报告6-徐州李粮店深厚冲积层和深厚含水岩层800m冻结安全快速施工技术71-1

李粮店矿

（深厚冲积层和深厚含水岩层）800m冻结安全快速施工技术汇报人：李功洲研究员

现供职单位：国投煤炭有限公司主要汇报内容一、问题的提出二、项目研究的关键技术三、主要创新点四、主要技术经济指标和经济效益五、与国内外同类先进项目对比六、推动技术进步的作用和推广效果一、问题的提出李粮店矿主、副井筒穿过近500m深厚冲积层和＞250m深厚含水岩层（简称“双深厚地层”），冻结深度分别为772m、800m，为目前我国最深、国内外连续冻结段长度最大的冻结井。双深厚地层广泛分布河南、安徽、山东、宁夏等地区，而对于双深厚地层全井深冻结设计、井壁设计和快速施工理论和技术国内外均没有成熟的经验可供借鉴。研究解决类似地层的冻结法凿井安全快速施工技术具有重要的理论和现实意义。难题2：冻结孔布置方式和工艺难题1：冻结壁厚度设计方法冻结壁设计与实施一、问题的提出双深厚地层冻结法凿井存在的主要问题是：全井深冻结壁的设计与实施，全井深井壁结构形式和设计两类问题。问题之一难题3：实现冻结和掘砌施工中的协同、安全、快速施工问题之二井壁结构形式和设计难题4：井壁的结构形式与设计现状及局限：以往针对冲积层下部少量含水岩层沿用冲积层冻结法凿井理论和技术，成本高，速度慢，且容易发生冻结管断裂事故。用于双深厚地层成本更高，难以承受，如果发生断管事故，将是灾难性的。难题1冻结壁厚度计算方法一、问题的提出难点：需要解决双深厚全井深冻结壁厚度设计计算方法现状及要求：传统思路片面强调过低井帮温度，井心冻实，实施速度慢、效率低下。需要创新，实现冲积层段冻结壁浅部不片帮、深部冻土挖掘量小（俗称“吃溏心”），且外层井壁不压坏、冻结管不断裂，经济、安全施工。难题2冻结孔布置方式和工艺一、问题的提出难点：要研究解决冲积层和基岩段冻结孔垂直空间协同布置理论和应用技术现状及局限：以往对冻结壁形成状况的工程预报和调控停留在根据工程实测数据进行图解分析或数值模拟，缺少对冻结壁形成特性基本规律的定量、精细化分析，准确性、实时性差。难以实现预期效果和深井冻结需要。（该快的不快，该慢的没有慢，盲目，不安全）。难题3一、问题的提出难点：要创新冻结壁形成特性定量、精细化预测预报方法。解决“精、准、快”。实现冻结和掘砌施工中的协同、安全、快速现状：现有深井冻结常用的双层井壁结构和设计方法，基岩段井壁过厚，应用成本高，速度慢，实施困难。而按普通凿井仅考虑基岩地压的井壁设计又很难实现井壁封水功能。难题4一、问题的提出难点：要研究解决适于双深厚地层冻结凿井井壁结构形式和设计方法井壁的结构形式与设计当混凝土最高强度等级为C70，主、副井冻结井壁厚度将分别超过1.6m和2.3m，深部基岩段井壁厚度将分别超过1.9m和2.6m。增加投资、工期。二、项目研究的关键技术2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用2.2双深厚地层全井深冻结井壁结构2.3冻结壁形成特性精细化研究与工程预报、调控2.4全井深安全快速施工研究提出多姆克公式、维亚洛夫——扎列茨基公式分别计算砂性土和基岩、粘性土冻结壁厚度，最终确定冻结壁厚度的设计理念。

