超深厚表土层特殊凿井技术探究

为了开发超深厚土层下的固体矿物资源,以2000m深厚表土层建井为工程背景,通过总结深厚土层中井筒建设成果,并参考深土层井筒施工经验与理论研究,对冻结法、钻井法及混凝土帷幕法等特殊凿井法进行了可行性分析。研究表明:在本工程背景下,使用单一的冻结法或使用单一的钻井法作为建井技术尚不成熟且实现难度较大;而采用冻结-帷幕凿井工艺具有一定的可行性。由于深井建设面临“高地应力、高地温、高水压”问题,为确保工程安全性,提出了冻结-帷幕凿井法,为后续超深厚土层凿井方法的选取提供了方向性的参考。

富水砂层冻结斜井冻结壁厚度设计

根据富水砂层松散地层的特殊性质将冻结井筒分为浅埋和深埋2种情况,分别采用岩柱法和普氏理论对井筒围岩压力进行分析,给出了井筒浅埋和深埋2种情况下富水砂层斜井冻结壁厚度计算方法,现场实践表明富水砂层冻结斜井冻结壁厚度设计方法是合理可行的。

深冻结井筒内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁试验研究

针对600～800 m特厚表土层中冻结井筒的支护难题,根据约束混凝土原理,提出合理的解决途径是采用内层钢板高强钢筋混凝土复合冻结井壁结构。通过模型试验,对该种井壁结构的应力、变形和强度特性进行深入研究,结果表明:由于内层钢板筒的约束作用,井壁结构中混凝土处于三轴受压应力状态下,其变形能力和抗压强度都得到较大程度的提高,井壁破坏时,内缘混凝土的环向应变可达-4 000με,表现出较好的延性特性,改善了高强混凝土的脆性缺陷。如将目前现场使用的现浇高强钢筋混凝土冻结井壁改为内层钢板高强钢筋混凝土复合结构形式,则井壁承载能力可大大提高,可合理地解决特厚表土层中冻结井筒的支护难题。影响该种井壁极限承载力大小的因素依次为混凝土抗压强度、厚径比、内层钢板厚度和配筋率,其中提高混凝土强度对井壁承载力影响非常显著,如将混凝土强度提高10 MPa,则井壁承载力将提高约13.8%。而增大配筋率对井壁承载力影响甚微,所以,在实际工程应用中,为经济合理设计井壁,只需配置单外排钢筋。最后,根据理论分析和试验结果推导出该种井壁承载力的计算公式,从而为该种井壁结构的工程应用提供设计依据。

人工地层冻结技术与我国的深立井建设

系统总结了人工地层冻结技术的发展及其在煤矿立井建设中的应用。针对我国今后将要在深厚表土地区建设大型煤矿的工程背景,提出了冻结法建设煤矿深立井需要解决的关键问题是深土冻土的基础理论研究、适用于深厚表土层的冻结壁设计、井壁结构设计以及深井冻结法施工技术。

基于改进西原模型的深井冻结压力数值计算分析

深厚冲积层冻结压力取值大小是冻结法凿井外层井壁设计计算的重要依据。为此,基于符合深井冻土蠕变特性的改进西原模型,利用ABAQUS软件的用户子程序接口,实现该模型的UMAT开发。考虑土体冻结过程中的热-力耦合作用获得井筒开挖前土体冻胀应力分布规律,在此基础上,计算分析了深部冻结井的掘砌过程,获得了作用于外层井壁的冻结压力发展变化规律。计算结果表明:土体埋深、冻结壁温度、土体冻胀率等因素均影响冻结压力的大小。在其他条件不变的情况下,当埋深由400 m增加到500 m时,冻结压力增加21%;当冻结壁平均温度由-16℃降低至-18℃时,冻结压力减小10%;当土体冻胀率由2%增加到3%时,冻结压力增加3.8%。冻结压力随层位深度及土体冻胀率的增加而增加,而降低冻结壁温度则有利于冻结壁的稳定。数值计算结果与实测值的误差小于15%,比理论计算更有利于实际工程中深井冻结压力的计算预测。

