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能源技术与管理
2011年第4期
doi:l0.3969jiss.1672-9943.2011.04.050
建筑与基础工程
深厚冲积层冻结井筒防冻结管断裂技术
刘文民,程志彬2,张步俊2
(1.中国矿业大学,江苏徐州221008;2.中煤第五建设有限公司第三工程处,江苏徐州22140)
摘要]通过对近十年来冻结法凿井的冻结设计理论和工程实例进行分析总结,认为我国
华东地区冲积层厚度超过400m厚的冻结设计缺少統一的理论指导和大量的实验
研究,造成方案设计五花八门,冻结管断裂时有发生。因此,只有通过精心冻结设
计,严格的施工过程控制,才能实现不断裂冻结管和冻结施工安全,确保井筒安全
快速、连续施工。
关键词]深厚冲积层;冻结管断裂;冻结设计;冻结管焊接
[中图分类号]TD265.34[文献标识码]B[文章编号]1672-943(2011)4-0122-03
0引言
深度大,地压大,起始冻结温度低,承压能力小,蠕
变特性显著,易于产生径向位移;③掘砌段高大,
我国从1955年首次应用地层冻结技术成功冻结壁裸露时间长,位移大,使冻结管处在冻结壁
开凿了开滦矿林西风井以来,计施工了470个立的塑性变形区内工作;④冻结管材脆化温度转化
井井筒,累计冻结总深度达75km。实践表明:冻点高,低温韧性差,管接头抗弯密封性能差
结法已成为我国解决深厚冲积层凿井困难的最主
要特殊施工方法。应当指出,随着冲积层厚度的增2合理的冻结设计是防止冻结管断裂的
大,地压和水压增大,地温升高,特别是深部粘土前提
层的冻土扩展速度慢和强度低,冻结壁的蠕变位2.1冻结深度的确定
移大,对冻结凿井产生不利的影响,成为导致冻结
《矿山井巷工程施工及验收规范》第4.2.2条
管断裂、井壁破裂、井筒漏水的主要原因,轻则延规定,立井井筒的冻结深度必须深入不透水的稳
长工期和增加工程造价,重则导致透水淹井和危定岩层10m以上。当基岩下部30m左右仍有含
4及施工安全,造成重大损失。国内、外冻结凿井资水岩层时,应延深冻结深度,并宜采用差异冻结法
料表明,在深厚粘土层中都存在较为严重的冻结施工。根据国内深井冻结的实践经验,冻结进入不
管断裂问题,因此搞好深厚冲积层的冻结设计具透水基岩的深度宜考虑下列因素:①钻孔提供的
有重要的意义。
风化带深度与井筒横断面实际穿过的风化带最大
深度之间的误差,一般取2m;②钻孔偏斜或钻杆
深厚冲积层地层特点及冻结管断裂的弯曲以及泥浆沉淀等造成下冻结管深度的减少,
主要原因
按冲积层深度1%估算;③冻结段底部采用爆破
深厚冲积层的地层特点:华东地区的深厚冲时要考虑爆破对冻土松动范围的影响,按爆破松
积层具有第三系厚度大,粘性土层多且单层厚度动圈实测范围1.2~1.8m分析取值;④《矿山井巷
大、埋藏深度大、含水量低和呈半固结状、固结状工程施工及验收规范》第4.,2.26规定,冻结法施工
等特点,另根据土工试验数据、冻土抗压强度试验的井筒,冻结段的掘砌深度应比井筒的冻结深度
数据和冻土蠕变试验数据分析得出第三系深部粘浅5~8m。
土层普遍结冰点低、冻土抗压强度低、蜻变特性显2.2冻结壁厚度的设计
著均对冻结凿井产生不利的影响。
2.2.1设计指导思想
根据分析,深厚粘土层中冻结管断裂的主要
(1)冻结壁既能满足强度条件又能满足变形
原因有:①冻结壁的有效厚度和有效强度未能满条件的要求;
足强度条件和变形条件的要求;②粘土层的埋藏
(2)运用冻结壁的有效厚度、有效平均温度、
2011年第4期
