结合内蒙泊江海子煤矿3个立井井筒冻结设计和施工情况,对西部地区软岩冻结设计和施工中存在的问题进行了分析。指出了对软岩冻结认识上的不一致,造成了冻结设计上的差异,从而导致不同的施工效果。认为副井冻结设计最为经济合理,冻结效果最好,为井筒掘砌施工创造了良好条件。

为掌握西部富水软岩地层深基岩立井冻结温度场发展演化规律,对鄂尔多斯某矿风井冻结工程实施了信息化监测,获得了该矿区地层冻结特征,并分析了不同岩性地层温度在冻结不同阶段的变化规律。结果表明,西部富水软岩的优异导热特性使得积极冻结期短,降温效率高;且后续维护冻结期受施工影响,温升大。不同岩性地层温度发展受原始地温、地下水流方向、钻孔偏斜等多种因素影响。具体表现为越深位置岩层在积极冻结期,降温效率越低,进入负温时间越长;且在维护冻结期,不同测温孔间温度差异越明显。西部富水软岩地层冻结施工过程中,应密切关注较深位置地下水上游方向附近冻结壁的发展状况,避免发生安全事故。

为研究深厚富水软岩地层砌筑混凝土井壁对冻结壁温度场的影响,采用现场实测与回归分析相结合的研究方法,选择在蒙陕地区大海则煤矿主立井掘进过程中进行温度场的监测,研究结果表明:井帮冻结软岩最大融化范围在400~600mm之间,发生在浇筑混凝土的7d内,冻结软岩最大融化距离S与井帮温度T成线性关系;井帮软岩在12~52d后全部重新回冻,软岩全部重新回冻时间D与井帮温度T成线性关系。研究得知,要确保混凝土浇筑后7d强度,应控制井帮温度高于-4.9℃,混凝土入模温度高于16℃。

为研究西部富水软岩地区冻结压力的规律特征,选择在蒙陕地区某立井进行冻结压力的实测研究。实测研究表明:井筒掘砌施工期间,冻结压力变化可分为6个阶段;冻结压力的产生主要是由于原岩应力的释放、不断重新分布及软岩的重新回冻,与岩性和含水率有关;冻结压力的大小与深度关系不大,受井帮温度影响较大。

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为获得白垩系地层冻结壁温度场融化规律,对泊江海子矿冻结风井不同地层,利用测温孔与冻结壁内部测点进行融化过程温度场现场实测。对比了不同岩层融化速率,提出可以用幂函数来表示不同方位测点温度随时间变化情况,以及用二次函数来表示冻结壁沿径向方向温度变化情况。获得了单圈管冻结条件下白垩系地层融冻时间比介于0.7～0.8之间,为内蒙地区新建矿井冻结法凿井白垩系地层融化阶段壁间注浆时间选择提供参考。

针对深立井软岩地层冻结施工技术,通过对蒙陕甘宁等西部地区多个立井冻结工程的实践总结,从冻结方案选择、冻结技术参数取值、冻结及掘砌施工控制指标等方面对软岩地层冻结关键技术进行了系统阐述,提出了西部软岩地层以白垩系底界为冻结控制层位、利用有限段高塑性体极限状态强度条件公式计算冻结壁厚度的观点,并总结出相对应的冻结法施工技术要点,可为今后类似地层深立井冻结工程施工提供参考。

针对目前蒙陕矿区白垩系地层冻结壁厚度设计中控制层深度随意确定、冻结壁力学模型任意选取等的混乱状况,通过对该矿区白垩系地层力学性质特点与20多个相关井筒案例的分析与研究,提出了该矿区白垩系地层冻结壁厚度设计原则:计算冻结壁厚度的控制层应为白垩系底部岩层,冻结壁力学模型应选用无限长弹塑性厚壁圆筒,冻结壁荷载应为静水压力。并根据此原则,对该矿区已施工的21个冻结井筒进行了验算。结果表明:作者提出的蒙陕矿区冻结壁厚度设计原则,适用于该矿区白垩系地层冻结壁厚度设计。该设计原则对西部地区类似地层冻结壁厚度设计具有指导意义。

为进一步认识白垩系地层冻结砂岩的物理力学特性,开展了不同温度状态下饱和中砂岩和粗砂岩的单轴压缩试验,对岩石应力应变状态、破坏形态及对岩石单轴抗压强度、弹性模量进行分析研究。结果表明:随着温度的降低,白垩系地层冻结砂岩单轴抗压强度和弹性模量明显增大,应力-应变曲线的压密段和塑性变形段不明显,表现出明显的弹性和脆性特征;岩样主要破坏形态为劈裂破坏和单斜面剪切破坏,且破坏强度较低;试样的单轴抗压强度值都随温度的降低而不断增大,同一温度状态下,中砂岩单轴抗压强度明显小于粗砂岩,且泊松比随温度的降低而减小,同等温度条件下粗砂岩泊松比小于中砂岩。依据试验结果可为冻结法凿井冻结壁和井壁的设计提供可靠的参数。

为研究白垩系地层冻结砂岩的强度特性,采用MTS-815电液伺服岩石试验系统开展了不同温度状态下饱和中砂岩和粗砂岩的单轴压缩试验,获得冻结白垩系砂岩的力学性质与低温的相关性。试验表明:冻结白垩系中粒砂岩及粗粒砂岩,其单轴抗压强度均随温度的降低而增大,从25℃降至-30℃的过程,中粒砂岩强度提高了49.475%~64.656%,而粗粒砂岩的强度提高了59.455%~84.886%,相同温度下,饱和粗粒砂岩的单轴强度总是大于中粒砂岩;两种岩石强度的差异性较大,且差值随着温度降低而总体上不断增大;随着温度的降低冻结白垩系岩石弹性模量明显增大,应力-应变曲线的压密段和塑性变形段越来越不明显,表现出更明显的弹性和脆性特征。通过试验结果分析,可为该地区冻结法凿井冻结壁和井壁的设计参数的选取提供参考。