煤矿立井冻结设计理论的研究现状与展望分析

煤矿立井冻结设计理论的研究现状与展望分析
发布时间：2023-06-30T03:05:34.074Z 来源：《新型城镇化》2023年13期作者：刘迪[导读] 冻结法凿井在煤矿特殊法建井中具有明显优势，既能用于不稳定的含水层，又可用于基岩含水层，既可以用于立井，又可应用于斜井及风道口工程，适用性强，安全可靠，经济合理，工期有保证。

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摘要：冻结法凿井是目前国内外穿过厚含水松散层建井所采用的主要特殊施工方法之一。

本文从设计的角度探讨了主井（立井）冻结井壁结构的设计及计算方法和技术的发展趋势。

关键词：井壁结构；壁厚；冻结法；混凝土强度；
冻结法凿井在煤矿特殊法建井中具有明显优势，既能用于不稳定的含水层，又可用于基岩含水层，既可以用于立井，又可应用于斜井及风道口工程，适用性强，安全可靠，经济合理，工期有保证。

1矿井冻结法施工基本原理
矿井冻结法施工是利用传统的氨循环制冷技术完成的。

在井筒开挖之前，在欲开挖周边的含水土层内进行钻孔并下放钢管，在钢管中导入可循环流动的盐水来吸收地热，在土层中的水被冷却至摄氏零度以下时开始结冰，而后逐渐冻结周边的地层而形成坚硬的冻土，隔绝地下水与井筒之间的联系，并起到抵抗地压、水压的作用，从而增强地层的稳定性和土体的可塑性。

矿井冻结施工的制冷站由氨、冷却水和盐水三大循环系统构成，由此制冷三大循环组成热泵。

其中氨循环起主导作用，盐水循环负责吸收土层热量，氨在盐水槽中蒸发吸收盐水的热量，冷却水则吸收氨的热量，利用氨的气液转换将地热传递给冷却水，再由水循环系统排向大气。

如此循环往复，使土体逐渐降温形成冻结圈。

随着冻结时间的延长，冻结圈范围不断扩大并逐渐连接形成封闭不透水的冻结壁。

2 井壁结构的设计
2.1 设计原始资料
本文以某工程为例，进行简要分析（1）主井井筒净直径5.0 m，井口永久标高+66.0 m，地面自然标高+63.73 m。

井筒锁口长度为8 m。

（2）据井筒检查孔资料，表土层垂深415.24 m，基岩风化段起止深度为415.24~428 m。

（3）采用双层钢筋混凝土冻结法施工，井壁中央加聚乙烯塑料板，外层井壁与冻土之间铺设50~75 mm厚聚乙烯苯泡沫塑料。

2.2 计算原则
（1）冻结井壁计算原则是内外层井壁分层计算，内层井壁按静水压力计算，外层井壁按承受冻结压力计算，全井筒按水土压力校核并适当考虑负摩擦力作用。

（2）静水压力计算公式为：P水=0.9×0.01H 式中P水—井壁设计处静水压力，MPa；H—计算处的深度，m。

（3）水土压力P按重液计算，计算公式为：p=0.013H （4）内、外层井壁分段原则上应一致，但混凝土的设计强度等级可根据设计要求确定，取值可不同。

2.3 井筒的冻结深度
根据矿井的井检孔资料，冻结的深度确定为463 m，进入到厚度为3.75 m的中粒砂岩内，壁座落底绝对标高为-395.0 m（相对标高为-461 m）。

2.4 井壁厚度的确定及环向稳定性验算
根据国内同类条件矿井的特殊凿井施工经验，该矿主井井筒冻结段井壁结构设计采用塑料夹层双层钢筋混凝土复合井壁结构形式。

井筒设计直径为5.0 m，内、外井壁结构厚度设计采用厚壁圆筒拉麦公式。

内层井壁厚度按下式计算：
其中fcz=0.9?（fc+μmin fy）
根据式上述公式计算，得出不同深度内、外层井壁厚度及混凝土强度等级。

3 立井冻结设计理论研究关键技术的展望分析
3.1 深部冻结岩土力学特性研究
深土冻土是通过人工制冷在有外载的条件下形成的，高地压对深土以及深土冻土的物理力学性质影响较大。

