【正文】 公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“中煤集團(tuán)”）是國(guó)務(wù)院國(guó)資委管理的國(guó)有重點(diǎn)骨干企業(yè)，主營(yíng)業(yè)務(wù)包括煤炭生產(chǎn)及貿(mào)易、煤化工、坑口發(fā)電、煤礦建設(shè)、煤機(jī)制造、煤層氣開(kāi)發(fā)，以及相關(guān)工程技術(shù)服務(wù)。 330MW 煤矸石電廠項(xiàng)目均在進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作。 01′30″～ 94176。工業(yè)場(chǎng)地布置有主斜井、副 斜井，風(fēng)井場(chǎng)地布置一個(gè)回風(fēng)立井 3 個(gè)井筒。其巖性為濱湖相 泥炭沼澤相沉積的泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、粗粒砂巖、炭質(zhì)泥巖和煤層，是本次勘探工作的主要對(duì)象。多為泥質(zhì)、粉砂狀、粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，砂巖成份由長(zhǎng)石、少量石英及巖屑組成，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度差， 第 4 頁(yè) 易風(fēng)化，遇水易膨脹、崩解，多呈柱狀、碎塊狀，松軟。 通過(guò)鉆孔簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)，當(dāng)鉆進(jìn)到中～粗砂巖、礫巖段時(shí)，孔內(nèi)出現(xiàn)消耗液和水位變化較大，而鉆孔進(jìn)入至泥巖等細(xì)顆粒巖段時(shí)，孔內(nèi)水位變化不大或沖洗液不發(fā)生變化，所以本次將泥巖等細(xì)顆粒巖石劃分為相對(duì)隔水層，而將粗砂巖、礫巖等巖石劃分成含水層。泥巖為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，平坦斷口，易風(fēng)化，遇水易膨脹、崩解，松軟。砂巖為粗、中、粉砂狀結(jié)構(gòu)，成分由長(zhǎng)石、石 英及巖屑組成，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，裂隙稍發(fā)育，局部含炭質(zhì)團(tuán)塊，含化石，較堅(jiān)硬。 新近系上新統(tǒng)葡萄溝組：采用補(bǔ) 檢 檢 補(bǔ) 2（ N2p 下段）孔取得的數(shù)據(jù)。 新近系上新統(tǒng)葡萄溝組弱含水層、侏羅系中統(tǒng)西山窯組弱含水層，均為層間承壓水，其間賦存厚層泥巖與粉砂巖隔水層，層位穩(wěn)定，水文地質(zhì)特征也不盡相同，初步判斷井檢孔所處地段基巖含水層之間地下水不存在明顯的水力聯(lián)系。 侏羅系西山窯組淺部風(fēng)化層，風(fēng)化深度一般為 30～ 50m。 00′，凝聚力系數(shù) ，普氏硬度系數(shù) ，切線模量 ，泊松比 。巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果顯示，其容重 ，含水率 %，抗壓強(qiáng)度（天然 、干燥 ），抗拉強(qiáng)度 ，內(nèi)摩擦角 41176。