1概述1.1600~800m沖積層的特點1.2通過600~800m沖積層建井的方法1.3凍結法鑿井的現狀1.4鉆井法鑿井的現狀1.5小結返回目前一頁\總數五十七頁\編于二十一點1.1600~800m沖積層的特點山東巨野、單縣，安徽碭山，河南周口，河北廊坊等地，煤層上有>600~800m厚的沖積層。沖積層的主要特點為：厚度大：>570m(龍固),>571m(世界)第三系地層厚:500m～650m,其中粘土層含水量低,具強膨脹性地溫高：37℃~39℃,冷量需求大，凍結壁發展慢多具有特殊的工程地質和水文地質條件：沖積的水位會因采煤而下降,地層會發生沉降。返回目前二頁\總數五十七頁\編于二十一點1.2通過600~800m沖積層建井的方法可靠的方法：凍結法鉆井法值得開發的新方法：中心島式鉆井法中心島式凍結法帷幕-凍結復合方法返回目前三頁\總數五十七頁\編于二十一點1.3凍結法鑿井的現狀——國外1883年德國工程師波茨舒發明凍結法。前蘇聯創造凍結沖積層厚度世界紀錄:571m。英國創造凍結深度世界紀錄:930m最大掘進直徑:10.5m最大井壁厚度:2.25m主要使用凍結法鑿井國家的最大凍結深度國名英國加拿大波蘭蘇聯比利時德國法國中國荷蘭最大凍結深度,m930915860800638628550650338其中沖積層厚度,m<100<100<350<350<200<350<300570<300目前四頁\總數五十七頁\編于二十一點1.3凍結法鑿井的現狀——國外序號國別井筒名凈徑/m沖積層厚度/m1蘇聯雅可夫列夫鐵礦箕斗井6.05712蘇聯雅可夫列夫鐵礦罐籠井5713蘇聯雅可夫列夫鐵礦風井5714比利時候泰靈井4.995405德國維爾德風井6.05406德國索菲亞·雅可巴8號井4.0543.5

7德國萊茵貝格井7.5<510國外沖積層深度超過500m的凍結井筒

目前五頁\總數五十七頁\編于二十一點1.3凍結法鑿井的現狀——國內國內：1955年在開灤林西風井首次采用已施工立井550多個,總延米達120km以上最大凍結深度:777m最大沖積層厚度:587.5m最低鹽水溫度:-38℃設計最低凍結壁平均溫度:-25℃凍結孔圈數最多4圈,120根凍結左右最大凍結井壁厚度:2.4m最大凍結壁厚度:12m井壁混凝土設計最高強度:C80(郭屯副井)井壁混凝土實際達到最高強度:C100(龍固副井)采用內層可縮井壁結構預防生產期間井壁破裂目前六頁\總數五十七頁\編于二十一點1.4鉆井法鑿井的現狀——國外1854年德國人欽德采用沖擊鉆機成功鉆井1871年德國人霍尼曼發明了旋轉式鉆機國外最大鉆井直徑為8.8m美國核試驗井最深達1829m（φ1.8m）。目前七頁\總數五十七頁\編于二十一點1.4鉆井法鑿井的現狀——國內1969年淮北朔里煤礦南風井首次鉆井已施工80個井筒最大鉆井直徑為10.8m煤礦最大鉆井深度為584.1m在其它方面，鉆深約1000m（φ3m）目前八頁\總數五十七頁\編于二十一點1.4鉆井法鑿井的現狀——國內AS9/700豎井鉆機