刘文民,等深厚冲积层冻结井简防冻结管断裂技术
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有效强度等概念,严格控制冻结孔的终孔间距和
度
内侧径向偏值,积极冻结期和维持冻结期实行全
一按冻结壁θ边界线计算的平均温
过程低温冻结,确保深部冻结壁的有效厚度、有效
度,℃
强度和稳定性;
n一井帮冻土温度对冻结壁有效厚度
3)选取埋深最大的
砂性土层和厚粘性土层
的平均温度影响值,℃
作为冻结壁强度设计和稳定性验算的控制地层;
t一冻结盐水温度,℃;
(4)坚持冻结段不间断地施工的原则,协调
Lー计算水平的冻结孔最大间距,m;
好冻结与掘砌的关系,在确保安全条件下加快掘
E一冻结壁有效厚度,m;
砌速度,实现稳进高速;
n一计算水平的井帮土壤温度,℃;
5)坚持外层井壁短段掘砌,严格控制冻绡
△一井帮冻土温度每升高或降低1℃
壁的裸露时间和径向位移,使冻结管处在冻结壁
对冻结壁有效厚度的平均温度影响
的弹性变形区内
系数,一般取0.25~0.3,可近似取
2.2.2厚度设计公式的选取
0.27,当井帮土壤为正温时,取0。
根据国内深厚冲积层冻结壁设计经验,砂性2.2.5冻土计算强度的选取
土层和粘性土层分别按强度条件和变形条件的理
冻土计算强度(K)可直接按持久强度选取或
论公式计算。基本上是取最大埋深的砂性土层,按冻土极限抗压强度(o)除以安全系数(mo)求得,
多姆克的无限长弹塑性厚壁筒公式计算冻结壁厚在缺乏系统的冻土持久抗压强度试验资料的情况
度
下,按K=0。m的计算方法较为符合实际,并摸
E=R10.29xP-[K]+2.3x(P:LK])2
索出一定的经验,一般砂性土的m。取2.0~2.2
式中E一按强度条件计算的冻结壁厚度,粘性土的m取2.5。
国内在冻结壁厚度设计中,一直沿用50mmx
R一井简掘进半径,m;
50mm×50mm立方体冻土试件快速加载(30±5
P-计算水平的地压,MPa
的无侧限瞬时抗压强度(o,)。从1985年开始改用
K一砂性土层的冻土计算强度,MPa。国际冻土强度试验的圆柱体试件(61.8×150mm
2.2.3厚度计算基本参数的优选
和恒应变速度轴向加载方法获得的无限瞬时抗压
设计控制地层一般取冲积层底部具有代表性强度(o。),,与の。之间的一定比例关系,试验初
的主要砂性和粘性土层;设计控制地层的地压值步得出,砂性土的.=1.7~1.9o,粘性土的
律按悬浮体理论计算;冻结盐水温度一般选取1.8~2.20e。
较低的盐水温度在-32℃.~-34℃之间。
2.,2.6深部粘土展安全掘进段高验算
2.,2.4冻结壁平均温度计算
按维亚洛夫-扎列茨基的有限长塑性厚壁筒
冻结壁平均温度是确定冻土强度的基本依
式验算安全掘进段高
据,它主要取次于冻结壁厚度、冻结盐水温度、冻
H=E6/P
结孔间距、井帮冻土温度诸因素。根据《冻结法施
式中H一按变形条件计算的安全掘进段
T》等多年的试验实测研究,提出深厚冲积层冻结
壁有效厚度的平均温度等于按冻结壁0边界线计
E一按变形条件计算的冻结壁厚度
算的平均温度值与井帮冻土温度对冻结壁有效厚
度的平均温度影响值之和。
6一粘土土层的冻土持久抗压强度或
t=。+を
计算强度,MPa;
tn=a(1.135-0.352VD-0.875
P一计算水平的地压,MPa;
ー工作面冻结状态系数,掘进工作
7/199co
E0.466
而为冻实状态时取0.86
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