隨著煤炭工業(yè)的高速發(fā)展，近 年來(lái)礦 第 10 頁(yè) 井建設(shè)工程量也有很大程度的增加，而由于地質(zhì)條件較好的煤田已經(jīng)大量開(kāi)發(fā)不能滿足需求時(shí)，人們就不得不在地質(zhì)及水文地質(zhì)復(fù)雜、煤炭資源豐富的礦區(qū)進(jìn)行新井建設(shè)。由于凍結(jié)法施工適應(yīng)性廣，在施工中后續(xù)手段多，施工速度快，質(zhì)量高，可有效隔絕地下水，因此，凍結(jié)法是我國(guó)特殊鑿井施工的首選技術(shù)。國(guó)外采用凍結(jié)法穿過(guò)沖積層最厚的礦井是前蘇聯(lián)的雅科夫鐵礦 2 號(hào)井，該礦沖積層深度 ，其凍結(jié)深度 620m。郁楚侯等也對(duì)凍結(jié)壁的整體性能進(jìn)行了模擬研究。 第二章 凍結(jié)法相關(guān)理論與分析 凍結(jié)壁溫度場(chǎng)形成的理論分析 凍土的形成過(guò)程 凍土的形成過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是土中水結(jié)冰并將固體顆粒膠結(jié)成整體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生質(zhì)變的過(guò)程，也是消耗冷量最多的過(guò)程。 蘇聯(lián)學(xué)者建議：σ＝－ ++ 蘭州凍土所建議：σ =a+bt a,b—— 試驗(yàn)常數(shù)，與溫度有關(guān)。 俄羅斯學(xué)者通過(guò)研究未凍水含量與負(fù)溫值之間的關(guān)系劃分出凍土中水分的個(gè)主要相變區(qū)： 05℃劇烈相變區(qū)?？紫端畠鼋Y(jié)的同時(shí)伴隨著土體體積增大、析冰作用、土顆粒凍結(jié)。凍結(jié)壁的平均溫度主要取決于凍結(jié)壁的厚度、鹽水溫度、凍結(jié)孔間距、井幫凍土溫度等因素，而受凍結(jié)管直徑的影響較小。凍結(jié)壁平均溫度隨井幫凍土溫度的降低而降低。 ②凍土結(jié)構(gòu) 凍土的抗剪強(qiáng)度取決于它的構(gòu)造。一般說(shuō)來(lái)隨著含水量增大，起膠結(jié)作用的冰也越多，因而強(qiáng)度有所增大。在水分?jǐn)D出的同時(shí)，凍土中的冰發(fā)生粘滯性流動(dòng)，土顆粒及其集合體發(fā)生位移。第三階段是等速蠕變階段，亦即粘塑流階段 (BC)。 圖 凍土非衰減蠕變曲線 凍土的凍脹融沉特性 當(dāng)大量的水分從液相轉(zhuǎn)入固相時(shí)，土便發(fā)生凍脹，水結(jié)冰后體積膨脹約 9%。 土的凍脹率，受土的機(jī)械組成、土的密實(shí)程度、土的含水量、土的凍結(jié)速率以及土體與地下水位的距離等因素的控制。 P??? ??0 測(cè)定了這兩個(gè)系數(shù)，就可以近似地計(jì)算土在融化下沉和壓縮后的形變。由于水分遷移過(guò)程受很多因素的影響，使這一問(wèn)題的研究到目前為止仍是一個(gè)人工凍土學(xué)中激烈爭(zhēng)論的問(wèn)題。凍結(jié)井筒一般采用短掘短砌的施工方法，因此采用有限段高模型更接近實(shí)際，有限段高模型，段高上、下端約束條件對(duì)凍結(jié)壁的變形有很大影響，必須予以考慮。 （ 3）數(shù)理 統(tǒng)計(jì)法 近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者總結(jié)了建國(guó)以來(lái)凍結(jié)井筒的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，將所有井筒掘進(jìn)直徑變換成 sm 等小直徑。