L40/1000豎井鉆機

目前九頁\總數五十七頁\編于二十一點新立井鉆井機性能大幅提高2.鉆井機1.4鉆井法鑿井的現狀——國內目前十頁\總數五十七頁\編于二十一點2.鉆井機1.4鉆井法鑿井的現狀——國內目前十一頁\總數五十七頁\編于二十一點2.鉆井機1.4鉆井法鑿井的現狀——國內目前十二頁\總數五十七頁\編于二十一點2.鉆井機1.4鉆井法鑿井的現狀——國內目前十三頁\總數五十七頁\編于二十一點1.5小結對我國凍結法鑿井技術的評價：已基本掌握過600m表土層凍結法鑿井技術基礎研究嚴重滯后于工程，“基礎不牢，底子不厚”事故頻發：凍結管斷裂井壁開裂對我國鉆井法鑿井技術的評價：已接近全面掌握鉆600m深大直徑井筒的鉆井法鑿井技術鉆機制造技術已有長足進步鉆機鉆表土效率仍要提高,鉆巖石能力仍較差返回目前十四頁\總數五十七頁\編于二十一點2800m沖積層凍結法鑿井技術前瞻2.1凍結法鑿井面臨的技術難度2.2凍結法鑿井的技術問題2.3凍結孔鉆進問題2.4制冷與凍結問題2.5凍結井壁問題2.6凍結壁問題2.7小結返回目前十五頁\總數五十七頁\編于二十一點2.1凍結法鑿井面臨的技術難度面臨的建井技術的難度:表土深度:超過世界紀錄229m;表土地質條件的復雜性:世界第一表土地溫:世界第一凍結掘進直徑:世界第一，12.5m無合適的理論公式可用國內外均無經驗可供借鑒返回目前十六頁\總數五十七頁\編于二十一點2.2凍結法鑿井的技術問題“二壁一鉆一機”問題:“一鉆”是指凍結孔(豎直孔,定向孔)鉆進技術與設備.已突破 郭屯煤礦,國產鉆機,靶域半徑0.7m，702m深凍結孔,平均效率約2400m/臺月“一機”是指大容量制冷技術與設備。螺桿機制冷量>100萬大卡/h,鹽水溫度已達-40

℃,更低溫度大容量制冷技術與設備待突破.“二壁”是指凍結壁理論與技術和井壁理論與技術,涉及深部土的力學特性、人工凍土力學特性等基礎理論問題和介質與結構相互作用等基礎理論問題，也涉及材料、荷載、結構、設計、施工等等問題,待突破。返回目前十七頁\總數五十七頁\編于二十一點2.3凍結孔鉆進問題不管是豎直孔還是定向孔,鉆進技術與設備均已突破.石油:豎孔7000m深,水平孔11000m,靶域半徑0.5m煤礦凍結:豎孔702m深,靶域半徑0.8m煤礦注漿:豎孔1000m深,“S”形定向孔常用深1000m凍結孔鉆進技術已突破!

返回目前十八頁\總數五十七頁\編于二十一點2.4制冷與凍結問題—-20℃凍結粘土強度目前十九頁\總數五十七頁\編于二十一點2.4制冷與凍結問題—-20~-40℃凍結粘土強度隨溫度下降強度線性增大!增長率:0.38/℃800m處水平地壓:10.40MPa豎直地壓:16.80MPa>-25℃時凍結壁全部處于塑性狀態目前二十頁\總數五十七頁\編于二十一點2.4制冷與凍結問題—凍土強度與凍結壁厚度目前二十一頁\總數五十七頁\編于二十一點2.4制冷與凍結問題—降低鹽水溫度是合理選擇要提高原位人工凍土的強度→降低鹽水溫度鹽水:-35℃，凍結壁平均溫度只達到-24℃,顯然不能滿足要求。鹽水溫度宜低于-42℃,凍結壁的平均溫度可達到-30℃。凍土單軸抗壓強度可達12MPa以上,可合理地減小凍結壁的厚度，從而減小凍結費用。800m沖積層凍結法鑿井必然面臨低溫凍結問題制冷機冷媒劑凍結管材目前二十二頁\總數五十七頁\編于二十一點制冷現用制冷機改造高效板式換熱器復迭式制冷機短時采用干冰或液氮冷卻冷媒劑析冰,析鹽問題加乙二醇凍結管材現管材(20號鋼)專用管材(Dr09,A333GR1和A333GR6低溫管)開展“-45℃低溫凍結及配套技術的研究”

