为解决西部白垩系富水地层冻结法凿井的技术难题,采用振弦传感器和热电偶对甘肃某矿风立井外壁竖筋、环筋受力与冻结压力的变化规律和成因以及外壁温度场的变化等进行实测。结果表明,外壁竖筋先受压后受拉,最大拉应力达81.711 MPa,环筋均受压,最高为-42.113MPa;冻结压力达1.098~1.724 MPa,但远小于东部冲积层限值;外壁浇筑后急剧升温,最高为62.3℃,随后迅速降低并低于-10℃,同一点前后温差在70℃以上;井壁设计过于保守,施工进度慢、成本高,对西部立井井壁设计施工需进一步优化。

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。