在凍結(jié)圓柱交圈之前，凍結(jié)擴(kuò)展速度較快，凍結(jié)圓柱很快交圈，交圈后零度等溫 第 28 頁(yè) 線的弧度逐漸變緩，凍土墻擴(kuò)展的速度也逐漸變緩。 單位時(shí)間通過(guò)長(zhǎng)度為 l 圓 管的熱流量： 1221ln22 rrttrlrlqQ ???? ?? 式中： Q—— 單位時(shí)間通過(guò)圓管壁的熱流量； L—— 管長(zhǎng)； 12ln21 rrl?? —— 圓管總熱阻； 第 30 頁(yè) 12ln21 rr?? —— 單位管長(zhǎng)之熱阻。厚度增大，其差值減小。凍結(jié)鉆孔布置沿斜井井筒的走向 布置 (圖 、圖) 。即巷道斷面內(nèi)φ108179。 9）為了確保每段掘砌施工安全，每段終端孔作為封頭孔，穿入斜井?dāng)嗝娑蝺?nèi)的部分，不采取隔熱措施。凍結(jié)起始點(diǎn)傾斜長(zhǎng)度確定為 ，凍結(jié)起始點(diǎn)水平長(zhǎng)度確定為 。 圖 圓形井筒周邊圍巖切向應(yīng)力 ?? 的分布 第 35 頁(yè) 井筒周邊圍巖切向應(yīng)力特性如下： （１） 當(dāng)λ值在０～１／３之間時(shí)，井筒拱頂或拱底范圍承受拉應(yīng)力；當(dāng)λ＝０時(shí)，井筒拱頂 出現(xiàn)最大切向拉應(yīng)力；當(dāng)λ＞１／３，井筒拱頂逐漸變得穩(wěn)定。無(wú)壓力拱的斜井凍結(jié)壁厚度可按下式計(jì)算： ???????? ??? 13 PKKRE? 式中：Ｅ為凍結(jié)壁厚度，ｍ；Ｒ為井筒外接圓半徑， m；Ｋ為凍土計(jì)算強(qiáng)度，ＭＰａ；β可通過(guò)側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算得到，最大 ，一般取 ～ ；Ｐ為淺埋井筒圍巖頂壓，Ｐ≈γＨ，ＭＰａ；γ意義同前，ＭＮ／ｍ 3 ；Ｈ意義 同前，ｍ。 簡(jiǎn)支梁兩端承 受最大剪應(yīng)力情形，可用于凍結(jié)壁頂板厚度驗(yàn)算。 與淺埋井筒同樣的道理，凍結(jié)壁底板厚度，按井筒外接圓算起有些偏大；可以適當(dāng)將起點(diǎn)抬高，例如從掘進(jìn)底板到外接圓底部的中間算起。 表 各區(qū)段控制層位一覽表 段號(hào) 控制層位深度（ m） 頂板 側(cè)幫 底板 Ⅰ段 （粉砂巖） （砂質(zhì)泥巖） （砂質(zhì)泥巖） Ⅱ段 （中粒砂巖） （ 泥巖） （泥巖） Ⅲ段 （礫巖） （礫巖） （礫巖） Ⅳ段 （砂質(zhì)泥巖） （粉砂巖） （粉砂巖） Ⅴ段 （砂質(zhì)泥巖） （砂質(zhì)泥巖） （砂質(zhì)泥巖） （ 1）凍結(jié)壁平均溫度 根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合大南湖主斜井的地質(zhì)資料，將凍結(jié)壁平均溫度設(shè)定為：頂、底板凍結(jié)壁平均溫度 12℃、兩幫凍結(jié)壁平均溫度 8℃。且井筒掘進(jìn)斷面近似為圓形，近似水平圓筒，同時(shí)考慮井筒斷面形狀壓力的不均勻性，采用無(wú)限長(zhǎng)厚壁筒彈性理論拉麥公式進(jìn)行凍結(jié)壁厚度計(jì)算。 ③ 底板凍結(jié)壁承受壓力計(jì)算 底部?jī)鼋Y(jié)壁承受壓力按承受水壓計(jì)算，其計(jì)算公式為： cpH?? 式中， cp — 底板凍結(jié)壁承受的壓力， MPa； ? — 水的容重， kg /m3； H — 控制截面底板凍結(jié)壁深度， m。 兩幫凍結(jié)壁厚度應(yīng)在此基礎(chǔ)上外擴(kuò)，使斜井凍結(jié)壁接近一個(gè)厚壁圓筒。