竖井圆形冻结壁弹性设计理论的对比研究

对井筒冻结壁弹性设计理论的3个解析公式进行对比分析,用图解的方式展示出用叠加原理求解基于冻结壁和围岩相互作用的力学模型两种方法,揭示冻结壁外缘载荷随冻结壁厚度和刚度变化的规律。通过对用3种冻结壁厚度公式设计的差异性分析,说明采用重液公式确定拉梅公式中载荷的不合理性,提出基于太沙基有效应力原理的自重初始应力场计算方法。结合案例,比较3种解析公式得到的地层原岩水平载荷和冻结壁厚度的函数关系,用定义域和值域的数学原理研究各个冻结壁弹性设计公式的适用范围,阐释其工程实际意义,并就弹性设计的实用意义进行审慎性评述。

深冻结井高强钢筋混凝土弧形板外壁内力分析

针对深厚表土层冻结井筒外层井壁的支护难题,结合其受力特点,提出了采用装配式高强钢筋混凝土弧形板结构,并考虑弧形板外壁与冻结壁的共同作用,推导出在不均匀冻结压力作用下装配式弧形板外壁的位移和内力计算公式。根据工程实例计算结果,指出了深厚表土层冻结井筒装配式弧形板外壁在设计和施工中应注意的一些关键技术问题,从而为该种新型外壁的实际应用提供了理论和设计依据。

超深厚冲积层立井冻结爆破快速掘砌施工技术

以赵固二矿西风井工程为背景,从冻结方案设计、钻爆施工、装岩提升与排矸、井壁浇筑、施工组织及监控量测等方面,详细阐述了超深厚表土层冻结爆破快速掘砌施工技术。现场采用多圈冻结管对深厚表土进行冻结,实现不同地质条件下冻结温度的动态调控,为爆破掘进提供最恰当的冻土条件;不断优化爆破方案,辅以振速安全监控,实现冻土爆破的快速进尺与良好的爆破效果;根据土压力与工程结构受力情况,适时调整混凝土强度等级,保证竖井的稳定性;采取项目部管理法,以工程安全质量为前提,实现工程最短施工时间,达到最优经济效益;外壁施工采用"滚班制",内壁施工采用"三班制"的作业制度,实现了深大竖井的快速掘进。

深井冻结黏土爆破振动传播规律研究

为研究冻结黏土爆破中的应力波传播规律,减小对冻结管和井壁的振动损伤,在立井冻结黏土掘进段开展了爆破试验。通过井下-690 m的爆破振动测试,得到了冻结黏土中垂直、水平径向和水平切向的振动速度,利用萨道夫斯基公式对参数进行拟合,得出冻结黏土单一介质爆破各向振动速度呈现出差异,垂向振动速度>径向振动速度>切向振动速度。对冻结黏土爆破振动信号进行小波(包)分析,得出:爆破距离在0~6.243 m,3个分量上的总能量呈现出E_(z)>E_(x)>E_(y)的规律,爆破振动频率主要集中在250 Hz以内;爆破振动信号能量占比在高频段呈震荡式衰减,低频段衰减慢并趋于稳定;爆破振动总能量占比能量变化一般在频带0~187 Hz急剧下降,在218 Hz左右能量占比又显著增大;垂向能量变化较径向和切向的能量变化更为显著。研究成果对于立井冻结黏土爆破掘进及振动控制具有一定的指导意义和应用价值。

