赵固一矿深厚冲积层冻结法凿井技术研究与应用.doc

赵固一矿深厚冲积层冻结法凿井技术 研究与应用 鉴 定 材 料 焦作煤业集团有限责任公司 煤炭科学研究总院北京建井研究所 （北京中煤矿山工程有限公司） 中煤特殊凿井（集团）有限责任公司 兖矿集团东华建设有限公司 煤炭工业部郑州煤矿设计研究院 河南煤炭建设（集团）有限责任公司 中煤河北煤矿建设第四工程处 河南工程咨询监理公司 2006年11月 目 录 1．赵固一矿深厚冲积层冻结法凿井技术研究与应用研究报告 2．鉴定资料附件 2．1赵固一矿冻结方案设计研究报告 2．2赵固一矿冻结段井壁低水化热密实高性能混凝土试验应用研究报告 2．3赵固一矿主、副井冻结信息化施工与冻结壁形成特性工程预报研究报告 2．4赵固一矿主、副井深部粘土层冻结壁位移实测研究报告 2．5赵固一矿冻结井壁温度及壁后冻土融化、回冻特性实测研究报告 2．6赵固一矿深厚冲积层冻结压力实测研究报告 3．河南省焦作煤业集团赵固矿井冻结法凿井技术攻关协议 4．赵固一矿深厚冲积层冻结法凿井技术研究与应用查新项目报告书 赵固一矿深厚冲积层冻结法凿井技术 研究与应用研究报告 焦作煤业集团有限责任公司 煤炭科学研究总院北京建井研究所 （北京中煤矿山工程有限公司） 中煤特殊凿井（集团）有限责任公司 兖矿集团东华建设有限公司 煤炭工业部郑州煤矿设计研究院 河南煤炭建设（集团）有限责任公司 中煤河北煤矿建设第四工程处 河南工程咨询监理公司 2006年11月 目 录 1.前言 1.1冻结法凿井技术现状 1.2赵固一矿主、副、风井冻结段地层特征 1.3冻结段井壁特点 1.4赵固一矿主、副、风井冻结法凿井技术难点 2.攻关内容与研究成果 2.1攻关内容 2.2研究成果 2.2.1冻结方案设计研究 2.2.2 C40C80MPa低水化热高性能混凝土试验应用研究 2.2.3深部厚粘土层冻结壁位移实测研究 2.2.4冻结信息化施工与冻结壁形成特性预报研究 2.2.5井壁温度及壁后冻土融化、回冻特性实测研究 2.2.6深部粘土层冻结压力实测研究 3.技术攻关成果分析 3.1技术水平 3.2经济效益 赵固一矿深厚冲积层冻结法凿井技术 研究与应用研究报告 1 前言 1.1 冻结法凿井技术现状 我国于1955年首次应用地层冻结技术建成了开滦煤矿林西风井，至20世纪未计施工了430个立井井筒，累计冻结深度达75km，使冻结法成为安全通过冲积层的主要施工方法。45年中，我国的冻结法凿井经历了引进探索、改进推广、完善提高的发展过程，冻结深度由浅而深（见表1，图1），冻结主要地层由第四系延深到第三系，地质条件由简单型向复杂性转变。20世纪80年代，井筒穿过的冲积层最大厚度达358.5m（潘三东风井），冻结最大深度达到415m。20世纪90年代初，井筒穿过的冲积层最大厚度达374.5m（陈四楼副井），冻结最大深度达到435m。“七五”期间，通过陈四楼矿主、副井技术攻关，的冲积层厚度大和粘土层埋藏深度大等特点，组织科技攻关，取得了无断管、无压坏井壁、无漏水的良好效果。基本上解决了400m冲积层、冻深450m的冻结壁、井壁设计和打钻、冻结、井筒掘砌等技术难题，使我国深井冻结凿井综合技术达到国际先进水平。 随着新矿区的不断开发和新井建设，井筒穿过的冲积层厚度和冻结深度呈跳跃式增长，21世纪以来，我国煤炭基本建设又出现了一个新高潮，立井穿过的冲积层厚度和冻结深度达到一个新的增长点（见表2）。例如2001年开工的梁宝寺主、副、风井的冲积层厚度和冻结深度分别达到370.8371.6m和461m；2002年初开工的程村主、副井冲积层厚度和冻结深度分别达到430m和485m；2002年中开工的济西主、副井冲积层厚度和冻结深度分别达到457.78458.50m和488m；2003年开工的龙固副井冲积层厚度和冻结深度分别达到567.7m和650m，丁集主、副、风井的冲积层厚度和冻结深度分别达到525.25530.45m和558565m。拟于2004年开工的郭屯矿井冲积层厚度和冻结深度分别达到563.61587.40m 和702m；赵固矿井冲积层厚度和冻结深度分别达到518m和575m。