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一立项依据和研究背景二冻结方案（一）前言（二）在梁宝寺二号井的应用1、概况2、基本地质水文情况（1）副井为例1冲积层总厚度大，主、副、风井冲积层总厚度分别为448.94m、464.4m和453.85m。3.2粘土层连续性厚度大，上第三系中段厚146.3m，由两层巨厚层粘土夹一层厚0.80m的粘土质砂组成，其中上层厚108.80m，下层厚36.70m。3.3粘土层膨胀性强，上第三系中段厚108.80m和36.70m的两层粘土，膨胀力分别达到771KPa和853KPa，其膨胀性之强可见一般。（2）第四系地下水的流速流向（3）土工试验3、人工冻土物理力学性质试验与分析（1）（2）人工冻土强度的影响因素分析4、冻结井壁安全空帮时间预测5、冻结方案的研究与确定（1）基本设计原则（2）冻结壁压力计算研究（3）冻结壁厚度设计（4）冻结壁（强度）平均温度校核6、冻结孔深度的确定（1）外圈孔深度（2）中圈孔深度（3）内圈孔深度（4）防片孔深度7、冻结孔偏斜要求8、冻结孔布置设计（1）冻结圈径（2）冻结孔数（3）开孔间距9、冻结管、供液管（1）冻结管（2）供液管10、测温孔布置11、水文孔布置-1-12、冻与掘谐调、相互配合三测试与检测（一）（二）人工检测系统的设置与要求1、测温孔设置2、水文孔设置四井筒开挖与井壁结构研究（一）掘进段高确定（二）井壁结构形式研究1、冻结法凿井井壁结构的原则性要求2、井壁结构形式研究（1）基本设计方案（2）井壁结构设计3、由测试压力的最值确定井壁厚度的研究（1）井壁的安全条件（2）井壁厚度的验算五实施过程1、冻结过程主井于2009年1月25日开机，2009年3月18日浅水文孔开始冒水（冻结时间为52d），3月25日经专家论证，认为144米以上冻结壁已交圈，具备试挖条件，定于4月1日开始试挖（冻结时间为66d），2009年4月3日三个水文孔全部冒水（冻结时间为66d），4月10日正式开挖。2009年12月25日安全掘砌至502m后进行套壁，2010年1月12日套壁至360m时，冻结停机。副井于2009年2月1日开机，2009年3月14日460m水文孔开始冒水（冻结时间为42d天），3月27日149m水文孔冒水（冻结时间为59d），4月1日265m水文孔冒水（冻结时间为64d）。2009年4月5日开始试挖，4月10日正式开挖。2009年7月8日在掘进至320m变径处时，在变径的上一模出现环向裂缝（深度317.6～319.8m），岩性为钙质粘土。后经专家分析在井壁变径处由于应力集中，使井壁处于不利的受力状态，悬吊力产生的拉应力超过了混凝土的抗拉强度，导致混凝土破坏。随后对该段破坏井壁进行彻底修复后继续掘进，2009年8月3日掘进至375.8m时发现上部多处外壁出现大小不一的环形裂缝，为确保井壁安全立即停止掘砌，进行第一次套壁。2009年9月7日-2-套壁完成恢复掘进，12月4日安全掘进至528m，进行二次套壁，12月10日套壁正常进行后，副井停机。风井于2009年1月23日开机，2009年3月13日深水文孔冒水，（冻结时间为61d）3月15日浅水文孔冒水。经专家论证，风井于2009年3月25日试挖，4月10日正式开挖。2009年6月28日在掘进至328.3m时，在320m变径处出现环向裂缝（宽度1.5～2cm）,从裂缝的缝隙中可清晰的看到部分钢筋连接头脱开。后经专家分析认为，在变径处井壁处于不利的受力状态，加之部分钢筋连接头强度未能满足设计要求，造成外壁开裂。2009年7月1日掘进至331.8m，经专家分析，为确保井壁安全停止掘砌，进行第一次套壁。2009年8月4日套壁完成恢复掘进，10月22日安全掘进至516m，进行二次套壁，10月25日套壁正常进行后，风井停机。2、冻结工期指标：主井于2009年1月25日开机冻结——2010年4月1日决定试挖，积极冻结工期为66天；比较全国综合水平积极冻结期（75天），缩短9天。副井于2009年2月1日开机冻结——2010年4月5日决定试挖，积极冻结工期为64天；比较全国综合水平积极冻结期（75天），缩短11天。风井于2009年1月23日开机冻结——2010年3月25日决定试挖，积极冻结工期为61天；比较全国综合水平积极冻结期（75天），缩短14天。主副风三井筒冻结停机时间分别是2010年1月12日、2009年12月10日和2009年10月25日。合同约定三井筒冻结工期主井为295天，副井315天，风井305天。实际冻结工期主井为352天，副井为311天，风井为273天。主井比合同约定工期拖延57天，副井比合同约定工期提前4天，风井比合同约定工期提前30天。3、冻结效果分析主井2009年4月1日开始试挖，4月10日正式开挖，试挖深度为10米。整个冻结过程盐水系统运行参数不变，单孔流量约15m3/h，盐水温度为-30℃左右，直至整个表土段掘进结束，盐水温度一直维持在-30℃以下。在整个掘进期间，冻结壁的温度、厚度和平均温度都达到了设计要求。