井筒超深冻结孔封孔缓凝水泥浆性能研究

针对竖井井筒解冻后井壁、井底等部位出现漏水的难题,采用缓凝水泥浆主动有效地防治井筒渗漏水事故。根据超深冻结孔泥浆置换对缓凝水泥浆在流动性、凝结时间、稳定性、结石抗压强度等方面的特殊要求,通过外加剂复合技术和对比试验,研制出JS-1型高效复合缓凝剂。结果表明:高效复合缓凝剂能在保证水泥浆稳定性良好的情况下,其初凝时间可达40 h以上,完全满足超深冻结孔的沉管要求。当水灰比从1.0∶0.8减小到1.0∶1.4时,其结石抗压强度可从5 MPa提高到12 MPa,有利于提高冻结管与围岩间的环形空间封堵质量和井筒防渗漏水效果。

深厚冲积层冻结压力研究进展及展望

随冻结法凿井深度的增加,我国对深厚冲积层冻结井冻结压力分布的研究需求已经十分迫切。在对国内外冻结压力研究的发展进行了回顾的基础上,分析了目前深厚冲积层冻结压力研究面临的任务和要解决的问题,对进一步提高国内冻结压力研究水平阐述了看法。

深厚冲积层中冻结壁厚度的研究

本文对冻结法凿井中冻结壁厚度的确定方法进行分析指出:用古典力学理论,常规的材料力学试验方法研究深厚冲积层中冻土和冻结壁已不适用。用模拟试验的方法,研究冻结壁厚度与外载、冻结壁温度、掘进半径、段高、段高暴露时间等参数间关系,得到在深厚冲积层中砂层和粘土层的冻结壁厚度计算公式。并对冻土、冻结壁的力学参数、本构关系和强度理论的研究方法和方向提出建议。

超深厚冲积层千米立井冻土爆破井壁振动响应特性研究

随着我国对地下资源需求的不断增大,超深立井施工逐渐普遍化。在立井开挖时为了稳固井壁且减少井壁坍塌,一般会选用冻结法施工,但爆破时产生的振动仍然会对井壁的稳定性造成一定的影响,严重情况下出现的塌方现象,会造成一定的人员伤亡、延缓施工进度等危害。为解决此类问题,以赵固二矿西风井704.6 m深厚冲积层冻土爆破掘进工程为研究背景,开展深大立井冻土爆破井壁振动监测,并结合ANSYS/LS-DYNA分析软件建立立井多段爆破三维数值模型,深入探索冻结表土段冻土爆破开挖下井壁的振动响应规律。研究结果表明:冻土爆破引起井壁振动的时程曲线各段波形区分明显,段装药量大、炮孔分布密集的3段辅助孔爆破对井壁振动影响最大,合速度为8.39 cm/s,均在安全范围以内;掏槽爆破时,井壁主要受纵波影响产生振动,垂向振速大于径向和切向振速;辅助爆破时,随着自由面增大,爆破产生的作用力逐渐向水平向扩展,井壁径向振速逐渐占优,垂向振速相对减小;运用一维弹性波理论,分析了爆破引起井壁的振动速度对混凝土应力之间的关系,计算结果小于混凝土抗拉强度;对比数值模拟结果与实测振速波形,验证了模型的可靠性和准确性,并通过模拟分析获得离井壁最近质点垂直方向的振动速度为23 cm/s,在安全范围内。研究思路与方法成果可为同类型立井冻土爆破的施工与振动控制提供一定参考。

深井井壁砌筑前后冻结壁应力场和位移场

在卸载情况下考虑周围土体、冻结壁和井壁共同作用的同时考虑了冻结壁中冻土冻胀特性和流变特性建立井壁砌筑前后冻结壁的粘弹性稳定性分析模型,求得井壁砌筑前井帮的变形规律和井壁砌筑后作用于井筒外壁的冻结压力的增长规律。结果表明考虑了冻结壁冻胀特性的冻结壁的变形值及冻结压力值更接近实测值。

深冻结井筒温度场成孔弱界面分析

两个孔形成的冻结壁强度弱面通常位于两冻结孔界面上,但对于深冻结井筒成孔孔位,冻结壁薄弱界面选择具有一定的复杂性.针对深冻结井筒温度场成孔弱界面,应用数值模拟软件ANSYS分析了世界第一深冻结井筒在三个水平位置上冻结孔实际孔位下温度场弱界面参数.结果表明:冻结壁弱界面确定不仅要考虑成孔最大孔间距,同时也要评定成孔孔距到设计圈径上的投影长度、相邻孔的分布特征及成孔内偏值.首次指出成孔孔距到设计圈径上的投影长度为冻结壁弱界面评定条件之一,具有重要意义.