深厚冲积层冻结的梁宝寺、丁集、济西、龙固等矿井井筒施工中曾发生片帮、抽帮、冻结管断裂、井壁破坏等安全事故。 应当指出，随着冲积层厚度的增大，地压、水压增大、地层复杂性和施工难度增加，冻结管断裂和井壁压坏的可能性相应增多，特别是在深厚粘土层中由于冻土的扩展速度慢、强度低、冻结壁蠕变位移大，成为井筒掘砌过程中冻结管断裂和井壁破坏的主要原因。实践表明，当冲积层厚度超过200m后，冻结管断裂和外层井壁压坏的事故增多轻则延长工期，提高工程造价；重则导致井筒透水淹井，危及施工安全，造成重大损失。所以，冲积层厚度在一定程度上标志着冻结法凿井的难度和水平。随着冲积层厚度和冻结深度的增大，对“两壁”设计、冻结方案和打钻、制冷冻结、冻结段掘砌工艺以及施工过程检测控制技术等提出更高的要求，使赵固一矿深厚冲积层冻结法凿井面临着新的挑战和机遇。 图1 我国历年来冻结工程的冲积层最大厚度、冻结最大深度（H） 1冲积层最大厚度；2冻结最大深度 表1 我国1955～1999年立井冻结工程量简况 施工年限 冻结立井数 /个 冻结总长度 /m 最 深 冻 结 井 筒 简 况 井筒 名称 冲积层厚度/m 冻结深度/m 备 注 1955～1959 18 1628.5 荆各庄主井 154.8 162 单层井壁，接茬缝漏水。 1960～1964 26 2516 邢台 主井 248.3 260 国内首次试用双层井壁外壁短段掘砌，在深部粘土层中出现外段井壁刃角处压坏和冻结管断裂现象；内层分两段套壁，套壁过程引起壁后冻土大面积融化和井壁下沉，环向裂缝27等（宽度1mm的6条），竖向裂缝11条，井壁基本不漏水。 1965～1969 19 2592 平八东风井 324.4 330 差异冻结（330m/210m），井深259m往下冻结管断裂18根，外层井壁压坏较为严重。 1970～1974 75 9776 潘一东风井 292.5 320 施工过程未发生冻结管断裂。套壁后14个月因冻结段内层井壁破裂透水涌砂造成淹井。 1975～1979 60 12978 潘三东风井 358.5 415 井深250m往下外层井壁（小型混凝土块）压坏较为严重，最大缩径达550mm，冻结管断裂22根。 1980～1984 53 9230 谢桥副井 298.7 380 施工至井深239m水平时，因冻结管断裂（5根）导致冻结壁破裂透水淹井。 1985～1989 74 12990 陈四楼副井 374.5 435 未发生冻结管断裂和外层井壁压坏现象。 1990 ～ 1994 74 15023.5 元氏北副井 360.7 410 未发生冻结管断裂和外层井壁压坏现象。 1995～1999 31 8264 金桥 副井 383.0 412 掘砌过程未发生冻结管断裂和外层井壁压坏现象，成井后因井壁漏水导致井壁破裂透水淹井。 小计 430 74998 表2 赵固一矿之前国内近年来施工的深井冻结简况 序号 井筒名称 直径 /m 表土层深度/m 冻结深度/m 冻结方案 施工时间 1 梁宝寺煤矿主井 5.5 370.9 461 一次冻全深 2002 2 梁宝寺煤矿副井 6.5 371.6 461 一次冻全深 2002 3 梁宝寺煤矿风井 5.0 371 461 一次冻全深 2002 4 程村煤矿主井 4.5 429.86 485 一次冻全深 2002 5 程村煤矿副井 5.0 426.8 485 一次冻全深 2002 6 济西煤矿主井 4.5 459 488 一次冻全深 2002 7 济西煤矿副井 5.0 459 488 一次冻全深 2002 8 龙固副井 7.0 567.7 650 一次冻全深 2003 9 丁集主井 7.5 530.45 565 一次冻全深 2003 10 丁集副井 8.0 525.25 565 一次冻全深 2003 11 丁集风井 7.5 528.65 558 一次冻全深 2003 12 赵固矿主井 5.0 518 575 一次冻全深 2004 13 赵固矿副井 6.5 518 575 一次冻全深 2004 14 赵固矿风井 6.0 520.9 575 一次冻全深 2004 1.2 赵固一矿主、副、风井冻结段地层特征 赵固一矿主、副、风井井筒穿过的第三、第四系冲积层总厚度为518m526.5m。