【正文】 頂板凍結(jié)壁承受壓力的計(jì)算公式為： 第 40 頁 cosapH??? 式中， ap — 頂板凍結(jié)壁承受的壓力， MPa； ? — 土層的容重， kg /m3，取 179。 斜井施工，一般是先砌筑兩側(cè)和拱頂井壁；待掘砌一段后，再返回鋪設(shè)井筒底板。hHbHHqbd?? 第 37 頁 其中， ??， 分別為井筒圍巖容重和似內(nèi)摩擦角；其余符號(hào)意義同前。 凍結(jié)壁設(shè)計(jì) 斜井圍巖受力特點(diǎn) 圓形井筒圍巖壓力 斜井井筒掘砌斷面基本可按圓形處理，掘砌施工及永久支護(hù)后的井筒及其圍巖受力，較為接近圓筒受力狀態(tài)。 4）主斜井分為 5個(gè)凍 結(jié)段。在 20世紀(jì) 70年代我國(guó)開始把凍結(jié)法應(yīng)用于斜井。 圖 凍結(jié)壁中的等溫線 在研究?jī)鐾翂囟葓?chǎng)的分布時(shí)，有三個(gè)具有特征的垂直面，如圖 ，主面、界面和軸面。 前蘇聯(lián)學(xué)者維亞洛夫、扎列茨基采用與里別爾曼完全相同的假設(shè)，采用第四強(qiáng)度理論，得出如下公式： ???ph3?E 式中：χ — 為支承條件系數(shù)，下端不固定，當(dāng)井心未凍實(shí)時(shí)，視凍結(jié)壁在段高上端固定，χ＝ 1；當(dāng)井心凍實(shí)時(shí)，視凍結(jié)壁在段高上下兩端固定，χ =。取決于土的機(jī)械組成、含冰 (水 )量以及土的干容重。這些與溫度變化和水的相變相伴而生的體積變化，影響著土的工程性質(zhì)。對(duì)遭受塑性破壞的土，缺陷發(fā)展不會(huì)破壞土的連續(xù)性，但卻以不斷增 長(zhǎng)速度促使塑性變形逐漸發(fā)展 。在其他條件相同的情況下，凍土的抗剪強(qiáng)度比融土大好幾倍，隨著溫度升 高，更多的冰轉(zhuǎn)化為未凍水，凍土的抗剪強(qiáng)度便逐漸降低。一般近似地按凍結(jié)孔最大間距處主界面凍結(jié)壁平均溫度之和的一半來計(jì)算。溫度每降低 1℃，水相變成冰的數(shù)量不超過 1%。由于冰的導(dǎo)熱系數(shù)約為水的四倍，而冰的熱容量約為水的二分之一，凍土中的含冰量愈大，其物理性能的 差異也愈顯著。近 10 余年來，波蘭和前蘇聯(lián)地區(qū)也很少有通過深厚沖積層的新井開工，相應(yīng)的研究工作開展的也較少。如東部老礦區(qū)的新井建設(shè)中，兩淮礦區(qū) 、兗州礦區(qū)等表土層厚從幾十米到 500 米左右不等，中間還含有多層流砂，涌水量大；華北的開灤礦區(qū)表土層從幾十米到 570 米左右，含有流砂和礫石層，而且基巖裂隙中涌水達(dá) 60～ 300 h/m3 ；邯邢地區(qū)表土層厚約 290 米，基巖裂隙涌水也很大；東北地區(qū)沈南煤田表土層厚在 100 米以上；華中的平頂山礦區(qū)巖石裂隙涌水經(jīng)常在 100～ 200 h/m3 。 18′，凝聚力系數(shù) ，普氏硬度系數(shù) 。無膠結(jié)，散體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體呈顆粒碎屑狀，遇水塌陷、地基沉降，邊坡坍塌位移，屬極不穩(wěn)定型。 主檢 5 孔：揭露該層埋深范圍 ～ ，厚度為 ，標(biāo)高為～ 。含礫徑為 ～ 7cm 的礫石，次園狀礫石不一，松散，無膠結(jié)。 區(qū)內(nèi)全被第四系松散層覆蓋，經(jīng)鉆孔揭露地層有：第四系（ Q4）、新近系上新統(tǒng)葡萄溝組 (N2p)、侏羅系中統(tǒng)西山窯組（ J2x）。 28′ 30″。在哈密地區(qū)建成商品煤產(chǎn)業(yè)基地，在準(zhǔn)東、伊犁地區(qū)形成煤電、煤化工產(chǎn)業(yè)基地。作為中煤集團(tuán)確定的“五大產(chǎn)業(yè)基地”之一，中煤新疆基地即將迎來開發(fā)建設(shè)的熱潮。 主斜井井筒的主要技術(shù)特征見 表 1 表 1 主斜井井筒主要技術(shù)特征表 序號(hào) 項(xiàng) 目 單位 主斜井井筒 1 井筒中心坐標(biāo) m X= Y= Z=+ 2 井檢孔坐標(biāo) 副檢 3 m X= Y= Z=+ 3 補(bǔ) 1號(hào) m X= Y= Z=+ 第 3 頁 4 補(bǔ) 4號(hào) m X= Y= Z=+ 5 副檢 1 m X= Y= Z=+ 6 井筒傾角 176。多為泥質(zhì)、粉砂狀、細(xì)～中粒砂狀結(jié)構(gòu)，砂巖成份由長(zhǎng)石、少量石英及巖 屑組成，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，具水平紋理，含植物莖部化石，裂隙稍發(fā)育，偶見炭屑，多呈柱狀，堅(jiān)硬。簡(jiǎn)易水文觀測(cè)未發(fā)現(xiàn)有明顯消耗。 水力聯(lián)系 第 6 頁 區(qū)內(nèi)無常年性流動(dòng)的地表水流 。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 、飽和 ），抗拉強(qiáng)度 ，內(nèi)摩擦角 40176。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 MPa，內(nèi)摩擦角 40176。