厚600 m以上冲积层冻结壁厚度设计方法研究

冻结法凿井是井筒穿过厚600 m及以上冲积层的主要凿井方法,冻结壁厚度设计计算方法是深厚冲积层冻结法凿井必须要攻克的难题之一。且深厚冲积层冻结壁厚度计算公式中涉及的相关参数难以确定,无法在工程中设计应用。结合赵固二矿西风井厚704.6 m冲积层冻结法凿井工程实践,提出厚600~1 000 m冲积层冻结壁设计时可采用经典的多姆克计算公式、维亚洛夫-扎列茨基有限段高塑性计算公式分别计算砂性土层、黏性土层冻结壁厚度,并提出计算公式中掘进段高、冻土抗压强度等关键参数取值方法。提出厚600 m以上冲积层冻结法凿井深部采用爆破掘进时,应将爆破掘进段高作为计算段高代入维亚洛夫-扎列茨基有限段高塑性计算公式,从而计算得到正确的黏性土层冻结壁厚度。针对深部不同层位地层冻土抗压强度试验值具有很大离散性的特点,提出冻结壁设计要从安全性、先进性、经济合理性的角度综合考量,系统分析冻土、非冻土抗压强度试验特点和深厚冲积层冻结段掘进工艺特点,冻土计算强度选取应区分均值与低值,均值用来计算各层位一般状态下的冻结壁厚度,低值用来核算层位最不利情况下的冻结壁厚度。提出合理发挥掘砌段高调控对冻结壁稳定性的影响作用,确定深厚冲积层黏性土层控制层位冻土计算强度取值和冻结壁设计厚度。设计方法在工程实践得到验证,取得安全优质、经济合理、快速施工的效果,科学指导了施工。

冻结法凿井井壁应用C80~C100混凝土强度设计值等参数取值研究

深井冻结需要设计应用高承载能力的井壁结构,井下现浇高强度混凝土是提高井壁承载能力较为可行的方法。设计应用大于C80混凝土井壁缺少相应规程和规范,缺少对混凝土轴心抗压强度设计值、轴心抗拉强度设计值、弹性模量等物理力学参数的取值规定。通过国内外混凝土结构设计规范、国内有关学者研究成果和为该研究开展的验证试验等综合研究,提出C80~C100轴心抗压强度、轴心抗拉强度设计值和标准值、弹性模量与泊松比等取值建议,为制定冻结法凿井井壁设计应用C80~C100混凝土技术规程和形成技术体系提供依据。

深厚冲积层冻结孔布置分类技术对冻结调控的影响

冻结孔布置方式不仅决定了能否按期形成设计所需的冻结壁有效厚度和平均温度,还会影响冻结法凿井的速度、安全和施工成本。不合适的布置方式甚至会成为冻结法凿井的安全隐患,因此冻结孔布置方式及其冻结壁形成特性一直是冻结法凿井的理论和技术研究热点和难点。提出深厚冲积层冻结孔按主冻结孔、辅助冻结孔、防片冻结孔3类功能分类设计和布置,可较好地解决主冻结孔及冻结壁主体结构的安全和稳定;根据冻结壁厚度需要及冻结时间均匀布置辅助孔,可明显减少辅助孔数量,提高冻结壁的均匀性和稳定性;根据挖掘荒径变化布置多圈防片孔,可提高冻结调控的灵活性和效果。工程实践表明:以外圈为主冻结孔的布孔方法,有利于主冻结孔和整体冻结壁的安全稳定,可减少冻结孔数量、钻孔工程量、冻结需冷量,提高了冻结的可调性和调控效果,推荐为深厚冲积层冻结孔布置方式的首选。合理的冻结孔布置可为冻结壁安全稳定及冻结调控打下良好的基础,施工过程中通过建立冻结壁形成特性实测分析、工程预报与冻结调控的机制,定期对冻结壁有效厚度、平均温度和井帮温度发展趋势进行分析和预测,提前对防片孔和辅助孔盐水流量、温度进行调控,甚至停止盐水循环,能有效控制井帮温度及冻土扩入荒径量,为掘砌施工创造良好条件。国内外冲积层厚度最大之一的赵固二矿西风井通过采用以外圈为主冻结孔的布孔方式,总的冻结孔数、冻结钻孔工程量、冻结需冷量均显著降低,且冻结壁内部温度和强度的均匀性更好;结合黏性土层井帮稳定性观测,通过主动调控,实现400 m以深井帮温度还可略高于设计调控目标,635 m以深井帮温度接近设计调控目标,冻结壁厚度和平均温度始终满足设计要求,冲积层深部黏性土层井帮温度控制在-11℃以上,砂性土层井帮温度在-13℃以上;冲积层的冻结壁稳定性良好,冻掘配合好,冲积层深部外壁掘砌速度基本维持在75~80 m/月,冲积层段外壁平均掘砌速度为87.1 m/月,冻结段外壁平均掘砌速度为82.1 m/月。

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。

冻结壁形成特性综合分析方法在深井冻结精准调控中的应用

冻结壁形成特性的精准预测预报与调控技术是深井冻结法凿井的重大技术难题之一。针对赵固二矿西风井深厚冲积层冻结过程更为复杂的调控情形,为了实现冻结壁形成特性精准预测预报和调控,科学指导冻结与掘砌施工,提出应用冻结壁形成特性综合分析方法,通过细化分解每日盐水运动状态因子,使其转化为动态的分析方法;引入等效冻结时间新概念,保持了综合分析方法的快捷分段计算;通过等效冻结时间应用的不断分析、调整,使复杂调控的冻结壁形成特性分析结果更接近于工程实际。应用表明,可实现实施的冻结壁有效厚度与设计的冻结壁有效厚度偏差小于2%,实施的冻结壁有效平均温度与设计的冻结壁有效平均温度偏差小于1℃,实施的井帮温度与设计的井帮温度偏差小于2℃。形成的冻结壁形成特性动态综合分析方法可精准实施冻结调控,满足快速施工的要求,为我国深厚冲积层冻结法凿井工程冻结壁形成特性的精准预测预报与调控提供了成功的经验。