在260米以下的危险膨胀粘土层中，井帮温度在-10.1～-18.6℃之间，冻结壁有效厚度为8.2～9.3m。见（表2）冻结壁有效厚度、井帮温度、平均温度、井筒中心温度与掘进深度对照表。-3-表2掘进深度（m）冻结壁有效厚度（m）井帮温度（℃）平均温度（℃）中心温度（℃）505.1-1.6～-2-18～197.81507.2-5.1～-6.5-19～204.32508.2-10.1～-11-19～216.23508.5-15.3～-16.7-21～22.51.24509.3-15.4～-18.6-21～-23-3.1副井2009年4月5日具备试挖条件，4月18日正式开挖，此时试挖深度为14米。整个冻结过程盐水系统运行参数稳定，单孔流量约15m3/h，盐水温度一直维持在-30℃以下，最低达-34℃。在整个掘进期间，冻结壁的温度、厚度和平均温度都达到了设计要求。在260米以下的危险膨胀粘土层中，井帮温度在-8～-16℃之间，冻结壁有效厚度为8.6～10.1m。见（表3）冻结壁有效厚度、井帮温度、平均温度、井筒中心温度与掘进深度对照表。表3掘进深度（m）冻结壁有效厚度（m）井帮温度（℃）平均温度（℃）中心温度（℃）507.91.6～3.9-16～1812.91508.5-1.8～-3-18～198.32508.6-8.2～-10.1-19～207.23508.8-13.1～-15.4-20～234.945010.1-16.8～-18.2-21～-23-2.0-4-风井2009年3月25日试挖，4月10日正式开挖，试挖深度为11米。整个盐水系统运行参数不变，单孔流量约15m3/h，盐水温度为-32℃左右，直至整个表土段掘进结束，盐水温度一直维持在-30℃以下。在整个掘进期间，冻结壁的温度、厚度和平均温度都达到了设计要求。在260米以下的危险膨胀粘土层中，井帮温度在-8～-15℃之间，冻结壁有效厚度为8～9.7m。见（表4）冻结壁有效厚度、井帮温度、平均温度、井筒中心温度与掘进深度对照表。表4掘进深度（m）冻结壁有效厚度（m）井帮温度（℃）平均温度（℃）中心温度（℃）505.40.3～2-17～1810.71509-3.4～-4.8-18～197.52507.6-7～-8.6-19～205.23508.3-9.2～-14.2-20～223.54509.7-12.7～-14.1-21～-230.54、冻结、掘砌施工配合在梁宝寺二号井这种以巨厚粘土层为主的冻结井筒的施工中，为保证井筒快速、高效进行，冻、掘平衡显得尤为重要，特别是对梁宝寺二号井这种埋藏深、连续性厚度大、膨胀性强的粘土层，严格控制井帮温度和冻土入荒径量至关重要。针对该状况，我们在施工中对每个段高的井帮温度和冻土进荒径量进行了跟踪实测。同时结合测温孔的监测数据，利用计算机软件来模拟冻结壁的发展较为准确地预测了下部冻结壁发展状况。以风井为例，在260m以下的巨厚粘土层中，井帮温度控制在-7～-14℃，冻土进荒径量控制在800～1200mm，段高循环时间不超过18h，没有出现片帮、抽帮现象，实现了冻结、掘砌的黄金配合。-5-梁宝寺二号井井筒施工难度最大的是穿过厚度在36～108m之间的巨厚粘土层，该地层以灰绿色、棕红色为主，大部分质纯、细腻，含水量少，粘性、膨胀性强，刀切面光滑，内生滑面发育，局部含钙质结核。它对井筒掘砌安全造成很大威胁。以副井为例，通过320m变径处以上收集的各粘土段的井帮温度、冻土入荒径量、井帮位移和底鼓量等数据，以及段高施工各工序完成的时间，进行分析和对比，利用计算机软件模拟下部深厚粘土层的冻结情况，确定副井过巨厚粘土层合理的段高为2.2m，段高循环时间控制在20h以内，并且掘砌单位狠抓劳动组织管理与工序衔接，从而确保成功顺利地通过了厚粘土层。5、经验与体会（1）梁宝寺二号井主、副、风井巨厚粘土段冻结壁平均温度为-20～-23℃，最低盐水温度达到-34℃，能否进一步改进目前的施工工艺，且采取更新型的管材把盐水温度降得更低，值得研究。（2）由于当地农事关系的影响，三井均未按规范按时开挖，使得掘砌工期比预期有所延长，且施工队伍素质及管理水平的差异，致使三井冻结段掘砌工期差别极大。（3）靶域施工技术的逐步成熟，使钻孔偏斜率在深井钻孔中得到有效控制，从而保证了钻孔施工质量，并且继而保证了冻结壁交圈时间和整体稳定性。（4）高膨胀性粘土层中，尽可能降低冻结壁平均温度，使冻胀量提前达到最大，能有效控制井帮位移，保证施工安全。（5）深厚粘土层冻结井中，外壁变径处是应力集中点，可采取缓慢变径和增加钢筋连接强度的措施来防止井壁开裂。（6）对于冻结深度较深的矿井，可根据井帮位移与井帮温度情况，采用分次套壁的方式，来保证已施工完毕井筒的安全。（7）副井采用信息化施工，在已施工完的井壁外和井壁内埋设温度传感器和压力盒，对特殊层位报道温度和压力情况，适时分析来指导施工，保障了施工安全。-6-（8）多圈冻结孔，间隔性投入工作，错开各圈冻结孔的交圈时间，为冻胀水流出出口，可有效防止冻胀水积存，提高冻结壁的整体稳定性。六主要结论