冻结壁厚度计算公式的确立2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用但是应用多姆克、维亚洛夫——扎列茨基公式的相关参数必须以多圈孔为边界条件来确定。设计体系：研究提出基于多姆克、维亚洛夫——扎列茨基公式分别计算砂性土控制层和基岩、粘性土控制层冻结壁厚度、互为验证、最终确定冻结壁厚度的设计理念。但是应用多姆克、维亚洛夫——扎列茨基公式的相关参数必须以多圈孔为边界条件来确定。多姆克：E—冻结壁厚度，cm；Ra—井筒掘进半径，cm；K—持久抗压强度，MPa；P—计算深度的地压，MPa。维亚洛夫——扎列茨基：h—安全掘进段高，cm；E—冻结壁厚度，cm；P—计算深度的地压，MPa；σs—冻土持久抗压强度，MPa；η—工作面冻结状态系数。2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用基于长期冻结壁温度场实测和理论研究，提出多圈孔冻结壁平均温度计算公式，并成功应用于800m深井冻结设计。冻结壁平均温度计算公式（关键参数）或——主孔内侧增设防片帮孔或辅助孔（双圈孔）冻结时冻结壁有效平均温度计算公式：——主孔内侧增设防片帮孔和辅助孔（三圈孔）冻结时冻结壁有效平均温度计算公式：（四圈孔）冻结壁平均温度

根据工程实测、模型试验、理论计算等成果综合分析，认为深厚冲积层可以应用改进的成冰公式计算。单圈孔2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用表达式中的符号符号意义tc按单圈孔冻结壁有效厚度计算的平均温度，℃t0c按冻结壁0℃边界计算的平均温度，℃te井帮冻土温度对冻结壁有效厚度的平均温度影响值，℃tb冻结盐水温度，℃L冻结孔间距，mE冻结壁厚度，mtn计算水平的井帮冻土温度，℃Δ井帮冻土温度每升高或降低1℃对冻结壁有效厚度的平均温度影响系数=0.25~0.3，根据实践经验可近似取Δ=0.3。当井帮土壤为正温时，Δ取0Tcf主冻结孔内侧增设辅助冻结孔的冻结壁有效厚度平均温度，℃tf主冻结孔与内侧辅助孔之间部位对冻结壁有效厚度平均温度的影响值，当辅助孔与主冻结孔开间距的比例为1、2、3时，可取-2.5～-3.5℃、-1.5～-2.5℃、-1.0～-1.5℃S辅助孔圈与主孔圈之间的距离，mE1、E2分别为主冻结孔外侧、辅助孔内侧冻结壁厚度，mts辅助孔与主冻结孔之间部位的冻结壁平均温度，℃tcny主冻结孔内、外侧均增设辅助孔冻结时的冻结壁有效厚度平均温度，℃tfy主冻结孔与外侧辅助孔之间部位对冻结壁有效厚度平均温度的影响值，℃，计算方法同tfn研究得出计算公式中砂性冻土强度取值安全范围。冻土安全强度取值（关键参数）图1砂性冻土强度（K）与冻结壁平均温度（tc）的关系2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用研究提出深井多圈孔布置圈数确定原则，并提出各圈圈径计算公式。研究提出主冻结孔布置在最外侧、其内侧增设辅助冻结孔和防偏帮孔的三圈孔布孔方式作为800m深厚冲积层、深厚含水岩层冻结孔布孔模式。冻结孔布孔方式的确定2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用主孔内侧同时增设辅助孔圈与防片帮孔圈主孔内侧只增设防片帮孔圈防片帮冻结孔主孔内、外侧均增设辅助孔圈主孔内侧增设辅助孔圈与防片帮孔圈辅助冻结孔主孔内、外侧均增设辅助孔圈主孔内侧增设辅助孔圈与防片帮孔圈单圈孔主冻结孔计算公式布孔方式冻结孔圈冻结孔布置圈直径计算方法表1李粮店矿冻结方案设计主要技术指标汇总表序号参数名称单位主井副井1井筒净直径mФ5.0Ф6.52井壁最大厚度m1.51.853井筒最大荒径mФ8.1Ф10.34冲积层深度m479.2481.495冻结盐水温度℃-28～-32-28～-326控制层位冻结壁平均温度℃-15-157冻结深度m7728008需要冻结壁厚度m7.09.09外圈主冻结孔深度m772/526800/52510布置直径mФ18.0Ф24.211孔数个21/2128/2812开孔间距m1.3461.35813冻结管规格mmФ159Ф1592.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用现场应用14中圈辅助冻结孔深度m518520/49515布置直径mФ13.0Ф17.8/Ф15.316孔数个1416/1617开孔间距m2.9173.495/3.00418冻结管规格mmФ133/Ф159(300m上/300m下)长腿Ф133/Ф159(300m上/300m下)短腿Ф13319内圈防片冻结孔深度m405/225395/21520布置直径mФ11.5/Ф9.8Ф13.5/Ф11.521孔数个7/78/822开孔间距m5.161/4.3985.301/4.51623冻结管规格mmФ127Ф12724总冻结孔数/延米个/m70/38920104/576102.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用现场应用表1李粮店矿冻结方案设计主要技术指标汇总表（续）2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用现场应用图2-2李粮店副井冻结管布置平、剖示意图图2-1李粮店主井冻结管布置平、剖示意图图3李粮店主井、副井冻结钻孔偏斜投影图2.1双深厚地层冻结壁设计计算体系及应用副井主井现场应用设计研究提出李粮店矿800m深井冻结段井壁组合结构型式：（1）冲积层、基岩风化带的筒形壁座以上部位采用钢筋混凝土塑料夹层双层井壁结构；（2）筒形壁座以下部位采用单层混凝土井壁结构2.2双深厚地层全井深冻结井壁结构冲积层段设计混凝土最高强度等级C80，井壁最大厚度分别为1500mm和1850mm，比以往双层井壁混凝土最高强度等级C70井壁最大厚度分别减薄300mm和350mm。基岩段较用以往设计理论减薄1250mm～1500mm。单层混凝土井壁段长分别达194.5m和251.5m。实施效果结构简单、安全可靠、经济合理。2.2双深厚地层全井深冻结井壁结构现场应用表3李粮店主井全井深冻结井壁结构序号起止深度/m段长/m荒径/m井壁厚度/mm混凝土标号内层外层内层外层10~886.8900临时砖墙28~1201126.8500400C40C403120~2201006.8500400C50C504220~300807.4600600C60C705300~4001007.4600600C70C706400~5541548.0700800C80C807554~569158.01500C808569~579106.8900（过渡段）C609579~755.5（实际763.5）176.56.2600C502.2双深厚地层全井深冻结井壁结构现场应用