冲积层由149.15m砂性土层和368.8m粘性土层组成（见表3，图2），深部（200m）含有8层厚度的8.0537.4m粘土层和3层厚度为15.1536.72m的砂质粘土层。冲积层以下基岩风化带厚度为36.72m。无论是冲积层厚度、还是冻结深度均为国内外采用冻结法凿井井筒的前列。且粘土层的埋藏深度、单层厚度大和深部（300m）的含水量小（12），蠕变特性显著，加上砾石层厚度和砾石粒径大（φ130mm），这些因素均会增大冻结法凿井的难度和变数。 表3 主、副井冲积层赋存特征 岩层名称 主井 副井 层数/层 厚度/m 层数/层 厚度/m 粉砂 8 28.70 8 43.54 细砂 11 44.80 1 4.90 中砂 6 3.95 粗砂 2 7.80 砾石 7 44.55 3 46.16 粘土夹砾石 5 72.13 砂质粘土 17 157.35 14 196.82 粘土 23 211.45 13 160.15 合计 74 518.00 44 523.00 1.3 冻结段井壁特点 赵固一矿主、副、风井井壁由郑州煤矿设计研究院设计，冻结段采用高强度钢筋混凝土塑料夹层井壁结构形式。该井壁结构的主要特点为 （1）将井壁全深厚度分为三段，每段结合部及井筒底部设可压缩层。 图1 赵固一矿主检查孔综合柱状图 序 号 层厚 （m） 累深 （m） 岩性 序 号 层厚 （m） 累深 （m） 岩性 1 5.70 5.70 砂质粘土 30 20.15 315.60 砂质粘土 2 14.15 19.85 细砂夹1.2m粘土 31 21.1 336.70 粘土夹3.1m砾石 3 5.45 25.30 砂质粘土 32 4.50 341.20 细砂 4 19.40 44.70 中砂、粗砂夹2.8m砂质粘土 33 3.35 344.55 粘土 5 18.0 62.70 粘土夹3.6m粉砂 34 6.25 350.80 砂砾 6 4.00 66.70 粉砂 35 8.05 358.85 粘土 7 21.6 88.30 粘土夹1.95m砾石 36 21.10 379.95 砂质粘土 8 5.70 94.0 中砂 37 37.40 417.35 粘土 9 5.25 99.25 砂质粘土 38 6.70 424.05 中砂 10 7.70 106.95 细砂 39 14.70 438.75 粘土 11 28.8 135.75 砂质粘土夹1.1m细砂 40 3.10 441.85 粗砂 12 10.65 146.4 粘土夹3.9m中砂 41 2.10 443.95 砂质粘土 13 7.65 154.05 砂质粘土 42 12.0 455.95 砾石 14 10.5 164.55 粘土 43 12.20 468.15 粘土 15 6.20 170.75 砂质粘土 44 27.0 495.15 砂质 粘土 16 6.25 177.0 粘土 45 1.75 496.9 细砂 17 7.2 184.20 细砂夹1.05m粘土 46 15.15 512.05 砂质粘土 18 12.0 196.20 粘土夹3.0m砂质粘土 47 3.70 515.75 砾石 19 8.60 204.8 粉砂 48 2.20 517.95 砂质粘土 20 4.40 209.2 粘土 49 12.05 530.00 砂质泥岩 21 16.55 225.75 砾石 50 7.95 537.95 中粒砂岩与细粒砂岩夹1.52m泥岩 22 10.9 236.65 粘土 51 11.0 548.95 砂质泥岩 23 3.40 240.05 砂质粘土 52 3.20 552.15 细粒砂岩 24 3.00 243.05 砾石 53 2.52 554.67 泥岩 25 8.00 251.05 粉砂 54 5.37 560.04 