【正文】 ? ?? ?12/ ??? PKKRE 式中 R為井筒掘進(jìn)半徑， R =。 ②兩側(cè)凍結(jié)壁承受壓力計(jì)算 兩側(cè)凍結(jié)壁承受壓力按重液公式計(jì)算，其計(jì)算公式為： ? 式中， p — 兩側(cè)凍結(jié)壁承受的壓力， MPa； H — 控制層深度， m。 （ 2）凍結(jié)壁厚度計(jì)算 1）地壓計(jì)算 ①頂板凍結(jié)壁承受壓力計(jì)算 垂直于井筒外凍結(jié)頂板最大 壓力可按“淺埋峒室松動(dòng)壓力的巖柱理論”計(jì)算。 第 39 頁 其中， 1a 意義同前，Ｌ為兩幫凍結(jié)孔成孔間距。 （３）井筒凍結(jié)壁兩幫厚度計(jì)算 凍結(jié)壁可以在一定范圍內(nèi)，提高井筒圍巖抗壓強(qiáng)度，但不能根本改變井筒圍巖塌方類型。同時(shí)在掘砌施工中，需要割斷垂直凍結(jié)方式的頂?shù)装鍍鼋Y(jié)管。 （２） 井筒凍結(jié)壁底板厚度計(jì)算 由于井筒底板是被動(dòng)受力，所以底板附近圍巖不是均勻受力，受井筒下部和兩側(cè)圍巖普氏系數(shù)影響較大。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。 需要指出的是，淺埋井筒凍結(jié)壁厚度計(jì)算值，是在井筒外接圓的基礎(chǔ)上分析計(jì)算得到的。為安全起見，也可忽略滑動(dòng)面阻力，而將頂壓公式簡化為 Hqd ?? 。??? (2)淺埋井筒圍巖壓力計(jì)算 當(dāng)埋深 qhH )~(? 時(shí)，為淺埋井筒，其圍巖壓力為 ?????? ??????? ???????? ??????? ???245t a n2qt a n245t a n2122。 斜井圍巖壓力計(jì)算 （１） 深埋井筒圍巖壓力及壓力拱計(jì)算 當(dāng)埋深 qhH )~(? 時(shí)為深埋井筒，計(jì)算簡圖如圖 。 （２） 當(dāng)λ值在０～１之間變化時(shí)，在側(cè)壁范圍內(nèi)，井筒周邊圍巖切向應(yīng)力總是壓應(yīng)力，且比拱頂范圍內(nèi)的應(yīng)力值大， 03~2 P）（??? 。因此，我們由圓形井筒受力分析入手，來討論斜井凍結(jié)壁厚度計(jì)算方法。那么主斜井凍結(jié)孔垂深為 ～ (均以井口絕對(duì)標(biāo)高 +726m 為177。 11）依據(jù)我單位斜井凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，井筒掘砌施工時(shí)空幫時(shí)間暫定為 15 天，空底時(shí)間確定為 25～ 30 天。 10）各凍結(jié)孔鹽水流量：積極凍結(jié)期 10m179。 6）為了報(bào)導(dǎo)凍結(jié)壁交圈情況，每段均設(shè)置 2個(gè)水文孔。 5mm 凍結(jié)管外部焊接φ 159179。 0m 起計(jì)算）。 圖 凍結(jié)孔布置條帶平面示意圖 斜井凍結(jié)時(shí)由于拱頂凍結(jié)孔的穿過井筒和斜井凍結(jié)壁厚度的要求 ,因此在斜井凍結(jié)設(shè)計(jì)方案時(shí)為了減少冷量損失和合理的凍結(jié)站冷凍機(jī)的安裝量 ,凍結(jié)設(shè)計(jì)方案需采用局部凍結(jié)技術(shù) ,即在井筒凍結(jié)壁部分采用加強(qiáng)凍結(jié) ,井筒非凍結(jié)段部 第 32 頁 分采用局部保溫凍結(jié)技術(shù) ,以此降低冷量損失。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。當(dāng)界面厚度達(dá)到 5m 后，主、界面的平均溫度的差值約小于 1℃。凍結(jié)壁平均溫度隨著凍結(jié)壁厚度的增大而降低，而平均溫度降低的速率與厚度成正比。 假如圓、外流換熱，為第三類邊界件： ? ?? ?122111ttdrdtttdrdt f???????? 21rr rr?? 21 ??， , — 圓管內(nèi)、外表面的換熱系數(shù)； 21, ff tt — 圓管內(nèi)、外表面的流體溫度。 (l)凍結(jié)區(qū)溫度場 凍結(jié)區(qū)溫度場是一個(gè)相變溫度場，常用圓管穩(wěn) 定導(dǎo)熱來計(jì)算。在鄰近的各個(gè)凍土圓柱相連接后，形成一個(gè)連續(xù)的凍土墻，此時(shí)，平面圖上圍繞著凍結(jié)管的各個(gè)等溫線是彼此相互平行 的波狀曲線，其波峰正對(duì)著凍結(jié)管，離開凍結(jié)管越遠(yuǎn)，等溫線越趨向拉直。 凍結(jié)溫度場溫度分布規(guī)律 在凍結(jié)管開始凍結(jié)后，凍結(jié)管中的低溫鹽水流動(dòng)與其周圍地層進(jìn)行熱交換，以致在每個(gè)凍結(jié)管周圍形成凍土柱，隨著凍結(jié)管道不斷供冷，凍土圓柱 不斷增加，凍土圓柱內(nèi)的溫度場發(fā)生變化，隨著凍土圓柱的增長，結(jié)冰區(qū)各等溫線距離也要增加，但凍結(jié)管壁的溫度 (當(dāng)凍結(jié)系統(tǒng)不變時(shí) )及凍土圓柱外圍溫度保持不變。用冪函數(shù)曲幾線來擬合安全施工曲線得： ?? HRE a? 