為此，凍結(jié)壁形成的底板，一是要加固井筒下部圍巖，提高圍巖普氏系數(shù)，減小底鼓；二是要使凍 結(jié)壁底部外擴(kuò)，趨于一個(gè)外接圓，提高凍結(jié)壁承壓能力；三是要預(yù)留凍結(jié)壁底板解凍時(shí)間，防止在井筒鋪設(shè)底板之前，發(fā)生透水事故。 深埋井筒 （１） 井筒凍結(jié)壁頂板厚度計(jì)算 深埋井筒形成壓力拱時(shí)，凍結(jié)壁形成的頂板，一是要將壓力拱內(nèi)可能塌落的圍巖凍結(jié)成整體，提高井筒頂部圍巖普氏系數(shù)，減小壓力拱高度；二是要將部分壓力拱圍巖凍結(jié)，使圍巖壓力拱具有封水作用；三是要讓頂板凍結(jié)圍巖本身所形 第 38 頁(yè) 成的壓力拱發(fā)揮作用。 斜井凍結(jié)壁厚度計(jì)算 方法 淺埋井筒 從井筒周邊應(yīng)力分析可知，圓形井筒最大切向應(yīng)力為等壓力環(huán)周邊切向應(yīng)力的 倍。圖中： qh為深埋井筒壓力 拱高度；ｈ為井筒掘進(jìn)高度；ａ為井筒掘進(jìn)寬度之半； 1a 為兩幫不穩(wěn)定范圍；ｂ為壓力拱跨度之半； bd??, 分別為頂板、井幫圍巖容重； bd ff, 分別為頂板、井幫圍巖普氏系數(shù)； bd??, 分別為頂板、井幫圍巖似內(nèi)摩擦角； bdqq,分別為井筒頂壓和側(cè)壓。 如圖 所示受垂直力 0P 和側(cè)向力 0P? 作用時(shí)，圓形井筒圍巖應(yīng)力狀態(tài)為 ? ? ? ?? ? ? ?? ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2in3211212c o s3112111212c o s341121112144022004400220044022002200srRrRPrRPrRPrRrRPrRPrr 式中： σ r 為圓形井筒圍巖徑向應(yīng)力；σ ? 為圓形井筒圍巖切向應(yīng)力； ??r 為圓形井筒（ｒ，θ）點(diǎn)剪應(yīng)力；λ為井筒圍巖側(cè)壓力系數(shù)；Ｐ 0 為井筒圍巖頂壓力；Ｒ 0 第 34 頁(yè) 為圓形井筒半徑。 12）凍結(jié)開(kāi)機(jī)前，所有影響凍結(jié)的水源井必須停止使用，確保井筒凍結(jié)施工安全。 7）為了準(zhǔn)確提供凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，掌握第一手原始凍結(jié)資料，各段均布設(shè) 4 個(gè)測(cè)溫孔。 2）采用異徑凍結(jié)方式，斜井頂板凍結(jié)壁厚度以上為小管徑凍結(jié)管，可節(jié)省凍結(jié)制冷量。在立井凍結(jié)法鑿井工程中 ,為縮短凍結(jié)時(shí)間和降低凍結(jié)壁的平均溫度 ,多采用的是多圈管 (兩圈管、三圈管甚至四圈管 )的凍結(jié)方案 ,凍結(jié)孔一般按等距離布置在與井筒同心的圓周上。凍結(jié)壁主面的平均溫度比其界面的平均溫度低 。假定有一厚壁長(zhǎng)管，管內(nèi)的內(nèi)外壁始終保持不同恒溫，則管壁內(nèi)之溫度分布為圓管穩(wěn)定溫度分布。在此期間，平面圖上的等溫線是以?xún)鼋Y(jié)管軸心為中心的一組同心圓。 H， MPa； H—— 設(shè)計(jì)深度， m； au 一一凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)最大允許徑向變形， m； h 一一空幫高度， m； t —— 掘砌時(shí)間。 