冻结井壁作为井筒的支护结构,受力与变形一直是建井研究中的重点。由于目前研究成果大多集中在冲积层条件下分析井壁的受力情况,软岩条件下的研究成果很少。基于此,通过现场实测外壁环向应力,总结出其承受径向荷载值,从而得到径向荷载变化可以分为3个阶段。同时,利用回归分析得出径向荷载值与时间的关系可以用一元二次方程来描述。

针对西部含水软岩冻结井筒马头门维护困难的问题,利用数值模拟、现场监测等手段进行马头门破坏机理分析,并提出修复加固设计。现场应用结果表明,利用锚-注-喷等多种方式进行修复加固,可提高马头门、井筒及巷道相接处的围岩强度,能够有效地降低马头门变形破坏程度。

为研究第三系红层软岩在低温下的蠕变特性,对冻结红层进行单轴蠕变试验,试验结果表明,在应力水平较低时,软岩只存在衰减蠕变,随着应力水平的增大,当超过流变长期强度时,出现了非稳定蠕变;同时,随着温度的降低,软岩的瞬时应变量和蠕变量都会明显减少,而长期强度则有较大幅度的增长,说明温度对软岩及冻结壁的流变性质影响十分显著。引入与时间和应力相关的非线性黏滞系数和时间开关函数,对西原模型进行改进,得到了可以描述加速蠕变的非线性流变本构模型,通过试验数据对冻结红层软岩的参数进行了辨识。将流变模型嵌入到abaqus有限元程序,并对井筒开挖进行数值模拟,获得冻结壁最大位移与时间曲线,通过与实测值进行比较,两者较为吻合。可见,建立的流变模型能够很好的描述冻结红层软岩的蠕变规律。

高家堡煤矿风井深820m,穿越厚度达380m的高水压、大流速深厚富水软岩含水层,最大涌水量达2 219.63m3/h,采用冻结法施工。为了确保冻结封水效果,采用一次冻全深方案,并采用"三大一小"施工方式,即大直径冻结管、大盐水泵、大装机制冷量、小开孔间距。冻结孔采用外、内圈孔插花加防片帮孔的布置方式。冻结初期,快速降低盐水温度,实现了冻结壁早交圈,井筒早开挖。利用部分冻结孔,对深厚含水层裂隙进行注浆充填加固,减小地下水流速,保证了冻结效果。该井筒冻结施工所取得的成功经验,可为西部富水软岩地层冻结法凿井设计和施工提供借鉴。

西部软岩冻结凿井施工设计主要参照中东部冻结凿井施工经验,造成掘砌段高、冻结强度等关键参数设计无可靠依据。为此,通过对冻结软岩围岩径向变形主要影响因素进行辨识,并充分考虑影响因素之间的内在关联性和实际工程状况,根据正交试验理论设计了4因素4水平正交试验方案;根据中砂岩强度参数与冻结温度的相关性,通过fish编程对数值模型进行参数赋值;经过模拟分析,确定最大径向位移点出现在2.13h/3处,采用2h/3处径向位移为评价指标,经极差分析,掘砌段高对径向变形影响最大,且段高超过4.0 m后影响显著,最后经补充实验方案模拟分析,结果表明,掘砌段高影响最大,为22.7%,而冻结强度为-24.0℃时,增加冻结强度对控制冻结变形并不明显。分析结论对冻结凿井施工中冻结温度的确定和掘砌段高设置具有重要应用价值。

冻结壁是冻结法凿井中的临时支护结构,在冻结工程中的作用是非常重要的[1]。许多冻结工程都遇到了需要穿越深厚富水岩层的问题。但是,我国相关方面的理论研究与实践经验都比较欠缺。开展人工冻结软岩的实验研究、探讨软岩冻结壁的相关物理力学特性对井筒冻结设计具有重要的指导意义。

冻结壁扩展速度是冻结设计和冻结施工的重要指标。对于西部冻结井筒建设而言,不同岩性中冻结壁扩展速度特点的研究还处于初级阶段。通过统计大海则煤矿4个立井井筒测温孔实测数据,得到了第四系、白垩系和侏罗系地层中不同岩性的冻结壁扩展速度,并分析了其扩展速度的特点,得出白垩系地层早期冻结壁扩展速度相差不大,中后期扩展速度与岩性有关;侏罗系地层中后期扩展速度与岩性相关性不大。

结合内蒙泊江海子煤矿3个立井井筒冻结设计和施工情况,对西部地区软岩冻结设计和施工中存在的问题进行了分析。指出了对软岩冻结认识上的不一致,造成了冻结设计上的差异,从而导致不同的施工效果。认为副井冻结设计最为经济合理,冻结效果最好,为井筒掘砌施工创造了良好条件。

为掌握西部富水软岩地层深基岩立井冻结温度场发展演化规律,对鄂尔多斯某矿风井冻结工程实施了信息化监测,获得了该矿区地层冻结特征,并分析了不同岩性地层温度在冻结不同阶段的变化规律。结果表明,西部富水软岩的优异导热特性使得积极冻结期短,降温效率高;且后续维护冻结期受施工影响,温升大。不同岩性地层温度发展受原始地温、地下水流方向、钻孔偏斜等多种因素影响。具体表现为越深位置岩层在积极冻结期,降温效率越低,进入负温时间越长;且在维护冻结期,不同测温孔间温度差异越明显。西部富水软岩地层冻结施工过程中,应密切关注较深位置地下水上游方向附近冻结壁的发展状况,避免发生安全事故。

为研究深厚富水软岩地层砌筑混凝土井壁对冻结壁温度场的影响,采用现场实测与回归分析相结合的研究方法,选择在蒙陕地区大海则煤矿主立井掘进过程中进行温度场的监测,研究结果表明:井帮冻结软岩最大融化范围在400~600mm之间,发生在浇筑混凝土的7d内,冻结软岩最大融化距离S与井帮温度T成线性关系;井帮软岩在12~52d后全部重新回冻,软岩全部重新回冻时间D与井帮温度T成线性关系。研究得知,要确保混凝土浇筑后7d强度,应控制井帮温度高于-4.9℃,混凝土入模温度高于16℃。