式中： H— 凍結(jié)壁計(jì)算處深度， m； α、β — 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，α＝ ，β＝ 。 凍土蠕變本構(gòu)關(guān)系式為： cBtA ??? )(? 將其轉(zhuǎn)化成復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的凍土蠕變本構(gòu)關(guān)系，并由剪應(yīng)力強(qiáng)度和剪應(yīng)變來表示可得： CBi tA ??? )(? 式中： )(?A —— 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)系數(shù) ，且有 )(?A = )(3 21 ?AB? 從而按變形條件計(jì)算凍結(jié)壁的厚度又可描述為： ? ? ? ? aBBBCBaBaa RARhRhPBRE ??????????? ???????????????? ?? ? 1111111 ??? ②陳湘生博士在維亞洛夫公式基礎(chǔ)上，通過凍土三軸剪切蠕變模型試驗(yàn)，將凍土蠕變本構(gòu)關(guān)系中的溫度也分離出來，提出了深凍結(jié)壁理論及公式： 第 26 頁 ? ?? ? aBBBCBaBaBKa RARhRhPBRE ???????????????????????????????? ??? 110111111??? 式中， aR 井筒掘進(jìn)半徑， m ? 一一工作面約束參數(shù)， ； p —— 水平地壓， p =179。 (l)按強(qiáng)度條件計(jì)算 前蘇聯(lián)學(xué)者里別爾曼提出永極限平衡原理的極值曲線原理計(jì)算凍結(jié)壁的厚度，假設(shè)： ①凍結(jié)壁的側(cè)面的壓力為 iihP ??? ②段高的上下段固定； ③凍土為塑性體； ④根據(jù)第三強(qiáng)度理論，抗剪強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度 之半； ⑤計(jì)算時(shí)考慮到強(qiáng)度松弛，取隨時(shí)間變化的凍土強(qiáng)度。 凍結(jié)壁厚度計(jì)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(duì)稱平面力學(xué)模型計(jì)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(qiáng)度理論時(shí) (為多姆克公式 )分別取值 和 ；當(dāng)用第四強(qiáng)度理論時(shí)，分別取值 和 ； s? 與凍結(jié)壁暴露時(shí)間相適應(yīng)的凍土長時(shí) 抗壓強(qiáng)度，也可取瞬時(shí)抗壓強(qiáng)度， Mpa。在眾多的理論中，為大 第 23 頁 多數(shù) 學(xué)者所接受的是吸附一薄膜水理論。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。表征土的融化下沉和融化壓縮能力的兩個(gè)指標(biāo) A。為便于研究起見， (1985)建議將測定凍土融化下沉和壓縮的實(shí)驗(yàn)工作分成兩步。在土體溫度升高，冰融化時(shí)，土體往往在自重作用下產(chǎn)生一定量的下沉。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。由于在凍結(jié)過程中水分遷移使細(xì)粒土的含水量增加，遷移水的體積加劇了濕土的凍脹。發(fā)生何種類型的蠕變，還取決于凍土含水 (冰 )量的大小。最后，第四階段為漸進(jìn)流階段，蠕變速度趨于增大，土體發(fā)生破壞 (CD)。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。伴隨以土顆粒的重新組合與重新定向，力圖使自己的基面沿最大剪應(yīng)力的方向排列，占據(jù)與最小位能相應(yīng)的位置。未凍水以薄膜形式包裹在礦物顆粒和膠結(jié)冰晶體上。但當(dāng)含水量超過某 一定值時(shí)，含水量的進(jìn)一步增大導(dǎo)致凍土抗壓強(qiáng)度的降低，最后趨于某個(gè)定值。由于冰具有流變性，因而，剪切荷載作用時(shí)間越長，凍土的抗剪能力也越低，由此導(dǎo)致長期抗剪強(qiáng)度大大低于瞬時(shí)抗剪強(qiáng)度。整體狀構(gòu)造的凍土在其他條件相同的情況下，其摩擦力和粘結(jié)力小于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凍土。有關(guān)試驗(yàn)表明，在凍結(jié)過程中，凍土可以看作為很密實(shí)的，此時(shí)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(shí)用，凍土的抗剪強(qiáng)度也可以用庫倫定律來表示，即 ： ??? tan??C 式中： ? — 抗剪強(qiáng)度； ? — 正壓應(yīng)力； ? — 內(nèi)摩擦角； C— 粘聚力。凍結(jié)壁擴(kuò)入井筒荒徑后，當(dāng)孔距 ～ ，井幫凍土溫度每降低 1℃，凍結(jié)壁有效厚度的平均溫度相應(yīng)降低 ～ ℃。 