國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者認(rèn)為，在深厚沖積層凍結(jié)時(shí)，可使凍結(jié)壁全部進(jìn)入塑性狀態(tài)極限狀態(tài)，以一定的安全系數(shù)來(lái)保證凍結(jié)壁的安全度，則 kpRaEs )1)(( e xp 4 ?? ?? 第 24 頁(yè) 式中：Φ 4— 系數(shù)，當(dāng)用第三強(qiáng)度理論時(shí)，取值 1:當(dāng)用第四強(qiáng)度理論時(shí)，取值 3 /2； k 安全系數(shù)，取值 ～ 。同樣，在一定的干容重界限以上，土的融化下沉與融化壓縮系數(shù)很小，甚至可以忽略，而在此界限以下，隨著干容重的減小 (空隙比增大 )，融化下沉和融化壓縮系數(shù)在增大。第一步，在等于土自重的荷載的作用下令土充分加熱并融化，定義土層在無(wú)側(cè)向壓縮時(shí)融化前后厚度差△ h 為融化下沉量，融化下沉量與土融化前厚度 h 之比 A0為融化下沉系數(shù)。土層凍結(jié)量，凍脹量與該土層原始厚度的比值，稱(chēng)為凍脹率 ( f? ） 第 22 頁(yè) 000 01000 100100 ?????? h hhh hf? 式中： 0h — 凍結(jié)前土層的厚度 。當(dāng)土的含水量超過(guò)某一臨界值時(shí)，冰已成為凍土的基本骨架，土顆?；緫腋≡诒?，此時(shí)，即使在極小荷載作用下，它也和冰一樣 .發(fā)生非衰減蠕變。典型的凍土非衰減蠕變過(guò)程共有四個(gè)階段 (圖 )。在荷 載作用下，土骨料的個(gè)別地方出現(xiàn)應(yīng)力集中使冰一未凍水體系的平衡狀態(tài)破壞，冰融化以融化的水來(lái)補(bǔ)充薄膜水。 在現(xiàn)場(chǎng)可以用大型直剪、推剪或在室內(nèi)可以用直剪、三軸剪切或球型壓模等方法來(lái)求得凍土的抗剪強(qiáng)度。 這些特性對(duì)凍土來(lái)講都是變化的，它們會(huì)隨著土壤構(gòu)造特 性，冷凍溫度，試 第 19 頁(yè) 驗(yàn)時(shí)間和其他因素而急劇地變化。 第三類(lèi)是通過(guò)實(shí)測(cè)得出經(jīng)驗(yàn)公式，如斯捷潘諾娃公式，它比較接近實(shí)際， 但由于利用該公式時(shí)需事先掌握凍結(jié)管外壁的溫度情況，而該溫度受凍結(jié)管內(nèi)鹽水運(yùn)動(dòng)狀況、凍結(jié)時(shí)間和凍結(jié)壁厚度等因素的影響，很難精確計(jì)算，加上該公式未考慮井幫凍土溫度對(duì)凍結(jié)壁有效厚度的平均溫度的影響，適用范圍也受到一定的限制。試驗(yàn)表明，當(dāng)土的含水量不同時(shí)，凍結(jié)溫度也不同，其規(guī)律是土的凍結(jié)溫度隨含水量的增加而升高。試驗(yàn)表明，在低含水量條件下，未凍水含量對(duì)總含水量有明顯的依賴(lài)關(guān)系，當(dāng)含冰量增大時(shí)，這種依賴(lài)關(guān)系則不明顯。凍土中的未凍水含量不僅是計(jì)算相變潛熱的必要指標(biāo)，而且直接制約凍土的力學(xué)特性，其含量隨土類(lèi)、溫度和外載而變，并與凍結(jié)負(fù)溫值保持冪函數(shù)形式的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。 （ KJ/） 它表示物體傳熱的難易程度，凍土導(dǎo)熱系數(shù)與其顆粒礦物成分、顆粒大小、含水量、溫度有關(guān)，同一類(lèi)型凍土：含水量越大，導(dǎo)熱系