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 第 11 頁 凍結(jié)技術(shù)始于十九世紀(jì)， 1862 年英國(guó)工程師在南威爾士首次使用人工地層凍結(jié)技術(shù)加固地基。 斜井凍結(jié)法與立井凍結(jié)法因井筒開拓方式的不同，導(dǎo)致了各自凍結(jié)方案和凍結(jié)設(shè)計(jì)上的不同。土體中的未凍水含量多，土體凍結(jié)較慢，粘性土比砂土中含較多的未凍水，砂土就較容易凍結(jié)。一般情況下，當(dāng)含水量為液限含水量時(shí)，粘性土類的為 ～ ℃左右；砂和砂性土的為 0～ ℃。國(guó)內(nèi)外凍結(jié)壁平均溫度的計(jì)算方法： 中國(guó)成冰公式： 3o ????????? ??????ElEltttttbcnocc И . ???????? ?????ynyyyc EEldElRltt 0, И .Д .納斯諾夫， ?????? ??? Elldtt nbc , 式中， ct — 按成冰公式計(jì)算的凍結(jié)壁有效厚度的平均溫度； ct0 — 按凍結(jié)壁零度邊界線計(jì)算的平均溫度； 第 18 頁 nt — 井幫凍土溫度，井幫未凍時(shí)取零度； bt — 凍結(jié)鹽水溫度； L— 凍結(jié)孔間距； E— 凍結(jié)壁厚度； ,ct 一按и .； yt — 凍結(jié)管外壁的巖層溫度； R0 — 凍結(jié)孔布置圈直徑； dy — 凍結(jié)管外直徑； En — 凍結(jié)壁的內(nèi)側(cè)厚度； Ey — 凍結(jié)壁的外側(cè)厚度； nd — 凍結(jié)管內(nèi)直徑 凍土的強(qiáng)度與變形性質(zhì) 凍土的強(qiáng)度特性 (l)抗剪強(qiáng)度 土的種類、溫度、外載大小及其作用時(shí)間都影響到凍土的抗剪強(qiáng)度。凍土之所以存在流變性質(zhì)，是由其中的冰和未凍水所決定的，冰一水在一定的溫度和壓力下處于平衡狀態(tài)。荷載越大，變形越大，破壞越快。一般土體在荷載作用下，這兩種作用是結(jié)合在一起的，很難予以區(qū)分。 根據(jù)這些方程可通測(cè)定凍結(jié)過程中溫度梯度確定土水勢(shì)對(duì)凍土的析冰作用，研究表明，正凍土中的析冰作用與土體類型、含水量、水分分布、溫度、載荷條件有關(guān)系。 凍結(jié)壁厚度計(jì)算是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工作，由于壁內(nèi)溫度分布帶來強(qiáng)度的非均勻性，凍土的流變特性，實(shí)際凍結(jié)壁的非對(duì)稱性、地壓的不確定性、段高及約束條件、凍結(jié)壁整體強(qiáng)度與試塊強(qiáng)度的不一致性等給計(jì)算工作帶來許多困難。 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)。斜井井筒凍結(jié)方案選擇及要點(diǎn)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。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。當(dāng)λ＝０時(shí)，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。 井筒凍結(jié)壁兩幫厚度 bE ，應(yīng)同時(shí)滿足以下條件：當(dāng)ｆ ＜ 時(shí)， bE ≥ 1～ 1a ；當(dāng)ｆ＝ ～ 時(shí)， bE ＝ ～ 21a ；當(dāng)ｆ＞ 2 時(shí)， bE ≥ 21a ， bE ≥Ｌ。 K為凍土允許抗壓強(qiáng)度 通過以上計(jì)算結(jié)果，并綜合斜井井筒凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，地層凍結(jié)壁厚度確定見表 。井筒圍巖的擴(kuò)大拱形塌落范圍，主要取決于原有圍巖普氏系數(shù)。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。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。/h，維護(hù)凍結(jié)期 6m179。 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(jì)要點(diǎn) 針對(duì)主斜井井筒穿過地層特點(diǎn)，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。 單位時(shí)間通過管長(zhǎng) l 的熱流量： lrrrllrttQ ff2212112121ln2121?????? ???? 式中分母為總熱阻。 （ 4）根據(jù)測(cè)溫孔資料推算 根據(jù)測(cè)溫孔資料可推算凍結(jié)壁的厚度，是針對(duì)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(cè)孔位于內(nèi)側(cè)凍結(jié)壁中時(shí)有： ???????????????? tt rrtrtrtEcdc001lnlnlne x p ~ 1EE ? 測(cè)溫孔位于外側(cè)凍結(jié)壁中時(shí)有 ???????????????? tt rrtrtrtEcdc002lnlnlne x p ~ 2EE ? 