丁集礦凍結壓力分析

李思浩 舒恩

安徽理工大學 安徽淮南 232001

在我國黃淮地區，煤炭儲量豐富，但隨著淺層的煤炭資源被利用開發，其資源已經變得越來越少，為了緩解日益加劇的能源問題，該地區加緊對新井的建設，新建礦井多具有需要開挖很深、水土壓力大、地質條件復雜等特點。凍結法鑿井在我國比較常見的還是在深厚不穩定含水地層中。但是隨著我國凍結法鑿井深度增加，對我國黃淮地區新井建設最大的挑戰還是缺乏凍結法鑿井穿越特厚表土層的理論基礎和技術儲備。因此在丁集煤礦進行凍結法鑿井信息化施工監測，通過電腦的監測記錄，人為的分析，能夠最快的進行施工參數調整，確保了井筒能夠安全、高效、快速地建成[1]。

1 礦井概況

丁集礦副井井筒設計凈直徑為8.0m，穿過表土層厚525.25m，凍結深度為565m；風井井筒設計凈直徑為7.5m，穿過表土層厚為527.7m，凍結深度為558m。副井井壁為鋼筋混凝土雙層井壁，混凝土強度等級為C50-C70，土層性質以鈣質粘土和粘土為主。風井混凝土等級為C60，土層性質也以鈣質粘土和粘土為主。

2 監測內容

本次監測的一次儀表采用振弦式傳感元件，二次儀表采用振弦式頻率儀。振弦式傳感元件具有的優點有：（1）使用和安裝較便捷，結構簡易、可靠；（2）抵抗外界干擾的能力強，能夠在惡劣的條件下被使用；（3）零點穩定，可以長時間用于監測；（4）方便多點遠距離遙測，并且利于信息化的處理。

將測試元件隨著工程施工埋入井壁混凝土中，其中外荷載采用壓力傳感器量測；鋼筋的應力應變采用鋼筋計量測；井壁應變采用振弦式混凝土應變計量測。在每個監測水平布置了6個壓力傳感器，以實時監測井壁所受的凍結壓力值[2]。

副井監測水平情況如下：第一水平：傳感器埋深289m，層厚5.2m，土質為鈣質粘土，環筋直徑為25mm。第二水平：傳感器埋深347m，層厚21.1m，土質為鈣質粘土，環筋直徑為28mm。第三水平：傳感器埋深417.9m，層厚8.3m，土質為鈣質粘土，環筋直徑為28mm。第四水平：傳感器埋深438m，層厚10m，土質為粘土，環筋直徑為28mm。第五水平：傳感器埋深501m，層厚2.5m，土質為鈣質粘土，環筋直徑為32mm。第六水平：傳感器埋深521m，處于井筒內壁，環筋直徑為32mm。

風井監測水平情況如下：第一水平：傳感器埋深358.7m，層厚12m，土質為粘土，環筋直徑為28mm。第二水平：傳感器埋深398.5m，層厚24.6m，土質為鈣質粘土，環筋直徑為28mm。

3 實測結果及分析

元件埋設后，通過壓力傳感器對各個水平的壓力測量，并通過繪制出如下圖時間與井壁凍結壓力的關系曲線。分析出兩者之間的變化規律。另外也能夠得出凍結壓力的大小與土層性質等因素的關系。

通過圖2和圖3比較可以看出，井壁凍結壓力的大小與土層性質有一定關系。圖2副井第二水平（-347米）比圖3的風井第一水平（-358.7米）淺，土層層厚相差不大，但是副井第二水平的最大凍結壓力幾乎是風井第一水平最大凍結壓力的兩倍。由于副井第二水平所處的土層為鈣質粘土，而風井第一水平所處的土層為粘土，從而說明鈣質粘土層的凍結壓力相較于粘土層要大。

由以上幾張井壁凍結壓力實測曲線圖可以看出，凍結壓力隨時間的變化規律：在混凝土澆筑的初期，這是由于土體形成凍結壁時，地層釋放了之前聚集的原巖應力，對井壁產生了土壓力，這期間是凍結壓力迅速增長的過程，但隨著井壁的建成，土壓力會逐漸穩定下來最后與井壁形成一個相對穩定的結構，這是圖中凍結壓力增長速度減緩，最后趨向于穩定的過程。圖2，3中后期由于凍結壁出現融化現象，凍結壓力部分轉化成了水土壓力，所以有下降的趨勢[3]。

4 結語

（1）通過現場井壁壓力的實測，得出特厚表土層的凍結壓力大小主要取決于土層性質、層厚、埋深等。其中土層性質對凍結壓力的影響本文通過實測數據以及圖文分析更為直觀的表現出來了。通過數據之間的對比，得出深埋鈣質粘土由于蠕變的特性，導致凍結壓力會很大。如果只通過公式推導缺乏針對性以及說服力，所以一般采用實地監測的辦法來加以確定。

（2）凍結壓力的不均勻性。由于凍結管偏斜、鹽水流量分配的不均勻性等，造成凍結壁的溫度、厚度、強度等不均勻性，從而導致凍結壓力在同一測試水平不同方向存在較大差異，其最大值與平均值相差特大，對井壁受力不利。