深厚下第三系紅層的凍結設計

亓燕秋 王繼獻

（1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽省淮南市，232001；2.中煤礦山建設集團有限責任公司，安徽省合肥市，230000）

深厚下第三系紅層的凍結設計

亓燕秋1王繼獻2

（1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽省淮南市，232001；2.中煤礦山建設集團有限責任公司，安徽省合肥市，230000）

進行了下第三系紅層低溫下物理力學性能試驗，并將試驗結果與第四系表土地層試驗結果進行比較。通過對紅層控制層位的凍結壁外荷載、厚度、平均溫度的計算，同時根據兩淮地區成功井筒凍結的設計和施工經驗，提出深厚紅層凍結設計方案與一些合理建議。

紅層 凍結壁 凍結方案 物理力學性能試驗 防水

凍結法鑿井是我國地下工程中通過不穩定含水地層的一種最常用且有效的鑿井方法。隨著煤炭資源需求日益增大，井筒朝著越來越深的方向發展，如口孜東礦表土凍結深度已達568.45m，凍結總深度為740m，現為國內最深的凍結井筒。兩淮地區的部分新井建設甚至還需要穿越紅層。安徽某礦為豎井開拓，其井筒穿過特厚的不穩定下第三系紅層。紅層是大陸環境形成的紅色沉積層，主要由砂巖、粉砂巖、頁巖組成，局部夾有薄層礫巖，石灰巖、泥灰巖。紅色為沉積物中高價氧化鐵，在大氣中受氧化作用所顯示的顏色。從井筒檢查孔取樣情況可知，紅層的巖芯松散破碎，膠結質量差，遇水易崩解，屬于復雜地層。開鑿該井筒所穿越的紅層埋藏深，厚度大，在兩淮礦區乃至全國都極為罕見，國內尚無類似深厚紅層凍結工程設計施工先例，有必要對深厚紅層的凍結設計進行探索研究。

1 概況

該煤礦設計年生產能力為300萬t／a。現以該煤礦副井為例進行凍結方案設計。副井井筒最大涌水量達600.6m3／h，井筒凈直徑為8.1m，表土段最大掘進荒徑11.2m，基巖段最大掘進荒徑12.8 m。其穿過第四系和第三系（新近系）松散層厚約357.15m，下第三系（古近系）紅層厚約393.50m，下部基巖段約200m左右。第四系和第三系松散層共有三個隔水層，第一隔水層深度范圍是30.20～53.85m，第二隔水層深度范圍是92.30～106.95m，第三隔水層深度范圍是208.80～321.30m。下第三系紅層有一個隔水層，其深度范圍為430.95～708.00m。過紅層后，離紅層底界最近的一個隔水層深度范圍是787.81～1157.10m。其中紅層巖石巖性主要為粉砂巖和礫巖，該紅層的固結程度分未固結、半固結和已成巖3種類型。

為了解紅層常溫和負溫下的物理力學性能，并與第四系表土地層進行差異比較。分別在紅層和黏土層中選取兩組巖土樣品，對其物理力學性能進行測定。試驗結果如下：

（1）常溫下紅層的導熱系數為2.5kcal／mh℃左右，而黏土的導熱系數為1.3kcal／mh℃左右；已固結成巖的紅層巖樣的單軸抗壓強度小于10 MPa，彈性模量大于400MPa，力學性能與軟巖類似。紅層含水率5%左右，黏土含水率約為20%。

（2）負溫下（－10℃）紅層的導熱系數為2.8 kcal／mh℃左右，而黏土的導熱系數為1.9 kcal／mh℃左右。已固結成巖的紅層巖樣的力學性能指標隨溫度的降低，單軸抗壓強度和彈性模量都有不同程度的提高，但不成線性增長，單軸抗壓強度（溫度為－20℃）小于30MPa；而黏土的單軸抗壓強度和彈性模量隨溫度的降低呈明顯的線性增長。紅層的凍結溫度為－3.5℃，而黏土的凍結溫度約為－2.0℃。紅層的凍脹率較小，約為0.15%，甚至負值，即凍縮；黏土的凍脹率約為1.3%。

2 凍結方案設計探討

井筒凍結設計計算中，選取較深的地層計算結果較為安全。該井筒選取控制地層為第三系（新近系）松散層底界和下第三系（古近系）紅層底界，巖性均為粉砂巖。

2.1 凍結壁外荷載確定

目前國內凍結施工，凍結壁外荷載值的計算多采用重液公式。近年來國內外豎井表土地壓的實測研究表明，實測地壓值（MPa）大都在0.009～0.01倍地層深度的范圍內。該礦副井第三系松散層底界凍結壁外荷載值按重液公式計算，地層側壓力系數為0.013，下第三系紅層底界凍結壁外荷載值取1.1倍的水壓值，副井凍結壁外荷載值如表1所示。

表1 副井凍結壁外荷載值確定表

2.2 凍結壁厚度計算

不同的設計理念選擇不同的計算公式，計算出的結果相差較大。表2為不同公式計算出的凍結壁厚度。

從表2看出：多姆克公式計算的凍結壁厚度明顯偏厚，因此適用深度為200m左右的井筒，故不再采用。綜合考慮井筒開挖荒徑、開挖前凍結時間要求及開挖速度要求，并結合兩淮地區凍結成功的井筒凍結設計和施工經驗，凍結壁厚度為第三系松散層及表土地層凍結壁厚度取7.0m，下第三系紅層段的凍結壁厚度取6.2m。

