報告6-徐州李糧店深厚沖積層和深厚含水巖層800m凍結安全快速施工技術71-1

李糧店礦

（深厚沖積層和深厚含水巖層）800m凍結安全快速施工技術匯報人：李功洲研究員

現供職單位：國投煤炭有限公司主要匯報內容一、問題的提出二、項目研究的關鍵技術三、主要創(chuàng)新點四、主要技術經濟指標和經濟效益五、與國內外同類先進項目對比六、推動技術進步的作用和推廣效果一、問題的提出李糧店礦主、副井筒穿過近500m深厚沖積層和＞250m深厚含水巖層（簡稱“雙深厚地層”），凍結深度分別為772m、800m，為目前我國最深、國內外連續(xù)凍結段長度最大的凍結井。雙深厚地層廣泛分布河南、安徽、山東、寧夏等地區(qū)，而對于雙深厚地層全井深凍結設計、井壁設計和快速施工理論和技術國內外均沒有成熟的經驗可供借鑒。研究解決類似地層的凍結法鑿井安全快速施工技術具有重要的理論和現實意義。難題2：凍結孔布置方式和工藝難題1：凍結壁厚度設計方法凍結壁設計與實施一、問題的提出雙深厚地層凍結法鑿井存在的主要問題是：全井深凍結壁的設計與實施，全井深井壁結構形式和設計兩類問題。問題之一難題3：實現凍結和掘砌施工中的協(xié)同、安全、快速施工問題之二井壁結構形式和設計難題4：井壁的結構形式與設計現狀及局限：以往針對沖積層下部少量含水巖層沿用沖積層凍結法鑿井理論和技術，成本高，速度慢，且容易發(fā)生凍結管斷裂事故。用于雙深厚地層成本更高，難以承受，如果發(fā)生斷管事故，將是災難性的。難題1凍結壁厚度計算方法一、問題的提出難點：需要解決雙深厚全井深凍結壁厚度設計計算方法現狀及要求：傳統(tǒng)思路片面強調過低井幫溫度，井心凍實，實施速度慢、效率低下。需要創(chuàng)新，實現沖積層段凍結壁淺部不片幫、深部凍土挖掘量?。ㄋ追Q“吃溏心”），且外層井壁不壓壞、凍結管不斷裂，經濟、安全施工。難題2凍結孔布置方式和工藝一、問題的提出難點：要研究解決沖積層和基巖段凍結孔垂直空間協(xié)同布置理論和應用技術現狀及局限：以往對凍結壁形成狀況的工程預報和調控停留在根據工程實測數據進行圖解分析或數值模擬，缺少對凍結壁形成特性基本規(guī)律的定量、精細化分析，準確性、實時性差。難以實現預期效果和深井凍結需要。（該快的不快，該慢的沒有慢，盲目，不安全）。難題3一、問題的提出難點：要創(chuàng)新凍結壁形成特性定量、精細化預測預報方法。解決“精、準、快”。實現凍結和掘砌施工中的協(xié)同、安全、快速現狀：現有深井凍結常用的雙層井壁結構和設計方法，基巖段井壁過厚，應用成本高，速度慢，實施困難。而按普通鑿井僅考慮基巖地壓的井壁設計又很難實現井壁封水功能。難題4一、問題的提出難點：要研究解決適于雙深厚地層凍結鑿井井壁結構形式和設計方法井壁的結構形式與設計當混凝土最高強度等級為C70，主、副井凍結井壁厚度將分別超過1.6m和2.3m，深部基巖段井壁厚度將分別超過1.9m和2.6m。增加投資、工期。二、項目研究的關鍵技術2.1雙深厚地層凍結壁設計計算體系及應用2.2雙深厚地層全井深凍結井壁結構2.3凍結壁形成特性精細化研究與工程預報、調控2.4全井深安全快速施工研究提出多姆克公式、維亞洛夫——扎列茨基公式分別計算砂性土和基巖、粘性土凍結壁厚度，最終確定凍結壁厚度的設計理念。