深基岩冻结井筒封闭不良冻结孔水害治理技术

为解决我国西部地区深基岩冻结井筒封闭不良冻结孔涌水水害的难题,在分析冻结孔环状导水通道生成及涌水机理的基础上,将地质分析、数值模拟、综合探测试验及实时监测等技术手段有机地结合为一体,提出一种在上覆含水层下方稳定岩层中沿冻结圈外沿掘进小断面环形截水巷道,并在截水巷道内探测、揭露冻结管进而封堵冻结孔,对截水巷回填混凝土形成一个环形隔水体,彻底隔断环状导水通道,防治深基岩冻结井筒冻结孔涌水水害新技术。应用表明,该技术相比射孔注浆治理措施节省治理费用近千万,并提前3个月投产。

一种深基岩冻结井筒冻结孔水害治理技术

针对我国西部地区深基岩冻结井筒冻结孔涌水水害技术难题,在分析冻结孔环状导水通道生成及涌水机理的基础上,提出一种在选定稳定岩层中沿冻结圈外沿掘进小断面环形截水巷道,在截水巷道内探测、揭露冻结管进而封堵冻结孔,对截水巷回填混凝土形成一个环形隔水体,彻底隔断环状导水通道,从根本上治理深基岩冻结井筒冻结孔涌水水害的新技术。以胡家河矿主立井井筒冻结孔水害治理项目为工程实例,采用理论分析、现场试验、数值模拟、现场监测等方法手段对环形截水巷合理布置层位、距井壁的距离、巷道断面、掘进及支护方式等关键参数进行研究,采用探地雷达、电法探测及管线定位仪探测技术准确探测冻结管位置,变形及沉陷监测结果表明截水巷围岩稳定,经工程实践验证该技术能从根本上治理深基岩冻结井筒冻结孔涌水水害。

超深竖井永久混凝土井塔凿井与冻结平行作业研究

滨海超深竖井改变了传统的施工工艺,利用永久混凝土井塔凿井,实现了施工中冻结、土建、凿井的平行交叉作业,节省了建井工期。工程施工中创新使用了新型吊盘、Ф5m凿井提升机、8m3大吊桶、新型抓岩机及液压伞钻等装备,实现了竖井基岩段超深孔凿井爆破,大大提升了工效。

深立井软岩地层冻结施工关键技术探讨

针对深立井软岩地层冻结施工技术,通过对蒙陕甘宁等西部地区多个立井冻结工程的实践总结,从冻结方案选择、冻结技术参数取值、冻结及掘砌施工控制指标等方面对软岩地层冻结关键技术进行了系统阐述,提出了西部软岩地层以白垩系底界为冻结控制层位、利用有限段高塑性体极限状态强度条件公式计算冻结壁厚度的观点,并总结出相对应的冻结法施工技术要点,可为今后类似地层深立井冻结工程施工提供参考。

深井冻结法凿井理论与技术新进展

冻结法凿井技术在我国研究应用已历时65 a,成为我国立井井筒穿过深厚冲积层、深厚松软富水岩层主要的特殊施工方法,在立井深厚冲积层和深厚松软富水岩土层冻结壁设计理论与应用、高承载能力井壁结构设计与应用、冻结壁形成特性理论与应用技术、冻结段安全快速施工机制等诸多方面,取得了新的突破。我国在冻结法凿井理论与技术的研究和应用上,领先国际水平,形成了具有我国特点的深厚冲积层冻结法凿井理论和技术体系。