表2 不同公式計算控制層位的凍結壁厚度m

2.3 凍結平均溫度計算

通過繪圖法及數值模擬相結合的方法得出該副井第三系松散層凍結壁平均溫度，采用成冰公式（1）計算出該副井下第三系紅層凍結壁平均溫度，最終結果見表3。

式中：tc—按凍結壁有效厚度計算的平均溫度，℃；tn—計算水平的井幫凍土溫度，℃，可取－4℃～－6℃；

tb—凍結鹽水溫度，℃；

L—計算水平的凍結孔最大間距，m；

E—凍結壁有效厚度，m。

表3 不同控制層位的凍結壁平均溫度計算結果℃

經過繪圖及數值模擬的方法得出該井筒第三系松散層凍結壁平均溫度為－12℃，同時，根據施工經驗可知選取第三系松散層的凍結壁平均溫度為－12℃是合適的，能夠保證開挖安全。為達到紅層的防水效果，取紅層凍結壁平均溫度為－10℃。

2.4 凍結方案探討

根據下第三系紅層物理力學性能和凍結計算結果，紅層凍結方案可考慮如下：

（1）凍結壁強度大，要求的凍結壁厚度薄，凍結壁平均溫度不超過－10℃，采用單圈管凍結完全可以滿足紅層開挖防水的要求。

（2）單圈管凍結可插花布置，并采用長短腿凍結。插花布置的凍結管不會集中在凍結圈徑向一條線上，保證凍結壁的均勻性，采用長短腿可有效地降低凍結工程造價。

（3）導熱系數大，凍結效率高，采用單圈管凍結方案凍結工期可以保證。因此單圈管凍結方案是可以滿足下第三系紅層凍結需要的，但從方案設計思路上與表土地層又有很大差別，主要有3點：①紅層的凍結圈圈徑要求比表土地層的大，下第三系紅層井筒施工采用爆破作業，在考慮防止凍結管斷裂的安全距離上，勢必要增大單圈的圈徑；②由于下第三系地層接近巖石地層，凍結孔成孔難度較表土地層的大，尤其是偏斜控制較難，因此，設計較大的孔間距是必要的；③下第三系紅層凍結擴展速度較表土地層的快，只要在滿足防水和凍結壁厚度的前提下，適當加大孔間距，減少凍結管數量是可行的，同時也降低了凍結造價。

結合凍結壁厚度、掘進荒徑的變化及隔水層位置，并滿足凍結壁平均溫度以及井筒開挖防水的要求，設計采用主排孔＋輔排孔＋防片幫孔布置凍結方式，主排孔長短腿插花均布。對該副井凍結參數擬定如下：主排孔長腿進入基巖段深度818m處，圈徑22.0m，開孔間距2.46m，孔個數28個；主排孔短腿過紅層進入基巖段約10m，圈徑20.6m，開孔間距2.31m，孔個數28個；輔助孔穿過第三系松散層22.85m，圈徑16.0m，開孔間距1.79m，孔個數28個；防片幫孔深度285m，圈徑13.6m，開孔間距3.03m，孔個數14個。主排孔凍結管尺寸為?140×5～7mm。輔助孔和防片幫孔分別穿過井壁變徑深度，其凍結管設計采用大管徑凍結管，凍結管尺寸為?159×5～6mm。擬用凍結管布置圖見圖1。

圖1 擬用凍結管布置圖

3 結論與建議

（1）紅層凍結后強度較高，能夠滿足強度要求，在凍結設計時以防水為主。穿越厚紅層井筒可用長短腿凍結，布單圈管凍結或兩圈管凍結。

（2）紅層凍結設計能與松散層、表土層的凍結設計有效結合。紅層凍結管外圈管布置半徑與松散層、表土地層凍結管布置相同，這種布置方式能確保紅層凍結的防水效果與凍結壁厚度。

（3）紅層段井筒施工采用爆破作業，在考慮預防凍結管斷裂的安全距離上，可適當考慮增大凍結單圈的圈徑。

（4）由于防片幫孔和輔助孔分別穿過井壁變徑深度，因此，凍結管設計采用?159mm大管徑凍結管，可以加快凍土向內發展，有效防止片幫，保證紅層段開挖前的掘進安全。

[1] Li dong wei，Wang ren he.Experimental research on the mechanical parameters of frozen pipes under low temperature[J].Advanced Materials Research，2011（172）

[2] 馬巍.中國地層土凍結技術研究回顧與展望[J].冰川凍土，2001（3）

[3] 汪仁和，周興旺，李明遠.深厚表土地層凍結法快速鑿井關鍵技術探討[C].全國礦山建設學術會議論文選集（上冊），徐州：中國礦業大學出版社，2004

[4] 陳飛敏，陳軍浩，亓燕秋.負溫條件下紅層物理力學性能試驗研究[J].中國煤炭，2011（7）

[5] MT／T 593.4－2011.人工凍土物理力學性能試驗[S].北京：國家安全生產監督管理總局，2011

The freezing design of the deep lower tertiary red beds

Qi Yanqiu1，Wang Jixian2

（1.College of Civil Engineering and Construction，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China；2.China Coal Mine Construction Group Limited Liability Company，Hefei，Anhui 230000，China）

The physical and mechanical properties tests of the paleogene red beds were carried out under low temperature，and the test results were compared with the table land layer of

Quaternary.Through the calculation of the external load，the thickness，the average temperature of the frozen wall in the red beds control layer，and based on the successful design and construction experience of the frozen shaft in Huai River regions，the freezing design program of the deep red beds are proposed and some reasonable proposals are put forwarded.

red beds，frozen wall，freezing design，physical and mechanical properties test，waterproof

TD265.3

A

亓燕秋（1984－），男，安徽臨泉人，安徽理工大學土木建筑學院碩士研究生。研究方向：巖土工程。

（責任編輯 張毅玲）