凍結壁厚度計算公式的確立2.1雙深厚地層凍結壁設計計算體系及應用但是應用多姆克、維亞洛夫——扎列茨基公式的相關參數必須以多圈孔為邊界條件來確定。設計體系：研究提出基于多姆克、維亞洛夫——扎列茨基公式分別計算砂性土控制層和基巖、粘性土控制層凍結壁厚度、互為驗證、最終確定凍結壁厚度的設計理念。但是應用多姆克、維亞洛夫——扎列茨基公式的相關參數必須以多圈孔為邊界條件來確定。多姆克：E—凍結壁厚度，cm；Ra—井筒掘進半徑，cm；K—持久抗壓強度，MPa；P—計算深度的地壓，MPa。維亞洛夫——扎列茨基：h—安全掘進段高，cm；E—凍結壁厚度，cm；P—計算深度的地壓，MPa；σs—凍土持久抗壓強度，MPa；η—工作面凍結狀態(tài)系數。2.1雙深厚地層凍結壁設計計算體系及應用2.1雙深厚地層凍結壁設計計算體系及應用基于長期凍結壁溫度場實測和理論研究，提出多圈孔凍結壁平均溫度計算公式，并成功應用于800m深井凍結設計。凍結壁平均溫度計算公式（關鍵參數）或——主孔內側增設防片幫孔或輔助孔（雙圈孔）凍結時凍結壁有效平均溫度計算公式：——主孔內側增設防片幫孔和輔助孔（三圈孔）凍結時凍結壁有效平均溫度計算公式：（四圈孔）凍結壁平均溫度

根據工程實測、模型試驗、理論計算等成果綜合分析，認為深厚沖積層可以應用改進的成冰公式計算。單圈孔2.1雙深厚地層凍結壁設計計算體系及應用表達式中的符號符號意義tc按單圈孔凍結壁有效厚度計算的平均溫度，℃t0c按凍結壁0℃邊界計算的平均溫度，℃te井幫凍土溫度對凍結壁有效厚度的平均溫度影響值，℃tb凍結鹽水溫度，℃L凍結孔間距，mE凍結壁厚度，mtn計算水平的井幫凍土溫度，℃Δ井幫凍土溫度每升高或降低1℃對凍結壁有效厚度的平均溫度影響系數=0.25~0.3，根據實踐經驗可近似取Δ=0.3。當井幫土壤為正溫時，Δ取0Tcf主凍結孔內側增設輔助凍結孔的凍結壁有效厚度平均溫度，℃tf主凍結孔與內側輔助孔之間部位對凍結壁有效厚度平均溫度的影響值，當輔助孔與主凍結孔開間距的比例為1、2、3時，可取-2.5～-3.5℃、-1.5～-2.5℃、-1.0～-1.5℃S輔助孔圈與主孔圈之間的距離，mE1、E2分別為主凍結孔外側、輔助孔內側凍結壁厚度，mts輔助孔與主凍結孔之間部位的凍結壁平均溫度，℃tcny主凍結孔內、外側均增設輔助孔凍結時的凍結壁有效厚度平均溫度，℃tfy主凍結孔與外側輔助孔之間部位對凍結壁有效厚度平均溫度的影響值，℃，計算方法同tfn研究得出計算公式中砂性凍土強度取值安全范圍。凍土安全強度取值（關鍵參數）圖1砂性凍土強度（K）與凍結壁平均溫度（tc）的關系2.1雙深厚地層凍結壁設計計算體系及應用研究提出深井多圈孔布置圈數確定原則，并提出各圈圈徑計算公式。研究提出主凍結孔布置在最外側、其內側增設輔助凍結孔和防偏幫孔的三圈孔布孔方式作為800m深厚沖積層、深厚含水巖層凍結孔布孔模式。凍結孔布孔方式的確定2.1雙深厚地層凍結壁設計計算體系及應用主孔內側同時增設輔助孔圈與防片幫孔圈主孔內側只增設防片幫孔圈防片幫凍結孔主孔內、外側均增設輔助孔圈主孔內側增設輔助孔圈與防片幫孔圈輔助凍結孔主孔內、外側均增設輔助孔圈主孔內側增設輔助孔圈與防片幫孔圈單圈孔主凍結孔計算公式布孔方式凍結孔圈凍結孔布置圈直徑計算方法表1李糧店礦凍結方案設計主要技術指標匯總表序號參數名稱單位主井副井1井筒凈直徑mФ5.0Ф6.52井壁最大厚度m1.51.853井筒最大荒徑mФ8.1Ф10.34沖積層深度m479.2481.495凍結鹽水溫度℃-28～-32-28～-326控制層位凍結壁平均溫度℃-15-157凍結深度m7728008需要凍結壁厚度m7.09.09外圈主凍結孔深度m772/526800/52510布置直徑mФ18.0Ф24.211孔數個21/2128/2812開孔間距m1.3461.35813凍結管規(guī)格mmФ159Ф1592.1雙深厚地層凍結壁設計計算體系及應用現場應用14中圈輔助凍結孔深度m518520/49515布置直徑mФ13.0Ф17.8/Ф15.316孔數個1416/1617開孔間距m2.9173.495/3.00418凍結管規(guī)格mmФ133/Ф159(300m上/300m下)長腿Ф133/Ф159(300m上/300m下)短腿Ф13319內圈防片凍結孔深度m405/225395/21520布置直徑mФ11.5/Ф9.8Ф13.5/Ф11.521孔數個7/78/822開孔間距m5.161/4.3985.301/4.51623凍結管規(guī)格mmФ127Ф12724總凍結孔數/延米個/m70/38920104/576102.1雙深厚地層凍結壁設計計算體系及應用現場應用表1李糧店礦凍結方案設計主要技術指標匯總表（續(xù)）2.1雙深厚地層凍結壁設計計算體系及應用現場應用圖2-2李糧店副井凍結管布置平、剖示意圖圖2-1李糧店主井凍結管布置平、剖示意圖圖3李糧店主井、副井凍結鉆孔偏斜投影圖2.1雙深厚地層凍結壁設計計算體系及應用副井主井現場應用設計研究提出李糧店礦800m深井凍結段井壁組合結構型式：（1）沖積層、基巖風化帶的筒形壁座以上部位采用鋼筋混凝土塑料夾層雙層井壁結構；（2）筒形壁座以下部位采用單層混凝土井壁結構2.2雙深厚地層全井深凍結井壁結構沖積層段設計混凝土最高強度等級C80，井壁最大厚度分別為1500mm和1850mm，比以往雙層井壁混凝土最高強度等級C70井壁最大厚度分別減薄300mm和350mm。基巖段較用以往設計理論減薄1250mm～1500mm。單層混凝土井壁段長分別達194.5m和251.5m。實施效果結構簡單、安全可靠、經濟合理。2.2雙深厚地層全井深凍結井壁結構現場應用表3李糧店主井全井深凍結井壁結構序號起止深度/m段長/m荒徑/m井壁厚度/mm混凝土標號內層外層內層外層10~886.8900臨時磚墻28~1201126.8500400C40C403120~2201006.8500400C50C504220~300807.4600600C60C705300~4001007.4600600C70C706400~5541548.0700800C80C807554~569158.01500C808569~579106.8900（過渡段）C609579~755.5（實際763.5）176.56.2600C502.2雙深厚地層全井深凍結井壁結構現場應用

