【正文】 p —— 水平地壓， p =179。 凍結(jié)壁厚度計算理論 為科學(xué)合理確定適合大南湖主斜井凍結(jié)壁厚度，借 鑒軸對稱平面力學(xué)模型計算方法 無限長彈性厚壁圓筒公式 視凍結(jié)壁為在均布外壓作用下的無限長彈性厚壁圓筒，即 ))(( 232 ss ppRaE ???? ?? 式中：Φ Φ 3— 系數(shù)，當(dāng)用第三強度理論時 (為多姆克公式 )分別取值 和 ；當(dāng)用第四強度理論時，分別取值 和 ； s? 與凍結(jié)壁暴露時間相適應(yīng)的凍土長時 抗壓強度，也可取瞬時抗壓強度， Mpa。在一定的含水量界限以下，土的融化下沉量很小甚至可以忽略，在此界限以上，融化下沉系數(shù)隨含水量的增加而增大。為便于研究起見， (1985)建議將測定凍土融化下沉和壓縮的實驗工作分成兩步。凍脹一般都是不均勻的，不均勻而且巨量的凍脹將導(dǎo)致建筑物凍脹變形的基本特征值是凍脹量和凍脹率。發(fā)生何種類型的蠕變，還取決于凍土含水 (冰 )量的大小。凍土蠕變可由于凍土上作用的荷載的大小分為兩種類型 :非衰減蠕變和衰減蠕變。未凍水以薄膜形式包裹在礦物顆粒和膠結(jié)冰晶體上。由于冰具有流變性，因而，剪切荷載作用時間越長，凍土的抗剪能力也越低，由此導(dǎo)致長期抗剪強度大大低于瞬時抗剪強度。有關(guān)試驗表明，在凍結(jié)過程中，凍土可以看作為很密實的，此時其剪應(yīng)力和正應(yīng)力之間關(guān)系一般為非線性的，但為了實用，凍土的抗剪強度也可以用庫倫定律來表示，即 ： ??? tan??C 式中： ? — 抗剪強度； ? — 正壓應(yīng)力； ? — 內(nèi)摩擦角； C— 粘聚力。 第二類是通過模擬試驗得出的半經(jīng)驗公式，如納索諾夫一蘇普利克公式，但 第 17 頁 模擬試驗凍結(jié)過程的凍結(jié)壁厚度較小，且未考慮井筒的實際凍結(jié)狀況，計算結(jié)果只在較小的范圍內(nèi)適用。 土的含鹽量的大小也影響著它的凍結(jié)溫度的高低，含鹽量大，其凍結(jié)溫度低，而含鹽量又與水分有關(guān)，土的含水量大，土中鹽稀 釋，凍結(jié)溫度高；土的含水量小，鹽的濃度增大，凍結(jié)溫度就低。由于濕存水與純水結(jié)晶熱不同，首先通過試驗測定土壤水的結(jié)晶熱，然后用它來計算未凍水含量。土體中的未凍水含量直接影響到土體的相變潛熱，進而影響土體溫度的下降。 導(dǎo)熱系數(shù) ? 第 13 頁 在固體中某過熱斷面上傳遞的熱流密度與其法線方向上的溫度梯度成正比，這個比例系數(shù)稱為導(dǎo)熱系數(shù)。在立井凍結(jié)法鑿井工程中，為縮短凍結(jié)時間和降低凍結(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。截止目前最大凍結(jié)深度 740m（安徽口孜東煤礦主井），穿過最大表土層深度 （山東郭屯煤礦主井）。 1880 年德國人 奇提出了人工凍結(jié)法原理，并于 1883 年將這一原理應(yīng)用于阿爾里德煤礦的凍結(jié)法鑿井。 在這種條件下用普通鑿井法將遇到很大困難，甚至是不可能的。 42′，凝聚力系數(shù) ，普 第 8 頁 氏硬度系數(shù) ，切線模量 ，泊松比 。巖石物理力學(xué)試驗結(jié)果顯示，其容重 ，含水率 %，抗壓強度（天然 ～ 、干燥 ～ 、飽和 ～ ），抗拉強度 ～ ，內(nèi)摩擦角 41176。 18′，凝聚力系數(shù) ，普氏硬度系數(shù) ，切線模量 ，泊松比 。該地層均已受到不同程度的風(fēng)化，使巖石結(jié)構(gòu)松散，除泥巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造已不清楚，其他巖石結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。地下水的補給，主要源于大氣降水、雪融水的補給。