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。在實(shí)際工程中筒形凍結(jié)壁不僅徑向各點(diǎn)的溫度不同，環(huán)向各點(diǎn)的溫度也有所差別。 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。土體中的水由于受土顆粒表面能的作用及溶質(zhì)的存在和地壓影響，其凍結(jié)溫度均低于 0℃，因而土體的凍結(jié)溫度應(yīng)試驗(yàn)測定。由于濕存水與純水結(jié)晶熱不同，首先通過試驗(yàn)測定土壤水的結(jié)晶熱，然后用它來計(jì)算未凍水含量。在該區(qū)內(nèi)，溫度變化 1℃時(shí)未凍水含量的變化為 l%或大于與干土重之比； 510℃緩慢過渡區(qū)。土體中的未凍水含量直接影響到土體的相變潛熱，進(jìn)而影響土體溫度的下降。 ②含水量 試驗(yàn)證明： 土中水含量未飽和前： 含水量越高凍土強(qiáng)度越大 土中水含量飽和后： 含水量越高凍土強(qiáng)度越低 ③凍結(jié)速度 凍結(jié)速度的快慢影響冰的結(jié)構(gòu)， 速度快， 細(xì)顆粒冰多 強(qiáng)度高 速度慢， 粗顆粒冰 多 強(qiáng)度低 ④土顆粒組成（巖土類型） 巖土礦物成分對(duì)凍土強(qiáng)度影響甚小，而巖土顆粒大小則影響顯著，試驗(yàn)表明：在其它條件相同情況下，土顆粒越大，其凍土強(qiáng)度就越高，原因有二： a、土顆 第 15 頁 粒本身強(qiáng)度不同，粗顆粒土本身強(qiáng)度高，凍土強(qiáng)度高， b、不同土顆粒焓結(jié)合水不同，粗顆粒土中幾乎無結(jié)合水，凍土中未凍水少，故凍土強(qiáng)度高。 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)。如圖 所示，土中水的凍結(jié)過程可以劃分為五段 : 圖 1—— 冷卻段：向土層供冷初期，土體逐漸降溫以達(dá)到冰點(diǎn)； 2—— 過冷段：土體降溫至 O℃以下時(shí)，自由水尚不結(jié)冰，呈現(xiàn)過 冷現(xiàn)象； 3—— 突變段：水過冷后，一旦結(jié)晶就立即放出結(jié)冰潛熱，出現(xiàn)升溫現(xiàn)象； 4—— 凍結(jié)段：溫度上升接近 O℃時(shí)穩(wěn)定下來，土體中的水便產(chǎn)生結(jié)冰過程，將礦物顆粒膠結(jié)成整體形成凍土； 5—— 凍土繼續(xù)冷卻段：隨著溫度的降低，凍土的強(qiáng)度逐漸增大。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。 我國凍結(jié)法鑿井以立井井筒為主， 70 年代凍結(jié)技術(shù)應(yīng)用于斜井井筒凍結(jié)，由于我國斜井井筒凍結(jié)沒有專門打斜長鉆孔機(jī)。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）。英國的博爾比鉀鹽礦井，地層凍結(jié)深度達(dá) 930m，為世界上凍結(jié)深度最深的礦井。 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。 凍結(jié)法在立井的掘砌施工過程中應(yīng)用廣泛，但斜井凍結(jié)法施工在我國應(yīng)用的實(shí)例較少， 70 年代初在三個(gè)斜井中應(yīng)用過 ，但深度較淺。 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。 我國能源 70%依賴于煤炭的現(xiàn)狀在短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，而目前的趨勢表明，煤炭需求旺盛，專家估計(jì)我國未來一段時(shí)期煤炭的年需求量將達(dá)到 40 億噸，建設(shè)一批新的大型、特大型礦井已是我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的必然要求。 42′，凝聚力系數(shù) ，普 第 8 頁 氏硬度系數(shù) ，切線模量 ，泊松比 。 06′，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 ～ 、飽和 ～ ），抗拉強(qiáng)度 ～ ，內(nèi)摩擦角 41176。 3）中粒砂巖：厚度為 ，占本組地層厚度的 %，厚層狀，成分由長石、少量石英及巖屑組成，泥質(zhì)膠結(jié)， RQD 值為 %。 18′，凝聚力系數(shù) ，普氏硬度系數(shù) ，切線模量 ，泊松比 。巖石完整程度遭受破壞，成碎塊狀、薄餅狀及短柱狀，近散體結(jié)構(gòu)（Ⅳ），風(fēng)化裂隙較發(fā)育，一般巖石結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。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。 井筒工程 地質(zhì)條件 大南湖十號(hào)煤礦主、副、風(fēng)井井筒檢查孔穿