返回2.4制冷與凍結問題—小結目前二十三頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題2.5.1簡述2.5.2外載2.5.3結構2.5.4材料2.5.5小結返回目前二十四頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—簡述井壁:安全、密封、耐久井壁受力認識:受水平地壓、凍結壓力→溫度應力→約束應力→開采引起表土層沉降→開采引起的不均勻地層變形作用井壁結構發展四個階段:單層井壁→雙層井壁→帶夾層的復合井壁→滑動井壁、滑動可縮井壁、可縮井壁。涉及:荷載、材料、結構、工藝返回目前二十五頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—凍結壓力570m深度內已初步掌握超過570m深度，對凍結壓力變化規律的研究在國內外均是空白。凍結壓力如何取值?p=0.012H?p=0.011H?p=0.013H?據龍固副井實測,建議取p=0.0115H目前二十六頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—融沉附加壓力確定融沉附加力：概念：凍結壁融沉時土施加于井壁的豎直附加力大小：據礦大研究,300m深處達20~80kPa影響：對井壁的安全可能構成危害350m深度內已初步掌握最大20~80kPa超過350m深度對融沉附加力變化規律的研究在國內外均是空白。融沉是否會導致井壁破壞?如何防止?目前二十七頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—國內出現的井壁破裂災害國內(1987-):淮北礦區宿縣礦區大屯礦區徐州礦區兗州礦區濟寧礦區永夏礦區東榮礦區棗莊-騰州礦區91個(凍結78個鉆井13)井壁(估計要壞200個以上)目前二十八頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—疏水附加壓力?疏水豎直附加力變化規律研究（土與井壁的相互作用）概念：土層疏水沉降時施加于井壁上的力大小：據礦大研究,300m深處可達100kPa以上影響：對井壁的安全構成危害，

