袁大灘礦主斜井凍結壁溫度及凍結壓力研究

趙 健 楊金宏 劉雷斌 程玉波

(1.中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083;2. 中煤建設集團有限公司科技信息部，北京市昌平區，102218)

由于我國施工的大部分斜井需要穿過富水表土層，凍結法鑿井技術已經成為斜井井筒穿越這些地層的幾乎唯一有效選擇。目前，對凍結壁溫度的研究主要集中在凍結施工過程中凍結壁交圈時間和溫度場分布，但對井筒掘砌過程中凍結壁溫度變化的研究較少。而對凍結壓力的研究主要基于現場實測，但現場實測凍結壓力時，壓力盒安裝在井壁與凍結壁之間，容易出現應力集中或受力扭曲，實測得到的凍結壓力結果往往表現出很高的離散性，不能準確地反映凍結壓力值。本文以袁大灘礦主斜井凍結法鑿井施工為工程背景，利用數值模擬方法分析井筒掘砌施工對凍結壁溫度的影響，研究凍結壁凍結壓力分布規律，結合凍結壁塑性狀態，確定凍結壁可能出現破壁的位置，為袁大灘礦主斜井的安全施工提供參考。

1 工程概況

袁大灘礦主斜井傾角14°，斜長1303.3 m，凍結段深度20～111.2 m，采取分段打豎向直排孔凍結方案，共分10段凍結。凍結壁頂部、兩幫和底部的最大厚度分別為6.0 m、3.4 m和5.0 m。井筒凈寬5.0 m，墻高1.3 m，拱高2.5 m，采用雙層井壁進行支護，外層井壁為工字鋼和混凝土，厚度為300 mm，內層井壁為鋼筋混凝土結構，厚度為350 mm。

井筒利用綜掘機掘進，掘砌段長6 m，掘進機掘進時，工作面后方綁扎內層井壁鋼筋，支設澆筑混凝土模板，前后平行作業；掘進機退出工作面反拱底板、安設底梁及綁扎底板鋼筋時，內層井壁進行澆筑施工，前后平行作業。

根據礦井水文地質資料，90 m深處的第8段凍結壁位于表土松散層與基巖交界處，為典型的細砂含水層，凍結壁受周圍地層荷載作用較大，因此，選擇第8段凍結壁進行數值模擬研究。

凍結壁頂部垂直外載根據土層重力計算，兩側外載根據重液公式計算：

式中：P1——凍結壁頂部垂直外載，MPa；

γs——土的容重，N/m3；

H——計算深度，m；

α——井筒傾角，(°)；

P2——凍結壁兩側外載，MPa；

γe——水土混合重液容重，取13×103N/m3。

經過現場實測得出，細砂容重γs=17.5×103N/m3，計算深度H=90 m，井筒傾角α=14°，則凍結壁頂部垂直外載P1=1.53 MPa，凍結壁兩側外載P2=1.17 MPa。

2 數值模擬與計算方案

2.1 模型建立與邊界條件

為消除凍結壁軸向邊界效應的影響，在第8凍結段前增加第7凍結段已掘砌段，簡化后的凍結壁模型示意圖如圖1所示，在FLAC 3D中建立的數值模擬模型如圖2所示。

圖1 模型示意圖

圖2 凍結壁數值模擬模型圖

模型頂部加載補償應力，以保證凍結壁頂部垂直荷載在1.53 MPa左右，模型四周施加沿模型高度變化的漸變水平應力，以保證凍結壁兩側荷載在1.17 MPa左右，模型底部固定未凍土各節點位移。

試驗測得細砂的凍結溫度為-1 ℃，凍結壁設計平均溫度為-10 ℃，掘進工作面常溫為20 ℃。由于主要研究井筒掘砌施工對凍結壁溫度的影響，假設內層井壁、已施工外層井壁及未凍結細砂的溫度為0 ℃(273 K)。受混凝土水化影響，第8凍結段新澆筑外層井壁的溫度為40 ℃。

