of bearing capacity ,to prevent excessive creep of freozen wall and lead to fracture of the freezing pipe,in ZhangjiaXialou shaft freezing wall in the design and constructing of the beneficial attempt and exploration.

Key words:freezing wall of freezing pipe deformation benefits

1、工程概况

霍邱矿区张家夏楼矿地质资源储量（332+333）为3053.82万吨，TFe平均品位为27.89%.铁矿床，埋藏于当地侵蚀基准面及地表水水位以下，矿床内无大的地表水体，第四系上部分别覆盖着厚为42.361米的粘土、亚粘土，稳定，透水性差，在天然状态下，地表水和地下水力联系极其微弱.第四系中粗砂、亚砂土含水层其顶底板均被结构紧密粘塑性强的粘土，亚粘土所夹持.风化带岩移段，为上部粘土所隔断，但局部第四系底部砾石层与风化带岩石直接接触，最厚达29.96米，两者间水力联系可能较为密切。

矿坑涌水量状况表

块段 平均水位降深（米） 影响半径（米） 平均渗透系数（米/日） 平均含水厚度（米） 廊道长度 （米） 块段涌水量（立方米） 矿坑涌水量（立方米/日）

混合层 190.45 97.11 0.0026 39.55 1600 578.33 1179.709

新鲜基岩 259.716 81.30 0.00098 69.266 1600 601.379

2、冻土流变特性及冻结管变形规律

(1)冻土是一个复杂的多相体系，其流变特征受许多因素影响，诸如温度、土性、含冰（水）状况以及作用在冻土结构物上的外载荷等.在冻结壁的力学设计中，多胟克公式将冻结壁看成是由理想弹塑性体组成的无限长厚壁圆桶，按第三强度理论推导，对于冻土这种极为特殊的工程材料，由于其内存在着未凝结的水和冰，使得冻土的力学特性与时间因素紧密相关，在冻结壁的力学设计中，应考虑时间因素的影响。

(2)冻结壁及冻结管变形规律：1)井帮暴露后，前期变形增长快，而后逐渐减慢，并趋于稳定的变形速度。包括弹性变形在内的前期两个小时的变形量占24小时变形总量的50%-65%。2)径向位移沿冻结管轴向的变化与沿井帮方向的曲线相比，前者变化较平缓，且没有明显的观点，但两者的极值点，基本处于同一标高水平，前者极值约为后者的75%-90%。3)在工作面以下，一倍于段高深处，冻结管的超前位移只有其极值的10%-15%。4)位移沿径向是衰减的，冻结管向井内偏斜，靠近井帮，对于其安全不利。5)掘进时间占井帮暴露总时间的比例达到85%时，逐渐暴露段高的位移量只有相应的瞬时暴露段高（掘进时间为零）情况的1/2-1/3随着时间比例的减少，两者位移值趋于一致，由于两者变性特征相似，瞬时暴露段高下的变形规律可以推广到掘进工程的施工管理。

3、张家夏楼中风井冻结施工方案针对工程特点和难点，优化冻结方案，确保冻结方案技术可靠，经济合理，可操作性强

冻结方案充分考虑本工程的特点和难点，体现经济、安全稳妥的原则，缩短开挖前，为井筒快速掘砌提供有力条件。

采用国内先进的第三代节能螺杆制冷机组，冻结站装机容量富裕系数大，强化冻结时盐水温度可达-33℃，采用新型环保、节能的制冷设备，减少场地占用面积和工业用水量。根据井筒检查孔柱状图显示，本矿床为巨厚的第四系松散岩层覆盖，其中粘土所占比例较大，部分粘土单层厚度大，粘塑性强。

冻结技术方案：中风井井筒净直径为5米，最大掘进荒直径6.8米。

冻结盐水温度：Ty= -25℃～-30℃ （积极冻结期）；控制层位及冻土平均温度的选取：埋深193.9米粘土层；

设计冻结壁平均温度：-9℃

冻土抗压强度：冻土按《井建工程手册》综合选取δ-9℃=4.9mpa,折减系数分别取m中风井=1.4，则δ中风=3.5mpa。

冻结壁厚度设计：

(1)冻结壁厚度按凿井法规程计算：

E=

δ=0.11，h=2.5,p=2.52mpa,K中风井=1.0

参数带入公式冻结壁厚度为E中风井=2.77米 .

(2)列别尔曼有限段高公式：E=

式中： h——安全掘进段高，

rl，Hi一一上覆岩层各层容重和厚度；

K一安全系数，可取1．0

=3.5Mpa

E=

h=2.5m,k=1.0 =18kN/m3 H=193.9m

E= =2.49m

(3)按维亚洛夫一扎别茨基公式计算:

E=

式中：h：安全掘进段高，

：与冻结壁暴露作业时间相一致的冻土长时强度。

：固端条件系数0．5～1，具体数值视冻土的内摩擦角大小，冻土扩如荒径厚度而定取0.7;

K ：安全系数一般可取1.5～2，视地层复杂情况而定。

P= 0．013× 193.9= 3.1M Pa

段高为2．5m时，h一2.5

E= =2.68m

(4)按国内经验公式计算冻结壁厚度:

我国对冻结法施工的立井井筒冻结壁厚度进行了统计分析，得到公式如下：

E=0.04?a?H0.61

式中：a——井筒掘进半径；

H——计算深度.

对于副井：E=0.04×5.0×193.90.61 =2.71m

综合各种计算的结果，并结合工程类比和工程特点，确定中风井冻结壁厚度：E中风井=2.8米。

4、结语

根据井筒检查孔地质报告，柱状图描述及相关矿井冻结施工经验，表土上下段为巨厚粘土层。工程在确保冻结壁温度的前提下实现表土段上部不片帮，下部尽量少挖冻土以加快井建速度，提高施工效率。鉴于全风化岩层和强风化岩层节理裂隙发育，岩石破碎，在造孔工程中，采取积极措施防止漏浆、掉块卡钻事故，确保了钻孔质量和掘进速度.在强化冻结的条件下，既实现了深部粘土段少挖冻土，又有效防止冻结壁内缘蠕动变形过大造成冻结管断裂.强化井帮温度、变形等检测，分析控制，优化冻掘配合，提高了施工效率。

参考文献

[1]张文.深井冻结技术及复合井壁[J].建井技术,1980.02.

[2]沈季良,张永成.通过含水地层的凿井方法——第一届国际矿山规划开发技术讨论会论文[J].建井技术,1980.02.

[3]黄德发,赵社邦.冻结法凿井施工技术应用与管理.煤炭工业出版社,2010.12.

[4]《采矿手册》编委会.采矿手册（第2卷）[M].北京:冶金工业出版社,1990:769-770.