式中： 0r — 凍結(jié)管的內(nèi)半徑， m； r— 測(cè)溫孔中心至凍結(jié)管中心的距離， m； t— 測(cè)溫孔實(shí)測(cè)溫度，186。通過室內(nèi)試驗(yàn)得到了正凍土中由溫度梯度引起的水分遷移的驅(qū)動(dòng)力三要素：溫度、未凍水含量和土水勢(shì)之間的關(guān)系，提出了水分遷移的經(jīng)驗(yàn)公式。在土的自重和外荷載作用下，水逐漸排出，使土進(jìn)一步壓縮下沉。 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。根據(jù)實(shí)測(cè)，一般凍土和常規(guī)土力學(xué)參數(shù)如表 所示。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(shí) ，凍結(jié)壁平均溫度的差值約為 ℃。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(yàn)確定。 影響凍結(jié)壁溫度的主要因素 當(dāng)土體凍結(jié)時(shí)，特別是當(dāng)細(xì)分散土 (如粘性土 )凍結(jié)時(shí)，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。為此打鉆均采用垂直孔，其缺點(diǎn)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。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(shí)冬季施工還要克服低溫對(duì)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。 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。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。 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(jì)為280m3/h。呈柱狀、短柱狀、碎塊狀，較堅(jiān)硬 。鉆孔控制地層厚度 ～ ，平均 。 主斜井凈寬 ，凈高 ，傾角 14176。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。 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(cè)成立，負(fù)責(zé) 準(zhǔn)東帳南東煤炭、煤電、煤化工項(xiàng)目開發(fā)，公司年產(chǎn) 40 億立方米煤制天然氣項(xiàng)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。 本井田對(duì)外公路交通主要是位于礦區(qū)東部南北向通過的 312 國(guó)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。與下伏地層不整合接觸。這些堆積物雖透水性較好，但不具儲(chǔ)水條件，為透水不含水層。本次井檢孔抽水試驗(yàn)結(jié)果：?jiǎn)挝挥克?，滲透系數(shù) ，水位標(biāo)高 ，礦化度，硬度 ， pH值 ，水質(zhì)為 SO4HCO3－ Ca 型。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。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 ～ 、飽和 ～ ），抗拉強(qiáng)度 ～ ，內(nèi)摩擦角 41176。 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。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）。 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(gè)比例系數(shù)稱為導(dǎo)熱系數(shù)。由于濕存水與純水結(jié)晶熱不同，首先通過試驗(yàn)測(cè)定土壤水的結(jié)晶熱，然后用它來計(jì)算未凍水含量。 第二類是通過模擬試驗(yàn)得出的半經(jīng)驗(yàn)公式，如納索諾夫一蘇普利克公式，但 第 17 頁 模擬試驗(yàn)凍結(jié)過程的凍結(jié)壁厚度較小，且未考慮井筒的實(shí)際凍結(jié)狀況，計(jì)算結(jié)果只在較小的范圍內(nèi)適用。由于冰具有流變性，因而，剪切荷載作用時(shí)間越長(zhǎng)，凍土的抗剪能力也越低，由此導(dǎo)致長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度大大低于瞬時(shí)抗剪強(qiáng)度。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。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。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，