91個井壁破裂，損失慘重！！疏水附加力是井壁破裂的禍首350m以內，已研究350m以上?疏水附加力“宜讓不宜抗”——采用豎向可縮井壁結構，限制其增長立足于“防”，“修”很難應用可縮井壁結構，如何設計、施工？返回目前二十九頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—現行凍結井壁的平面結構現行凍結井壁平面結構要求:安全、密封、耐久組成:內壁,(夾層),外壁,(充填層)材料:單一或復合,如內壁=鋼板+砼原則:適應工況與荷載合理的平面結構與材料研究外壁結構=弧板+混凝土+充填層？內壁結構=（鋼板、弧板）+混凝土？內外層間材料？地層充填層外壁夾層內壁凍結井壁平面結構示意圖目前三十頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—凍結井壁豎向結構合理井壁的豎向結構研究井壁材料必沿深度變化!井壁沿深度如何合理分段?井壁必受附加力作用!采用何種結構適應附加力?夾層不處理必導水！如何阻斷夾層的導水通豎向可縮井壁研究：可縮裝置的形式、布置位置可縮裝置的力學特性可縮裝置的耐久性地表基巖以下略11123467891051-充填層；2-現澆砼外壁；3-塑料板；4-止水圈；5-弧板外壁；6-高強弧板外壁；7-現澆砼內壁；8-可縮接頭；9-單鋼板砼內壁；10-雙鋼板砼內壁;11-井筒中心線凍結井壁縱向結構示意圖目前三十一頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—凍結井壁結構創新井壁夾層材料創新原來用塑料板，要壁間注漿現在要不用塑料板并免無去壁間注漿井壁結構創新原來為雙層復合井壁現在要研究防水的單層井壁返回目前三十二頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—井壁材料-鋼筋混凝土雙層鋼筋砼井壁厚度估算假設：1)內壁受1倍深度水壓和自重作用，按雙向受壓計算；結構重要性系數為1.2，荷載分項系數為1.35。2)外壁受等于1.2倍深度水壓的凍結壓力作用，按單向受力計算；結構重要性系數為1.00，荷載分項系數為1.05。3)環向配筋率為0.6%，三級鋼筋。目前三十三頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—井壁材料-鋼筋混凝土目前三十四頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—井壁材料-鋼板混凝土雙層內鋼板素混凝土凍結井壁，假設：1)內壁受1倍深度水壓和自重作用，按雙向受力計算；結構重要性系數為1.2，荷載分項系數為1.35。2)外壁受等于1.2倍深度水壓的凍結壓力作用，按單向受力計算；結構重要性系數為1.0，荷載分項系數為1.05。3)內、外壁均采用素混凝土(便于考察用鋼量)，暫不考慮約束混凝土效應。4)鋼板均位于內、外壁的內緣，豎向為螺栓聯接。5)凈直徑7m，內、外壁厚度均為1000mm。目前三十五頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—井壁材料-鋼板混凝土目前三十六頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—井壁材料從中可以看出：井壁的用鋼量是很大的，為減小用鋼量，在井壁中采用C90以上的高強混凝土是必要的。必須指出的是：鋼板放在井壁的內側是最省鋼材的做法，實際上受施工工藝所限鋼材可能分散于半徑方向上，這時鋼材用量會更大。為進一步減小井壁厚度，有必要對我國的凍結井壁結構進行改革，采用單層井壁結構，或考慮內外壁“先分后合”的結構。目前三十七頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—井壁材料-鋼板混凝土為對單層井壁的用鋼量進行考察，假設：1)井壁受等于1.3倍深度水壓的永久水平地壓作用，按單向受力計算；結構重要性系數為1.2，荷載分項系數為1.35。2)均采用素混凝土(便于考察用鋼量)，暫不考慮約束混凝土效應。3)鋼板均位于井壁的內緣，豎向為螺栓聯接。4)井筒凈直徑7m，井壁總厚度1300mm。目前三十八頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—井壁材料-鋼板混凝土目前三十九頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—井壁材料即使采用C100混凝土，在800m深處主、鋼板的厚度分別要達到170mm。厚鋼板焊接難，占用時間長宜采用鋼骨混凝土井壁或鑄鋼（鐵）弧板混凝土井壁、或高強鋼纖維混凝土井壁。目前四十頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—井壁材料-鋼纖維混凝土對高強鋼纖維單層井壁厚度進行考察，假設：1)井壁受等于1.3倍深度水壓的永久水平地壓作用，按單向受力計算；結構重要性系數為1.2，荷載分項系數為1.35。2)均采用高強鋼纖維混凝土，不用考慮脆性折減系數，無鋼筋。3)井筒凈直徑7m，計算深度為800m。返回目前四十一頁\總數五十七頁\編于二十一點2.5凍結井壁問題—小結凍結井壁結構創新單層防水凍結井壁研究單層凍結井壁豎向可縮裝置研究內、外壁“先分后合”的新型凍結井壁結構鋼骨約束混凝土井壁結構預應力混凝土井壁結構凍結井壁材料創新C130高強鋼纖維混凝土研究C100自流平混凝土研究進一步發展雙層復合井壁雙層內鋼板混凝土井壁雙層弧板混凝土井壁開發新的井壁施工工藝井下惡劣環境下C100~C130混凝土和鋼纖維混凝土施工工藝弧板、鋼板、鋼骨預應力混凝土井壁施工工藝返回目前四十二頁\總數五十七頁\編于二十一點2.6凍結壁問題2.6.1基本認識2.6.2外載和材料特性2.6.3凍結壁厚度估算2.6.4凍結管數量估算2.6.4凍結溫度場分析2.6.6凍結方案優化2.6.7局部凍結技術2.6.8防止凍結管斷裂理論與技術2.6.9凍結壁小結返回目前四十三頁\總數五十七頁\編于二十一點2.6凍結壁問題—基本認識對凍土壁計算的基本認識實際凍土墻的特性是一個非均質、各向異性的非線性體。隨著土、水壓力的逐漸增大，由彈性體、粘彈性體向粘彈塑性體過渡；沿深度看，厚度不等。理想化的模型均質、各向同性、等厚板；均質、各向同性、等厚筒。數值計算前提凍土墻溫度場的分布，平均溫度；人工凍土的力學性質(強度、本構關系，力學參數等)；荷載；幾何參數（深度！）掘砌參數和條件（含時間、支護與凍土墻的相互作用）目前四十四頁\總數五十七頁\編于二十一點2.6凍結壁問題—基本認識人工凍土試驗與實際條件的差異試驗:重塑土、無壓凍結、加載應力路徑；實際:原位有壓凍結,應力路徑復雜(加、卸載)。凍結深度越深，二者差異越大！！水平外載（土壓力）開挖前，因水平凍脹而大于靜止土壓力；開挖后，因凍結壁向臨空面移動，土壓力減小。主動土壓力≤水平外載≤被動土壓力礦山工程中取為0.013H目前四十五頁\總數五十七頁\編于二十一點2.6凍結壁問題—基本認識凍土力學性質與溫度和時間有密切關系是溫度場與力學場耦合問題，各點的參數與其溫度相關，應按耦合場計算；流變效應必須充分予以考慮（時間強化與應力強化）。必考慮支護結構與凍結壁的相互作用可合理減薄凍結壁；支護結構應有一定的讓壓特性。目前四十六頁\總數五十七頁\編于二十一點2.6凍結壁問題—基本認識凍結壁與地層的相互作用規律凍結壁外載（水平、豎向）變化規律研究開挖前，凍結鋒面上水平凍脹與豎直凍脹開挖后，凍結鋒面上水平地壓減小？凍結壁溫度變形（應力）研究先以水結冰凍脹為主，后以冷縮變形為主，約20℃溫差）凍結壁內水分遷移與凍脹應力場變化規律封閉水體會產生多大的壓力？積蓄多少應變能凍結壁與井壁的相互作用規律凍結壓力變化規律與凍結壁強度,p、段高、時間、土性、井壁等有關取經驗值,有時Pd>p,國外實測最大Pd=0.0154H!!!凍結壁應力、應變及位移變化規律外層井壁應力、應變及位移變化規律目前四十七頁\總數五十七頁\編于二十一點2.6凍結壁問題—基本認識凍土的設計強度取值問題鋼筋砼結構中，設計強度與試塊強度間的關系已建立凍結壁結構中，設計強度與試塊強度間的關系未建立凍土具有流變性，如何根據試塊的強度來定設計強度?