表4李糧店副井全井深凍結井壁結構序號起止深度/m段長/m荒徑/m井壁厚度/mm混凝土標號內層外層內層外層10~888.51000臨時磚墻28~1201128.5500500C40C403120~210908.5500500C50C504210~300909.4750700C60C605300~350509.4750700C70C706350~390409.4750700C75C757390~4506010.2900950C75C758450~5227210.2900950C80C809522~5371510.21850C8010537~547108.51000（過渡段）C6011547~780.5（實際788.5）233.57.8650C502.2雙深厚地層全井深凍結井壁結構現場應用圖5李糧店主、副井全井深凍結井壁結構示意圖副井主井設計應用2.2雙深厚地層全井深凍結井壁結構基于長期對凍結工程預測預報研究與實踐。研究提出單孔凍土、單圈孔凍結壁、各孔圈之間凍土交匯成整體凍結壁的內側及外側擴展速度的全新量化計算公式；研發(fā)了《凍結壁形成特性分析軟件》（自主知識產權）；創(chuàng)建了凍結壁形成特性綜合分析方法（發(fā)明專利），實現對工程參數即時、定量、精細化預測預報。2.3凍結壁形成特性精細化研究與工程預報、調控①單孔凍土擴展速度影響因子和計算公式Vd=0.007αβκФVo②單圈孔凍結壁平均擴展速度影響因子和計算公式Vb=aTbLchfФVd③凍結壁內側、外側的凍土擴展速度影響因子和計算公式Vbn=mnVb；Vbw=mwVb④相鄰凍結孔圈之間凍土交匯成整體凍結壁的內側、外側擴展速度影響因子和計算公式V’bn=V1bn+n11V1bw+n21V2bn