深入研究深厚岩土人工冻土力学性质对冻结壁的设计与施工具有重要的理论指导意义，冻结壁强度和尺寸的确定、最大掘进段高和暴露时间的选择、掘砌期间冻结压力的确定、冻结管断裂原因及防治等，都有赖于对深厚表土层人工冻土力学性质的深入了解和认识。

但国内对于深埋条件下土、冻土高压固结后卸荷过程力学特性的研究才刚刚开始。

初步研究表明，深部土与浅部土的物理力学性质具有显著差异，随着冲积层深度的增加，采用当前的冻土力学研究方法获得的冻土物理力学参数已不适用于深土。

3.2 富水岩石的力学特性研究
我国过去的冻结施工主要是在冲积层的土层中，对冻土的研究较多，涉及冻结岩体的研究较少；事实上，在矿井建设中，我们遇到越来越多的深部矿井，并且岩体与土体并存。

近几年来许多冻结工程中都遇到了深厚冲积层有较深的软岩层，特别是富水的软岩层。

冻结施工穿越的岩体主要有两类，一是裂隙岩体，冻结的主要目的是止水隔水，同时提高裂隙岩体的强度；另一类也是目前越来越多遇到的软岩，特别是富水的软岩层，强度低，岩层不稳定。

冻结的主要目的是形成冻结壁，提高强度和稳定性。

3.3 未冻土-冻结壁-井壁的相互作用规律研究
在深立井建设过程中，实施冻结凿井经历了复杂的施工力学行为过程。

长期高压固结、人工冻结、开挖卸荷以及在开挖范围内砌筑井壁等。

对应每一变化过程，地层的应力场、温度场、位移场都将重新分布。

因此，对于深厚岩土冻结凿井基础理论研究，既要考虑因深度、温度、相变造成的空间应力场的演变，也要考虑冻结凿井系统内各结构体系之间的相互作用。

不同施工参数下井壁与冻结壁的相互作用规律、未冻土、冻土的应力变化、冻结压力与冻结温度、冻结速率、温度梯度和轴向应变约束等控制参数之间关系是影响冻结设计的重要因素。

3.4冻结孔钻孔质量控制技术研究
冻结孔成孔质量与冻结壁温度场分布密切相关，要确保冻结壁交圈时间和冻结壁质量，关键在于确保冻结钻孔的质量。

冻结孔偏斜既影响到冻结壁交圈时间、冻结壁发展情况及其几何形状，也影响到冻结壁的承载能力，甚至影响到冻结管的安全。

在冻结孔造孔施工结束后，对冻结钻孔质量进行综合评价，包括根据冻结钻孔的实际偏斜情况模拟分析冻结壁交圈时间、冻结壁发展特征等，及时掌握冻结钻孔的质量情况，为井筒冻结及掘砌施工方案的制定提供依据。

3.5 冻结壁现场监测研究
现场监测是指导科学施工和进行优化设计的主要依据。

在冻结施工的过程中，应加强冻结温度监测。

测温孔温度监测，根据井筒土层柱状资料，在冻结较薄弱的若干土层中设置温度监测点，实时监测测温孔内若干测温点的温度，为分析、推断冻结壁的发展状况提供依据。

冻结器温度监测，在每根冻结管的回水处设温度传感器，掌握每根冻结管的工作状况，以便及时采取措施，确保冻结壁得以均衡发展。

去、回路盐水温度监测，在去路盐水干管和回路盐水干管上分别安装管式测温探头，了解去、回路盐水温差，掌握冷冻机组的工作效率。

结语
我国煤炭储量丰富，立井施工已成为世界上应用冻结法施工最多的国家。

在看到我国在冻结法施工取得进展的同时，也应该看到我国在冻结法的理论研究、设计、施工方面依然存许多亟待解决的问题。

本文对国内外煤矿立井冻结法设计理论、特别是国内的立井冻结的设
计的理论研究进行回顾与分析，并对煤矿立井冻结设计理论研究进行展望分析。

期望对我国的煤矿冻结立井的设计、施工起到一定的作用。

参考文献：
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[2]刘金生；肖泽波；吴新光；刘良鹏；李平原.临海高盐富水砂层S曲线斜坡道冻结法施工[J]. 建井技术，2021（06）：65-66.
[3]冯连岱.万福煤矿巨厚表土冻结法施工实践[J]. 煤矿现代化，2017（03）：99-101.。