表4李粮店副井全井深冻结井壁结构序号起止深度/m段长/m荒径/m井壁厚度/mm混凝土标号内层外层内层外层10~888.51000临时砖墙28~1201128.5500500C40C403120~210908.5500500C50C504210~300909.4750700C60C605300~350509.4750700C70C706350~390409.4750700C75C757390~4506010.2900950C75C758450~5227210.2900950C80C809522~5371510.21850C8010537~547108.51000（过渡段）C6011547~780.5（实际788.5）233.57.8650C502.2双深厚地层全井深冻结井壁结构现场应用图5李粮店主、副井全井深冻结井壁结构示意图副井主井设计应用2.2双深厚地层全井深冻结井壁结构基于长期对冻结工程预测预报研究与实践。研究提出单孔冻土、单圈孔冻结壁、各孔圈之间冻土交汇成整体冻结壁的内侧及外侧扩展速度的全新量化计算公式；研发了《冻结壁形成特性分析软件》（自主知识产权）；创建了冻结壁形成特性综合分析方法（发明专利），实现对工程参数即时、定量、精细化预测预报。2.3冻结壁形成特性精细化研究与工程预报、调控①单孔冻土扩展速度影响因子和计算公式Vd=0.007αβκФVo②单圈孔冻结壁平均扩展速度影响因子和计算公式Vb=aTbLchfФVd③冻结壁内侧、外侧的冻土扩展速度影响因子和计算公式Vbn=mnVb；Vbw=mwVb④相邻冻结孔圈之间冻土交汇成整体冻结壁的内侧、外侧扩展速度影响因子和计算公式V’bn=V1bn+n11V1bw+n21V2bn