；V’bw=V2bw+n12V1bw+n22V2bn

凍結壁形成特性基本規(guī)律計算公式2.3凍結壁形成特性精細化研究與工程預報、調控凍結壁形成特性分析軟件2.3凍結壁形成特性精細化研究與工程預報、調控圖3《凍結壁形成特性分析軟件》主要功能及分析計算程序框架圖2.3凍結壁形成特性精細化研究與工程預報、調控凍結壁形成特性綜合分析方法由《凍結壁形成特性分析軟件》和圖解法組成凍結壁形成特性計算體系。對工程實測資料加以綜合分析計算，對凍結工程進行預報、驗證工程預報的凍結壁形成特性參數和調整影響因子，建立綜合計算、工程預報與調整的分析方法，即凍結壁形成特性綜合分析方法，為凍結段安全快速施工提供科學依據。李糧店礦主井凍結壁形成特性工程預報實測結果工程預報編號時間/月.日掘砌深度/m預測掘砌時間/月.日凍結時間/d土層性質主圈回路鹽水溫度/℃中內防片圈回路鹽水溫度/℃主圈最大成孔間距/mm掘進荒徑/m井幫溫度/℃主凍結孔外側主凍結孔內側有效厚度/mm凍結壁有效厚度/mm凍結壁平均溫度/℃實測時間/月.日實測井幫溫度/℃預測誤差/℃分析說明擴展范圍/mm有效厚度/mmNo.56.13-4206.26168砂質粘土-30-3022888.1-4.82280188049506830-14.06.21-4.1-0.7No.67.8-4787.12184砂質粘土-30-3022568.1-7.22390199049506940-15.07.10-6.7-0.5No.78.23-549m壁座以下9.6240砂質泥巖-253400~36006.2-3.52840208059007980-8.99.5-1.1-2.4井幫暴露時間過長9.21255砂質泥巖-253400~36006.2-5.52920216059008060-9.59.24-5.7+0.210.6270砂質泥巖-253400~36006.2-7.52990223059008130-10.110.5-9.5+2實測地層為細粒砂巖表5李糧店礦主井粘性土層及泥巖凍結壁形成特性主要指標的工程預報與實測結果（部分）現場應用設計凍結壁厚7.0m，平均溫度-15℃李糧店礦副井凍結壁形成特性工程預報實測結果工程預報編號時間/月.日掘砌深度/m預測掘砌時間/月.日凍結時間/d土層性質主圈回路鹽水溫度/℃中內防片圈回路鹽水溫度/℃主圈最大成孔間距/mm掘進荒徑/m井幫溫度/℃主凍結孔外側主凍結孔內側有效厚度/mm凍結壁有效厚度/mm凍結壁平均溫度/℃實測時間/月.日實測井幫溫度/℃預測誤差/℃分析說明擴展范圍/mm有效厚度/mmNo.55.7-390m以下6.21194粘土-30-30221110.3-6.52466206669509016-13.96.27-5.5-1.0預測井幫溫度較低套壁期間控制凍結隨后分析調整影響因子7.1204粘土-30-30221110.3-8.32543214369509093-14.67.3-6.3-2.0No.67.9-4707.25228砂質粘土-30-30225010.3-7.42650207069509020-14.97.27-6.8-0.8No.810.26-59611.1327砂質泥巖-2745007.88.42950295057408690-6.910.317.0+1.4實測巖層性質有差異-65211.15341砂質泥巖-2745007.87.12960296060409000-6.911.115.5+1.6-71211.30356砂質泥巖-2745007.85.72970297063609330-6.6No.912.177012.14370砂質泥巖-2745007.82.029802980736010340-7.1表6李糧店礦副井粘性土層及泥巖凍結壁形成特性主要指標的工程預報與實測結果（部分）現場應用設計凍結壁厚9.0m，平均溫度-15℃圖9李糧店主井、副井粘性土層及巖層井幫溫度實測曲線（達到預期，上部不片幫、下部少挖凍土，永吃溏心）主井副井現場應用李糧店主井凍結240d凍結壁有效厚度變化總圖（糖心）2.4全井深安全快速施工制定合理開挖時間井筒水平設計預測交圈天數實際交圈天數偏差主井-130M43d43d0-265M49d小于51d2-385M57d小于60d3副井-130M50d50d0-247M61d60d1-387M61d58d3現場決策：55d正式開挖；67d正式開挖。2.4全井深安全快速施工掘砌深度/m0~3030~335335~375.2375.2~479479~763.5掘砌段高/m2.542.52.54主井施工掘砌段高調控狀況