2.2 模型本構參數與計算方案

凍結壁模型本構采用摩爾—庫侖力學模型和均質熱導熱學模型。根據凍土物理力學試驗結果和相關文獻，模型中凍土、未凍土、井壁的力學和熱學參數見表1。

表1 模型力學和熱學參數

沿凍結壁頂板和兩幫各布置41個溫度、應力監測點，起點為井筒掘進工作面，終點為內層井壁碹頭，共計20 m，監測點間距0.5 m，如圖3所示。

圖3 監測點分布位置

數值模擬計算方案為，首先進行地層原始地應力計算，清除模型節點位移和速度后，刪除第7凍結段中的未凍土，建立內、外層井壁單元體，同時賦值凍結壁和井壁參數，其中，第8凍結段掘進6 m，支護新澆筑外層井壁6 m。開啟溫度計算模式，設置凍結壁模型溫度，利用solve age命令計算求解凍結壁溫度隨時間的變化規律，以及凍結壓力的空間分布規律。

3 凍結壁溫度結果分析

3.1 凍結壁空幫段

井筒掘進6 m后，凍結壁與井筒掘進工作面之間存在溫度差，兩者之間產生熱傳導，根據數值模擬結果，施工一個掘砌段長后，5 d內凍結壁空幫段頂板和兩幫溫度的變化規律如圖4所示。

由圖4可知，工作面掘進1 d后，凍結壁空幫段頂板溫升比兩幫大，頂板的溫升達到17 ℃，頂板凍土將出現較大范圍融化，兩幫溫升接近10 ℃，兩幫凍土融化范圍較小。

在不對凍結壁采取保溫措施的情況下，4 d時凍結壁空幫段的溫度都將降低至凍結溫度以下，融化凍土能夠重新回凍。因此，凍結壁空幫段受掘進工作面溫度的影響較小，空幫段凍結壁中凍結管內鹽水可以保持原有溫度，采取維護凍結措施。

圖4 凍結壁空幫段溫度變化規律

3.2 新澆筑外層井壁段

井筒掘進6 m后，需要澆筑外層井壁支護上一掘砌循環形成的空幫段，新澆外層井壁混凝土水化過程將釋放大量水化熱，造成井壁壁后凍土溫度大幅升高，并出現大范圍融化，導致凍結壁的厚度減小，削弱凍結壁抵抗地層荷載的能力。根據數值模擬計算結果，新澆筑外層井壁施工后，5 d內凍結壁頂板和兩幫溫度的變化情況如圖5所示。

圖5 5 d內新澆筑外層井壁段凍結壁溫度變化規律

由圖5可知，新澆筑外層井壁釋放的水化熱作用在凍結壁1 d后，壁后凍土產生34 ℃左右的溫升，凍結壁頂板和兩幫將出現大范圍融化。5 d后壁后凍土的溫度仍維持在較高水平，依靠維護凍結措施，融土回凍困難，需要調整凍結施工方案，采取積極凍結措施。

新澆筑外層井壁1 d和5 d后，通過設置在凍結壁溫度云圖中僅顯示大于272 K的范圍，間接表示凍土融化且未回凍的范圍，如圖6所示。

圖6 新澆筑外層井壁段凍結壁融化范圍

對比圖6(a)和(b)可知，隨著井壁水化熱對凍結壁影響的減弱，凍結壁最高溫度逐漸降低，但凍土融化范圍逐漸增加。外層井壁澆筑1 d后，壁后凍土的最大融化范圍為0.5 m，5 d后最大融化范圍增加至1.0 m。

因此，澆筑井壁時，需要及時調整澆筑范圍內的凍結施工參數，盡快消除井壁水化熱對凍結壁溫度的影響。通過增加鹽水流量、改變鹽水配比、提高制冷設備工作效率等措施，降低凍結壁中凍結管內鹽水的溫度，以維持凍結壁的厚度和強度，保證井筒掘進工作面的安全。

4 凍結壓力結果分析

4.1 軸向分布規律

井筒掘進后，凍結壁應力狀態發生變化，原有的平衡狀態被打破，在周圍地層荷載作用下向井筒產生變形。井壁澆筑后，由于井壁的強度和剛度較高，限制了凍結壁的變形，凍結壁與外層井壁之間將產生變形壓力。同時，井壁混凝土水化熱引起的壁后凍土融化和回凍會對井壁產生凍脹力。凍結壁的變形壓力和凍脹力疊加施加在井壁上，形成凍結壓力。