本次井檢孔抽水試驗結(jié)果：單位涌水量 ，滲透系數(shù) ，水位標(biāo)高 ，礦化度，硬度 ， pH值 ，水質(zhì)為 SO4HCO3－ Ca 型。本次井檢孔抽水試驗結(jié)果：平均單位涌水量 ，滲透系數(shù) ，水位標(biāo)高 ，礦化度 ，硬度 ， pH 值 ，水質(zhì)為SO4HCO3Cl－ NaCa 型。這些堆積物雖透水性較好，但不具儲水條件，為透水不含水層。鉆孔控制地層厚度 ～ 。與下伏地層不整合接觸。 14 7 井筒凈寬（ m） m 8 井筒凈高（ m） m 9 掘進荒寬（ m） m 10 掘進荒高（ m） m 第二章 井筒地質(zhì)及水文地質(zhì) 地質(zhì)概況 井田內(nèi)地表為大片的第四系、新近系覆蓋區(qū)，地層主要有第四系（ Q）、新近系上新統(tǒng)葡萄溝組（ N2p）、侏羅系中統(tǒng)頭屯河組（ J2t）、侏羅系中統(tǒng)西山窯組（ J2x），石炭系上統(tǒng)梧桐窩子組（ C2wt）。 本井田對外公路交通主要是位于礦區(qū)東部南北向通過的 312 國道和正在建設(shè)中的星星峽至吐魯番高速公路，以及在本礦區(qū)西部從魯能大南湖礦區(qū)南北向通過的哈密至羅中公路。 中煤能源哈密煤業(yè)有限公司大南湖十號煤礦井田位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密市東南約 70km 處，行政區(qū)劃隸屬新疆維吾爾自治區(qū)哈密市管轄。 20xx 年 4 月，中煤能源新疆煤電化有限公司在新疆石河子市注冊成立，負(fù)責(zé) 準(zhǔn)東帳南東煤炭、煤電、煤化工項目開發(fā)，公司年產(chǎn) 40 億立方米煤制天然氣項目于 20xx 年 5月 30日在準(zhǔn)東五彩灣工業(yè)園開工奠基，規(guī)劃建設(shè)的 2179。 20xx 年 3月 28日，中煤集團 與新疆維吾爾自治區(qū)人民政府簽訂了戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，根據(jù)協(xié)議，中煤集團將在未來五年內(nèi)，投資不低于1000 億元在吐哈、準(zhǔn)東、伊犁等煤炭資源富集地區(qū)，建設(shè)大型煤炭、發(fā)電、煤化工等項目和產(chǎn)業(yè)園區(qū)，雙方在大型煤炭項目勘探開發(fā)，大型煤電、煤化工項目建設(shè)，煤礦建設(shè)服務(wù)，煤層氣開發(fā)與利用等領(lǐng)域開展全方位合作。此外，中煤新疆分公司擬在烏魯木齊甘泉堡高新工業(yè)園區(qū)建設(shè)甘泉堡 2179。 24′ 30″～ 42176。 主斜井凈寬 ，凈高 ，傾角 14176。 本井田所屬的大南湖礦區(qū)屬于新區(qū)，區(qū)內(nèi)尚無生產(chǎn)礦井，大南湖礦區(qū)只有魯能大南湖礦井在建設(shè)中，預(yù)計明年投入生產(chǎn)；本井田東部的重慶能源礦井正在進行籌建，其它勘查區(qū)的地質(zhì)勘查工作尚未完成，各區(qū)的勘查程度不等。鉆孔控制地層厚度 ～ ，平均 ?，F(xiàn)將其水文地質(zhì)條件分述如下： 1）第四系透水不含水層 由粗、中、細(xì)、粉 砂及粉土組成。呈柱狀、短柱狀、碎塊狀，較堅硬 。呈柱狀、短柱狀、碎塊狀。 主斜井井筒涌水量為：葡萄溝組為 252m3/h，西山窯組為 28m3/h，合計為280m3/h。根據(jù)巖石物理力學(xué)試驗成果，對井檢孔位置地層的工程地質(zhì)特征敘述如下： （ 1）松散巖組 埋深為 ～ ，主要為砂質(zhì)粘土、粘土、中細(xì)砂及砂礫石層。經(jīng)風(fēng)化后巖石力學(xué)性質(zhì)有所降低，略低于新鮮巖石，屬不穩(wěn)固型。巖石物理力學(xué)試驗結(jié)果顯示 ，其容重 ，含水率 %，抗壓強度（天然 MPa、干燥 ），抗拉強度 ，內(nèi)摩擦角 42176。 