凍結壁中凍土的平均強度取值問題做法：取為平均溫度下的強度，偏于不安全！規律：凍土強度隨溫度降低而增加，增長率漸小原因：平均溫度下的凍土強度＞凍土的平均強度凍土的平均強度如何取值？返回目前四十八頁\總數五十七頁\編于二十一點2.6凍結壁問題—外載和材料特性凍結壁的外載可暫按永久地壓取為0.013H-20℃~-40℃凍結壁材料特性尚缺乏研究：用重塑土進行試驗，試驗方法要研究，試驗成果少。對高壓下原位凍結人工凍土的力學特性研究極少，遠不能滿足工程需要。返回目前四十九頁\總數五十七頁\編于二十一點2.6凍結壁問題—凍結壁厚度估算目前五十頁\總數五十七頁\編于二十一點2.6凍結壁問題—凍結壁厚度估算返回目前五十一頁\總數五十七頁\編于二十一點2.6凍結壁問題—凍結管數量估算如凍結壁厚度為13.4m，有如下估算:宜布置四圈凍結管;需凍結管150~180個;凍結管總長度:120000~150000m凍結管需保溫長度近50000m.返回目前五十二頁\總數五十七頁\編于二十一點2.6凍結壁問題—凍結溫度場分析凍管溫度場計算示例:掘