副井施工掘砌段高調控狀況

掘砌深度/m0~3030~315315~393393~420420~481.5481.5~788.5掘砌段高/m2.542.542.54.5控制凍結壁裸露時間、適時調控安全掘砌段高2.4全井深安全快速施工安全快速施工效果主井各施工部位工期和施工速度施工部位施工段長度/m工期/d平均速度/m/月最高速度/m/月雙層井壁外壁504122123.9205.5內壁、壁座54150324.6393.4原設計單層井壁206.551121.5延深段82120井筒763.5225101.8（成井速度）施工部位施工段長度/m工期/d平均速度/m/月最高速度/m/月雙層井壁外壁49214899.7187.7內壁51271216.3288.8壁座和原設計單層井壁260.58690.9延深段8380.0井筒788.530876.8（成井速度）副井各施工部位工期和施工速度李糧店主副井凍結深度772m、800m，具有沖積層近500m和含水巖層＞250m的雙深厚地層特點，為目前我國最深、國內外凍結段長度最大的凍結井，創(chuàng)下質量優(yōu)良、安全、快速（新紀錄）的優(yōu)異成績。創(chuàng)新點1（總體實施效果）三、主要創(chuàng)新點經中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的有關院士、專家鑒定，認為：成果達到國際領先水平。首次研究提出深厚沖積層和深厚含水巖層的800m深井凍結壁設計計算方法，并成功應用，解決了800m深井凍結壁設計難題；采用三圈孔布孔方式，并與差異凍結、異徑凍結相結合，解決了800m深井凍結孔布置難題，科學合理，經濟，安全，過程可調控。三、主要創(chuàng)新點創(chuàng)新點2首次研究應用了井筒筒形壁座以上采用鋼筋混凝土塑料夾層雙層井壁結構和筒形壁座以下采用混凝土單層井壁結構的深凍結井井壁組合結構形式，井壁混凝土最高強度等級達C80，解決了800m深井凍結井筒井壁支護設計和應用難題。三、主要創(chuàng)新點創(chuàng)新點3研究提出了單孔凍土、單圈孔凍結壁、多圈孔各孔圈之間凍土交匯成整體凍結壁的內側及外側擴展速度計算公式，創(chuàng)建凍結壁形成特性綜合分析方法。解決了凍結壁形成過程特性參數快速、定量分析、精細化進行工程預測預報難題，科學指導了施工。實現了上部不片幫、下部少挖凍土。保障了安全、快速施工。創(chuàng)新點4三、主要創(chuàng)新點四、主要技術經濟指標和經濟效益實現800m深井凍結無斷管、無井壁破壞事故、質量優(yōu)良，安全施工，凍結鑿井平均成井速度達到101.8m/月（創(chuàng)全國凍結段成井最新記錄）。井筒已竣工3年多，安然無恙。指標、效益1四、主要技術經濟指標和經濟效益主井凍結孔總數70個，鉆孔工程量38920m。副井凍結孔總數104個，鉆孔工程量57610m。主、副井井壁最大厚度分別為1500mm和1850mm，保證強度和安全前提下，減薄18.9%~20%。節(jié)約直接經濟效益5741萬元，節(jié)省投資16920萬元。指標、效益2僅李糧店主副井工程應用成果節(jié)約費用22661萬元。五、與國內外同類先進項目對比未查到國外連續(xù)凍結800m施工的文獻報道。與國內已竣工的深井凍結（

≥650m）比較，見下表。序號

項目名稱

龍固副井

郭屯主井

口孜東主井口孜東副井口孜東回風井李糧店主井李糧店副井1井筒凈直徑/m7.05.07.58.07.55.06.52井壁最大厚度m2.275*2.3252.452.552.601.51.853井壁設計最高標號

C70C70C75C75C75C80C804沖積層m567.7587.4568.45571.95573.2479.2481.55凍結孔最大深度/m6507027376176267728006凍結壁厚度/m11.511.011.512.511.57.09.07凍結孔布置圈數及孔數/個三圈108四圈121四圈156四圈168四圈158三圈70三圈1048凍結孔工程量/m635787432892778931598955338920582209井