6）泥巖：厚度為 ，占本組地層厚度的 %，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，平坦斷口，易風(fēng)化，遇水易膨脹，呈柱狀、短柱狀，松軟。 另一方面，在新礦區(qū)開發(fā)中，越來越多地遇到復(fù)雜地層，特別是要穿過厚度不等的表土層，給新井建設(shè)帶來了很大困難。尤其是地處新疆的大南湖礦井，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，斜井?dāng)嗝娲蟆A角大，同時冬季施工還要克服低溫對凍結(jié)的影響，這些不利因素，成為凍結(jié)法能否成功應(yīng)用的瓶頸。但 10 多年前，英國和德國已停止建設(shè)新礦井。為此打鉆均采用垂直孔，其缺點是打鉆工程量大，占地面積大，因此只適用于淺表土，或原斜井井筒施工用普通法因出事故無法繼續(xù)施工 ，用凍結(jié)法來處理。 凍土的熱物理參數(shù) 凍土是由礦物顆粒、冰、未凍水和氣體所組成的四相物體，凍土和未凍土的物理性質(zhì)有很大差別，是由于土中水處在不同相態(tài)時或者正在發(fā)生相變時的特性所決定的。 影響凍結(jié)壁溫度的主要因素 當(dāng)土體凍結(jié)時，特別是當(dāng)細(xì)分散土 (如粘性土 )凍結(jié)時，在土的凍結(jié)溫度下，遠(yuǎn)非所有的水都結(jié)成了冰，而只是其中的一部分變成了冰。未凍水含量的變化量小于 1%，但 大于 %； 10℃以下為實際的凍透區(qū)。在給定含水量及無外載條件下土體的凍結(jié)溫度： )lnln(9e x p 0f b wa ???? 式中 f? —— 土體的凍結(jié)溫度，℃； 0w —— 土體的含水量， %； a， b—— 由土質(zhì)決定的常數(shù)，由試驗確定。加上由于鉆孔的偏斜，以及每個凍結(jié)管在凍結(jié)過程中的差別，實際形成的凍結(jié)壁是不均勻的，要精確計算凍結(jié) 壁的平均溫度是困難的。凍結(jié)壁平均溫度隨凍結(jié)管直徑的增大而降低，管徑每差 5mm 時 ，凍結(jié)壁平均溫度的差值約為 ℃。 ③試驗中的溫度規(guī)律 凍土抗力對溫度變化非常敏感，特別是在水的相態(tài)急劇變化的溫度范圍內(nèi)。根據(jù)實測，一般凍土和常規(guī)土力學(xué)參數(shù)如表 所示。土結(jié)構(gòu)的損壞先發(fā)生在土結(jié)構(gòu)的缺陷處，即土的骨架聯(lián)結(jié)最薄弱處，隨后隨著土顆粒繼續(xù)位移而迅速擴成網(wǎng)狀大裂縫。 出現(xiàn)何種類型的蠕變，決定于荷載的大小，也決定于土的含水 (冰 )量的大小。當(dāng)水從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合鄷r，土便發(fā)生融化下沉，在有外荷載作用下還會發(fā)生融化壓縮。在土的自重和外荷載作用下，水逐漸排出，使土進一步壓縮下沉。和 a。通過室內(nèi)試驗得到了正凍土中由溫度梯度引起的水分遷移的驅(qū)動力三要素：溫度、未凍水含量和土水勢之間的關(guān)系，提出了水分遷移的經(jīng)驗公式。 推導(dǎo)出公式： hKhE i ii????? 式中： h— 段高， m； K— 安全系數(shù)，為 — ； ?? 凍土松弛強度，取與凍結(jié)壁暴露時間相一致的凍土長時抗壓強度，pa。 （ 4）根據(jù)測溫孔資料推算 根據(jù)測溫孔資料可推算凍結(jié)壁的厚度，是針對具體凍結(jié)施工條件比較適用的 第 27 頁 一種行之有效的方法，測孔位于內(nèi)側(cè)凍結(jié)壁中時有： ???????????????? tt rrtrtrtEcdc001lnlnlne x p ~ 1EE ? 測溫孔位于外側(cè)凍結(jié)壁中時有 ???????????????? tt rrtrtrtEcdc002lnlnlne x p ~ 2EE ? 