粉砂岩与粗砂岩夹0.8m砂质泥岩 26 19.90 270.95 粘土 55 4.94 564.98 砂质泥岩 27 2.75 273.70 中砂 56 2.53 567.51 粉砂岩 28 13.75 287.45 粘土 57 2.60 570.11 中砂岩 29 8.00 295.45 细砂夹2.5m砂质粘土 58 9.86 579.97 砂质泥岩 本矿冲积层厚，井壁厚度较大，确定分上中下三段选取井壁厚度，并采取以下两点创新以克服分段设计井壁厚度而带来的弊病，一是在变壁厚处设置上、中部设可压缩层，在井筒底部设可压缩层；二是在变壁厚处将过去的正台阶相接改进为60～75℃（角度逐步过渡相接，以缓解变壁厚处的应力集中可能性。内外井壁间设置塑料夹层，夹层由过去的单层改为2层，厚度由1．5～2mm提高到4mm浅部夹层仍为单层，厚度为2mm。在外壁与冻结壁之间铺设1～3层总厚25～75mm的泡沫塑料板。起到缓压、卸压、隔热防冻、滑动和隔水作用。 （2）深层冲积层段考虑内外壁均采用双层配筋、将砼标号提高到C70（原设计）（C80（修改设计）） 随着井壁新材料、新工艺的不断应用，混凝土强度不断在提高，70年代C30，80年设计C45，施工达到C50，90年代初达到C55，本矿井设计中，内、外层井壁使用低水化热高强高性能混凝土，混凝土强度等级原设计最高标号C70（见表4），内、外层井壁总厚度达1800mm和2200mm。修改后主、副、风井的内外层井壁总厚度分别为1800mm、2050mm、1700mm，井壁混凝土强度等级设计最高标号提高至C80（见表4）。 （3）混凝土中适当加入外加剂，提高混凝土早强与防水性能 为提高外壁混凝土性能，外壁混凝土选用3％早强减水剂，3天和7天强度分别提高60％一150％、40％～100％，确保混凝土在较短时间内达到设计强度。内层井壁自下而上连续施工，在保证混凝土质量的同时，内壁提高密实性和防渗水性显得更为重要，内层井壁添加10％的防裂密实剂，1～3天强度提高30～50％，以增强内层井壁防裂和密实性能。内、外层井壁选用外加剂后，具备了早强、增强、防裂、增密及防水性能，效果良好。 表4 赵固一矿冻结段井壁结构（原设计） 序 号 井 筒 深度/m 井壁厚度mm/ 混凝土标号 内、外层井壁 厚度之和mm 聚乙烯塑料夹 层厚度mm 外层泡沫塑料 板厚度mm 内层 外层 1 主 井 8.0121.61 600/C30 600/C30 1200 2 50 2 201.61 600/C40 600/C40 1200 2 50 3 301.61 800/C50 700/C50 1500 2 75 4 381.61 800/C60 700/C60 1500 2 75 5 491.61 950/C65 850/C65 1800 2 75 6 568.61 950/C70 850/C70 1800 2 75 7 576.61 1800/C70 8 副 井 8.0121.5 700/C30 700/C70 1400 2 50 9 201.5 700/C40 700/C70 1400 2 50 10 301.5 1000/C50 800/C50 1800 2 75 11 371.5 1000/C60 800/C60 1800 2 75 12 461.5 1200/C65 1000/C65 2200 2 75 13 546.5 1200/C70 1000/C70 2200 2 75 14 562.5 2200/C70 15 575.5 1230/C70 16 634.8 600/C40 17 风 井 8.0121.5 600/C30 600/C30 1200 2 50 18 201.5 600/C40 600/C40 1200 2 50 19 291.5 800/C50 700/C50 1500 2 75 20 381.5 800/C60 700/C60 1500 2 75 21 461.5 950/C65 850/C65 1800 2 75 22 547.5 