新澆筑外層井壁1 d和5 d后，根據監測數據，凍結壁頂板和兩幫凍結壓力沿井筒軸向的分布規律分別如圖7和圖8所示，3 d時凍結壁垂直應力軸向分布規律云圖如圖9。

圖7 頂板凍結壓力軸向分布規律

圖8 兩幫凍結壓力軸向分布規律

由圖7和圖8可知，由于凍結壁空幫段沒有井壁支護，空幫段形成應力卸載區。新澆筑外層井壁段的凍結壓力隨距掘進工作面距離的增加而先增加后減小，在外層井壁碹頭附近出現應力峰值，遠離工作面后趨于穩定。凍結壁頂板凍結壓力峰值為2.1 MPa，穩定值約為1.5 MPa；兩幫凍結壓力的峰值為1.6 MPa，穩定值約為1.1 MPa。

井筒施工一個掘砌段長后，空幫段處于無支護或簡易臨時支護狀態的時間約為3～5 d，在施工下一掘砌段長前，空幫段產生的變形使其周圍的應力得到釋放，從而在外層井壁的碹頭附近形成凍結壓力降低區。由于空幫段沒有有效支護，凍結壁周圍地層的水、土外載通過凍結壁向空幫段前后傳遞和轉移，轉移到空幫段后側的應力在井壁上形成凍結壓力升高區。由圖9可知，在掘進工作面前方同樣存在一定范圍的應力升高區，使工作面前方未凍細砂向外鼓出變形，有發生塌方的危險。遠離空幫段和新澆筑外層井壁的凍結壓力趨于穩定，受井筒掘砌施工的影響較小，形成凍結壓力穩定區。

圖9 凍結壁垂直應力軸向分布云圖(單位：Pa)

對比1 d和5 d 時凍結壓力的分布規律可知，5 d時頂板凍結壓力峰值向工作面后方移動，頂板凍結壓力的降低區和升高區范圍增加，兩幫凍結壓力峰值沒有移動，但兩幫凍結壓力升高區的范圍擴大。凍結壓力升高區范圍的增加，將使外層井壁內部出現微小裂紋的范圍擴大，為井筒后續使用埋下隱患。因此，在不影響井筒掘進的情況下，應及時澆筑內層鋼筋混凝土井壁，與工作面掘砌施工前后平行作業。

4.2 徑向分布規律

新澆筑外層井壁5 d后，新澆筑外層井壁中點位置處，凍結壁橫截面上的垂直、水平應力云圖分別如圖10和圖11所示，剪切破壞狀態如圖12所示。

由圖10和圖11可知，凍結壁最大垂直應力不在圓拱的中點，而在圓拱中點的兩側，約為2.6 MPa。最大水平應力不在凍結壁的兩幫，而在凍結壁圓拱的中點，約為3.1 MPa。較高的垂直和水平應力在頂板圓拱處疊加，導致凍結壁作用在井壁頂板的凍結壓力比兩幫大。由圖12可知，在凍結壁外載和井壁約束的作用下，凍結壁頂部圓拱出現塑性破壞的范圍比兩幫大，因此，凍結壁頂部更容易在外載作用下出現破壞，從而導致井壁頂部被壓裂破壞，發生潰水、潰砂事故。

圖10 凍結壁垂直應力

圖11 凍結壁水平應力

圖12 凍結壁剪切破環狀態

5 結語

(1)凍結壁空幫段溫度受掘進工作面溫度的影響較小，3 d后可以降低到凍結

溫度，融土能夠自行重新回凍，可以僅采取維護凍結措施。

(2)新澆筑外層井壁產生的水化熱使井壁壁后凍土產生較高溫升，引起凍結壁大范圍融化，1 d時的融化范圍約為0.5 m，融土回凍困難，需要調整凍結施工方案，采取積極凍結措施。

(3)凍結壁施加在井壁上的凍結壓力峰值大于凍結壁受到的外載，且沿井筒軸向形成應力降低區、升高區和穩定區。凍結壁頂板凍結壓力和塑性破壞范圍均大于兩幫，容易出現破壁事故。

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