式中： 0r — 凍結(jié)管的內(nèi)半徑， m； r— 測溫孔中心至凍結(jié)管中心的距離， m； t— 測溫孔實測溫度，186。凍結(jié)壁中等溫線如圖 所示。 單位時間通過管長 l 的熱流量： lrrrllrttQ ff2212112121ln2121?????? ???? 式中分母為總熱阻。 第三章 凍結(jié)設(shè)計 設(shè)計原則 斜井凍結(jié)方法簡述 凍結(jié)法鑿井自 1883 年德國工程師波茨舒發(fā)明到目前為止 ,已經(jīng)成為建設(shè)通過含水不穩(wěn)定地層井筒的有效手段。 圖 凍結(jié)孔布置條帶立面示意圖 凍結(jié)方案選擇及設(shè)計要點 針對主斜井井筒穿過地層特點，凍結(jié)方案以“安全第一、優(yōu)質(zhì)高效、少挖凍土 ”、確保井筒施工安全為原則。 5mm 的無縫鋼管作為套管，其套管內(nèi)環(huán)形空間抽真空隔溫，有效控制冷量向井筒內(nèi)擴散，創(chuàng)造良好的掘砌施工條件。/h，維護凍結(jié)期 6m179。 0m 計算 )。一般情況下，側(cè)壁處在較大的壓應(yīng)力作用下，是造成井筒側(cè)壁剪切破壞或巖爆的主要原因之一。而井筒凍結(jié)工程的凍結(jié)壁厚度，一般是按掘砌荒徑確定。當(dāng)ｆ＜ 時，井筒圍巖以擴大拱形塌方類型為主，井筒底部圍巖易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。井筒圍巖的擴大拱形塌落范圍，主要取決于原有圍巖普氏系數(shù)。 凍結(jié)段垂深較大時，亦可按照深埋硐室的成拱理論計算頂板的最大壓力，但考慮到井筒頂板凍結(jié)壁厚度的增加對工程的投入和施工工期影響不大，故選用偏安全的“淺埋峒室松動壓力的巖柱理論”計算井筒頂板凍結(jié)壁的最大壓力。 K為凍土允許抗壓強度 通過以上計算結(jié)果，并綜合斜井井筒凍結(jié)施工經(jīng)驗，地層凍結(jié)壁厚度確定見表 。 103 kg/m3； H — 控制層頂板深度， m，取斜井凍結(jié)壁控制截面的頂部深度； ? — 井筒傾角，176。 井筒凍結(jié)壁兩幫厚度 bE ，應(yīng)同時滿足以下條件：當(dāng)ｆ ＜ 時， bE ≥ 1～ 1a ；當(dāng)ｆ＝ ～ 時， bE ＝ ～ 21a ；當(dāng)ｆ＞ 2 時， bE ≥ 21a ， bE ≥Ｌ。因此，斜井凍結(jié)壁底部裸露時間較長，易產(chǎn)生蠕變變形，出現(xiàn)底鼓。斜井底部一般為馬蹄形；在淺埋情況下，井筒周邊最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在兩側(cè)，底部可能只出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。 淺埋井筒頂壓 dq 計算時，考慮了圍巖滑動面阻力。當(dāng)λ＝０時，井筒周邊圍巖切向壓應(yīng)力最大值 0max 3P??? ，為等壓力環(huán)周邊圍巖切向應(yīng)力的 倍。斜井與水平井筒圍巖受力有類似之處。在凍結(jié)壁保證掘砌安全的條件下，為井筒施工創(chuàng)造良好環(huán)境。 5）采用分段打鉆、分段凍結(jié)工藝，確保造孔、凍結(jié)、掘砌連續(xù)施工。斜井井筒凍結(jié)方案選擇及要點如下： 1）采用地面打直孔方案，鉆孔深度由淺入深 (以井口標(biāo)高為177。目前我國沒有專門打斜長鉆孔的鉆機應(yīng)用 于斜井凍結(jié)孔施工中 ,因此斜井凍結(jié)方案一直采用的是垂直凍結(jié)孔凍結(jié)。 凍結(jié)壁平均溫度主要與鹽水溫度、凍結(jié)孔間距、凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)管直徑以及井幫溫度等因素 有關(guān)。主面是通過凍結(jié)管的軸心，并垂直于布置凍結(jié)管的平面 (AA 面 )；界面是指相鄰兩凍結(jié)管中心連線的中垂面 (BB 面 )，軸面是