950/C70 850/C70 1800 2 75 23 562.5 /800/C70 表2 赵固一矿冻结段施工井壁结构修改后 序 号 井 筒 深度/m 井壁厚度mm/ 混凝土标号 内、外层井壁 厚度之和mm 聚乙烯塑料夹 层厚度mm 外层泡沫塑料 板厚度mm 内层 外层 1 主 井 8.0121.61 600/C30 600/C30 1200 2 50 2 201.61 600/C40 600/C40 1200 2 50 3 301.61 800/C50 700/C50 1500 2 75 4 381.61 800/C60 700/C60 1500 2 75 5 391.61 950/C65 850/C65 1800 2 75 6 568.61 950/C70 850/C70 1800 2 75 7 576.61 1800/C70 8 副 井 8.0121.5 550/C40 700/C30 1250 2 50 9 201.5 550/C50 700/C40 1250 2 50 10 301.5 850/C60 800/C50 1650 2 75 11 371.5 850/C65 800/C60 1650 2 75 12 461.5 1050/C70 1000/C65 2050 2 75 13 547.5 1050/C80 1000/C70 2050 2 75 14 562.5 2050/C80 15 575.5 1080/C80 16 634.8 600/C50 17 风 井 8.0121.5 500/C40 600/C30 1100 无 50 18 201.5 500/C50 600/C40 1100 无 50 19 281.5 500/C60 600/C60 1100 无 75 20 291.5 500/C65 900/C65 1400 无 75 21 371.5 700/C65 700/C65 1400 无 75 22 381.5 700/C70 1050/C65 1750 无 75 23 461.5 850/C70 850/C70 1700 无 75 24 525.5 850/C80 850/C70 1700 无 75 25 547.5 850/C80 850/C70 1700 无 90 26 562.5 1700/C80 无 1.4赵固一矿主、副、风井冻结法凿井技术难点 根据冻结地层特点和井型分析，赵固一矿冻结凿井的难度大。如何设计合理的冻结深度、冻结壁平均温度、冻结壁厚度、冻结孔布置方式、冻结工艺、如何监控与分析冻结壁形成特性，以及如何设计合理的井壁结构、井壁厚度、混凝土标号，如何监控冻结壁径向位移，如何监控内、外层井壁施工过程的井壁温度及壁后冻土融化、回冻特性，如何实现降低混凝土的水化热和确保强度增长率超过冻结压力的增长率等，便成为制约赵固一矿冻结段能否安全快速施工的关键性因素，2002年、2003年、2004年先后开工的梁宝寺、丁集、济西、龙固等矿井井筒施工中曾发生片帮、抽帮、冻结管断裂、井壁破坏等安全事故，也为深厚冲积层冻结凿井敲起了警钟。 2 攻关内容与研究成果 2.1 攻关内容 经过多次论证，为了确保赵固一矿主、副、风井深厚冲积层冻结段安全顺利施工，决定组织科技攻关，成立由设计、科研、施工、管理单位组成的科技攻关小组，委托煤炭科学研究总院北京建井研究所（北京中煤矿山工程有限公司）牵头。攻关内容如下 （1）冻结方案设计优化研究 （2）C60C80低水化热高性能混凝土试验应用研究 （3）冻结信息化施工与冻结壁形成特性工程预报研究 （4）深部粘土层冻结壁位移实测研究 （5）井壁温度及壁后冻土融化、回冻特性实测研究 （6）深部粘土层冻结压力实测研究 2.2 研究成果 2.2.1 冻结方案设计优化研究 （1）研究采用多姆克的无限长弹塑性厚壁筒公式计算砂性土控制层位的冻结壁厚度和按维亚洛夫扎列茨基的有限长塑性厚壁筒公式计算粘性土控制层位的冻结壁稳定性或安全掘进段高，以及按成冰多圈孔冻结壁平均温度计算公式计算冻结壁平均温度和按综合分析法选取冻土计算强度，形成的冻结壁设计计算体系，有效地解决了近600m深厚冲积层冻结壁设计难题，在国内尚属首次。 （2）研究提出采用主冻结孔内侧增设辅助、防片冻结孔的布孔方式与异径冻结管、加大冻结初期的盐水流量、正反循环相结合的冻结工艺，较好地解决了冻结与掘进的矛盾；冻结过程中根据冻结壁形成特性对各孔圈盐水流量进行有效调控，逐渐减少中、内圈盐水流量或提前关闭，达到了少挖冻土和安全快速施工的目的，主、副、风井均安全通过冲积层和全部冻结段，未发生片帮、冻结管断裂现象，为解决近∠600m深厚冲积层冻结工艺难题和冻结孔合理布置提供了实践经验。 2．2．2 C40C80低水化热高性能混凝土试验应用研究 （1）在冻结段外层井壁采用J851系列早强减水剂与以磨细矿渣为主的矿物外掺料双掺技术成功的配制了C40C70低水化热早强密实高性能混凝土，共浇筑外层井壁27591.5m3，取得良好的技术经济效果，质量优良，为减薄外层井壁厚度和提高质量提供了实践经验。C40C70混凝土全部采用P.O.42.5水泥、石灰岩碎石、当地机破砂和以磨细矿渣为主的矿物外掺料，既不用P.O52.5、P.O52.5R水泥和花岗岩碎石，也不掺硅灰，所以配制的高强高性能混凝土费用较低，较其它深冻结井配制的外层井壁C40C70低水化热高性能混凝土原材料费用平均降低150元/m3左右；水化热较单掺化学外加剂的C40C70混凝土降低15℃左右；1d、3d、7d的强度分别达到混凝土设计强度的20、50、80以上，28d强度均达到和超过设计强度，60d的强度超过28d强度的8以上，能较全面地适应冻结段外层井壁受力条件和施工环境的需要，有效地防止外层井壁的压坏问题，综合技术居国内领先水平。 （2）在冻结段内层井壁采用JQ系列防裂密实剂与磨细矿渣粉煤灰等矿物外掺料成功配制了C40C70低水化热防裂密实高性能混凝土和采用TK-PC01聚羧酸盐高性能液体减水剂与磨细矿渣、粉煤灰成功配制的C80低水化热高性能混凝土，共浇筑内层井壁22428.9m3和5182.3m3混凝土，取得良好的技术经济效果，井壁质量优良，为减薄内层井壁厚度和提高质量提供了实践经验。C40C80混凝土全部采用P.O42.5水泥、石灰岩碎石、当地机破砂和以磨细矿渣、粉煤灰等矿物外掺料，既不用P.O52.5水泥、P.O52.5R水泥和花岗岩碎石，也不掺硅灰，混凝土配制费用较低，较其它深冻结井配制同标号混凝土原材料费用平均降低150元/m3左右；水化热比单掺化学外加剂配制的C40C60混凝土降低1517℃，1d、3d、7d的混凝土强度分别超过28d强度的20、50、80以上，60d和90d的强度分别超过28d的强度分别提高9和15以上，能较全面地适应内层井壁大体积混凝土套壁工艺的需要，有效地克服内层井壁自收缩裂缝和温度裂缝，综合技术居全国领先水平。采用TK-PC01聚羧酸盐高性能液体减水剂与磨细矿渣、粉煤灰的双掺技术配制的C80高性能混凝土，在国内深冻结井中成功地应用，技术上取得了重大突破。 2.2.3 冻结信息化施工和冻结壁形成特性预报研究 （1）实现对每个冻结器的盐水流量和去、回路盐水温度进行有效的监控，确保冻结器的正常运转和形成设计要求的冻结壁。 （2）系统掌握了≤520m冲积层深厚粘土层、砂层和砾石层等采用三圈冻结孔不同布置方式的冻结壁形成规律，这在国内尚属首例，为合理设计冻结壁提供依据。为正确判断多圈孔冻结的冻结壁的强度和稳定性，以及进一步完善深厚（500m）的冻结壁设计提供重要依据。 （3）根据冻结壁形成特性，每月对深部冻结壁形成状况进行预报，提出及时对各孔圈流量进行调控等注意事项，科学地指导制冷冻结和井筒掘砌。 2.2.4 深部粘土层冻结壁位移实测研究 （1）应用数显收敛计法在深部厚粘土层中15个掘砌段高内井帮裸露时间最长的上部和位移速度最快的中部共检测30个水平和44组冻结壁径向收敛位移，全面掌握了深部（136～513m）粘土层的冻结壁径向位移变化规律，其检测深度、数量、时间、准确性、完整性等综合指标居国内领先水平。 （2）提出赵固一矿主、副井深136～513m厚粘土层的冻结壁径向位移的三个典型变化阶段及时间，为合理制定掘砌段高和掘砌循环时间提供依据，科学地指导井筒施工。井帮裸露时间13～20h（距上段井壁刃角0.5m处）或10～18h（掘进段高中部），为冻胀能量迅速释放阶段或初期位移快速增长阶段；井帮裸露时间15～30h，为冻结壁弹性变形阶段或位移稳定发展阶段；井帮裸露时间30h，为冻结壁开始进入塑性变形阶段或位移出现急剧增长阶段。为了确保冻结段安全施工，一要把掘砌循环时间控制在冻结壁位移的第二阶段后期或第三阶段初期，二要控制冻结壁径向位移量≤50mm。 2.2.5 井壁温度及壁后冻土融化、回冻特性实测研究 （1）首次系统实测得到深厚冲积层（79m507m）13个水平的粘土层、砂质粘土层中的内、外层井壁不同厚度、不同标号外层井壁混凝土、不同井帮温度的壁后冻土融化和回冻规律。 （2）研究得到内、外层井壁混凝土达到的最高温度、最大温差及达到最高温度、出现最大温差、出现负温的时间，为制定井壁混凝土合理养护工艺和混凝土合理配合比提供了重要依据，验证了在深厚冲积层冻结内、外层井壁采用早强、低热、高密实混凝土的合理性。对今后深厚冲积层冻结凿井的井壁设计和施工工艺研究和制定具有重要指导意义。 2．2．6深部粘土层冻结压力实测研究 （1）系统实测得到深厚粘土层、砂质粘土不同水平（197m507m）、不同井帮温度、不同冻结壁平均温度、不同冻结壁厚度条件下冻结压力变化规律，为赵固矿区、甚至全国深厚冲积层冻结凿井外层井壁结构设计及其施工工艺的研究和确定具有重要意义，为赵固一矿外层井壁结构的设计和修改与施工工艺的确定提供依据。也为深厚冲积层进行冻结壁、外层井壁结构耦合设计提供宝贵研究资料。 （2）研究得到赵固一矿深部粘性土层最大冻结压力和深度之间的关系，说明赵固矿区的深厚冲积层冻结凿井较以往冻结凿井设计采用的冻结压力计算公式得到的结果要大的多，在赵固矿区的深厚冲积层冻结凿井的外层井壁结构设计和施工工艺应充分考虑该矿区的冻结压力显现特征。 3 井筒施工 3.1井筒冻结简况 赵固一矿主、副、风三个井筒穿越518m526.5m深厚冲积层，均采用冻结法施工。主、风井冻结工程由兖矿集团东华建设有限公司施工，两个井筒共用一个冻结站，采用主冻结孔内侧增设辅助和防片帮孔三圈孔冻结方式，设计冻结深度575m；副井冻结工程由中煤特殊凿井（集团）有限责任公司施工，单独使用一个冻结站，采用主冻结孔外侧增加辅助冻结孔和内侧增设防片帮孔三圈孔的冻结方式。 主井于2005年3月26日开机冻结，2005年5月19日（冻结55d）盐水温度降至-31℃，整个冻结至2006年6月11日外圈孔停止冻结，累计冻结时间443d。冻结施工期间根据井筒掘进情况以及井帮温度、冻结壁收敛位移测试情况，对三圈孔盐水温度和流量进行适时调整，保证整个井筒正常施工。 副井于2005年2月28日开机冻结，2005年5月18日（冻结80d）盐水温度降至-31℃，至2006年6月19日停止冻结，累计冻结477d。 风井于2005年6月28日开机冻结，2005年8月31日（冻结63d）盐水温度降至-31℃，至2006年6月13日停止冻结，累计冻结349d。 3.2井筒掘砌 3.2.1主井井筒掘进 主井井筒施工由河南煤炭建设集团有限公司施工。该井筒于2005年6月12日（冻结79d）试挖，2005年6月27日（冻结94d）正式开挖，掘砌先后采用2.8m和4.3m段高，至2006年5月6日（冻结407d）安全通过518m冲积层，2006年5月28日（冻结429d）通过冻结段，开始施工生根壁座，整个冻结段外层井壁掘进施工期间，未发生冻结管断裂和井壁压坏现象。2006年6月10开始套内层井壁，于2006年7月28日内层井壁套壁结束。外层井壁最高掘砌速度76.2m/月，平均掘砌速度48.3m/月，平均成井速度41.2m/月。 3.2.2副井井筒掘进 副井井筒施工由河南煤炭建设集团有限公司施工。该井筒于2005年5月26日（冻结88d）开始试挖，2005年6月19日（冻结112d）正式开挖，掘砌先后采用2.8m和4.3m段高，至2006年5月6日（冻结433d）安全通过519.2m冲积层，2006年5月28日（冻结455d）通过冻结段，开始施工生根壁座，整个冻结段外层井壁掘进施工期间，未发生冻结管断裂和井壁压坏现象。2006年6月10开始套内层井壁，于2006年7月25日内层井壁套壁结束。外层井壁最高决砌速度85.7m，平均掘砌速度43.8m，平均成井速度38.7m。 4 技术攻关成果分析 赵固一矿主、副、风井518.0m526.5m深厚冲积层冻结凿井技术攻关工作，从2003年11月开始，到2006年10月，历时三年整，完成了课题调研、技术论证、方案设计、室内试验、井下实测应用等工作。在设计、施工、科研、管理等单位的密切配合下，做到了精心设计、精心施工，使各项研究内容与工程实践有机结合，为井筒冻结和施工提供第一性试验实测数据，科学地指导施工，取得多项创新性成果，安全快速地通过冻结段，取得国内最深冻结井之一穿过518.0m526.5m 冲积层和575m冻结段无冻结管断裂、无井壁压坏、安全快速的深厚冲积层冻结凿井优异成绩，取得重大技术经济效益。 4.1 技术水平 从安全快速通过518.0m526.5m深厚冲积层 和575m冻结段未发生冻结管断裂、井壁压坏、井壁质量优良等各项指标分析得出赵固一矿主、副、风井冻结凿井技术攻关总体技术水平解决近600m深厚冲积层冻结凿井的井壁与冻结壁设计及其施工工艺、制冷冻结工艺、井筒掘砌、冻结器工作状况及冻结壁形成状况的监控与预报、冻结壁位移检测、冻结压力实测等技术难题，取得多项研究创新性的研究成果，标志着我国的深厚冲积层冻结凿井技术达到了一个新的水平，多项技术指标达到国内领先水平和国际领先水平（见表5）。 4.2 经济效益 （1）由于合理制定冻结方案和通过招投标选择施工队伍，冻结和凿井费用均控制在预算费用指标之内，两井计节约投资3000多万元。研究成果在赵固二矿615m628m深厚冲积层冻结凿井中应用节约投资7000多万元。 （2）由于试验应用了C40～C80高强高性能混凝土，比国内近年来冻结井筒配制高强混凝土的费用降低150元/m3，主、副、风井计节约井壁施工费用829 万元。 15 表3 赵固一矿主、副、风井近600m深厚冲积层冻结凿井技术攻关的内容、成果与水平 序号 攻关项目 主 要 成 果 技 术 水 平 1 冻结方案设计优化研究 （1）针对赵固一矿主、副、风井深厚冲积层特点提出采用主冻结孔内侧增设辅助、防片冻结孔的布孔方式与异径冻结管、加大冻结初期的盐水流量、正反循环相结合的冻结工艺。 （2）在冻结壁设计方面提出提出采用多姆克的无限长弹塑性厚壁筒公式计算砂性土控制层位的冻结壁厚度和按维亚洛夫扎列茨基的有限长塑性厚壁筒公式计算粘性土控制层位的冻结壁稳定性或安全掘进段高，按成冰多圈孔冻结壁平均温度计算公式计算冻结壁平均温度和按综合分析法选取冻土计算强度，形成近600m冻结壁设计体系，有效地解决了近600m深厚冲积层冻结壁设计难题。 （3）提出冻结孔布置方式、冻结壁形成特性实测研究、工程实践有机结合的信息化施工技术方法和措施。 （1）采用主冻结孔内侧增设辅助冻结孔、防偏帮孔、异径冻结管、初期大盐水流量冻结工艺用于575m深厚冲积层冻结在国内外尚属首次。 （2）在超过500m冲积层中按多姆克的无限长弹塑性厚壁筒公式计算砂性土控制层位的冻结壁厚度和按维亚洛夫扎列茨基的有限长塑性厚壁筒公式计算粘性土控制层位的冻结壁稳定性或安全掘进段高，按成冰多圈孔冻结壁平均温度计算公式计算冻结壁平均温度和按综合分析法选取冻土计算强度，有效地解决了近600m深厚冲积层的冻结壁设计问题，在国内尚属首次。 （3）提出冻结孔布置方式、冻结壁形成特性实测研究、工程实践有机结合的信息化施工技术，起到科学地指导冻结与井筒掘砌。 3 冻结信息化施工与冻结壁形成特性预报研究 （1）实现对每个冻结器的盐水流量和去、回路盐水温度进行有效的监控，确保冻结器的正常运转和形成设计要求的冻结壁。 （2）系统掌握了≤520m冲积层深厚粘土层、砂层和砾石层等采用三圈冻结孔不同布置方式的冻结壁形