；V’bw=V2bw+n12V1bw+n22V2bn

冻结壁形成特性基本规律计算公式2.3冻结壁形成特性精细化研究与工程预报、调控冻结壁形成特性分析软件2.3冻结壁形成特性精细化研究与工程预报、调控图3《冻结壁形成特性分析软件》主要功能及分析计算程序框架图2.3冻结壁形成特性精细化研究与工程预报、调控冻结壁形成特性综合分析方法由《冻结壁形成特性分析软件》和图解法组成冻结壁形成特性计算体系。对工程实测资料加以综合分析计算，对冻结工程进行预报、验证工程预报的冻结壁形成特性参数和调整影响因子，建立综合计算、工程预报与调整的分析方法，即冻结壁形成特性综合分析方法，为冻结段安全快速施工提供科学依据。李粮店矿主井冻结壁形成特性工程预报实测结果工程预报编号时间/月.日掘砌深度/m预测掘砌时间/月.日冻结时间/d土层性质主圈回路盐水温度/℃中内防片圈回路盐水温度/℃主圈最大成孔间距/mm掘进荒径/m井帮温度/℃主冻结孔外侧主冻结孔内侧有效厚度/mm冻结壁有效厚度/mm冻结壁平均温度/℃实测时间/月.日实测井帮温度/℃预测误差/℃分析说明扩展范围/mm有效厚度/mmNo.56.13-4206.26168砂质粘土-30-3022888.1-4.82280188049506830-14.06.21-4.1-0.7No.67.8-4787.12184砂质粘土-30-3022568.1-7.22390199049506940-15.07.10-6.7-0.5No.78.23-549m壁座以下9.6240砂质泥岩-253400~36006.2-3.52840208059007980-8.99.5-1.1-2.4井帮暴露时间过长9.21255砂质泥岩-253400~36006.2-5.52920216059008060-9.59.24-5.7+0.210.6270砂质泥岩-253400~36006.2-7.52990223059008130-10.110.5-9.5+2实测地层为细粒砂岩表5李粮店矿主井粘性土层及泥岩冻结壁形成特性主要指标的工程预报与实测结果（部分）现场应用设计冻结壁厚7.0m，平均温度-15℃李粮店矿副井冻结壁形成特性工程预报实测结果工程预报编号时间/月.日掘砌深度/m预测掘砌时间/月.日冻结时间/d土层性质主圈回路盐水温度/℃中内防片圈回路盐水温度/℃主圈最大成孔间距/mm掘进荒径/m井帮温度/℃主冻结孔外侧主冻结孔内侧有效厚度/mm冻结壁有效厚度/mm冻结壁平均温度/℃实测时间/月.日实测井帮温度/℃预测误差/℃分析说明扩展范围/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预测井帮温度较低套壁期间控制冻结随后分析调整影响因子7.1204粘土-30-30221110.3-8.32543214369509093-14.67.3-6.3-2.0No.67.9-4707.25228砂质粘土-30-30225010.3-7.42650207069509020-14.97.27-6.8-0.8No.810.26-59611.1327砂质泥岩-2745007.88.42950295057408690-6.910.317.0+1.4实测岩层性质有差异-65211.15341砂质泥岩-2745007.87.12960296060409000-6.911.115.5+1.6-71211.30356砂质泥岩-2745007.85.72970297063609330-6.6No.912.177012.14370砂质泥岩-2745007.82.029802980736010340-7.1表6李粮店矿副井粘性土层及泥岩冻结壁形成特性主要指标的工程预报与实测结果（部分）现场应用设计冻结壁厚9.0m，平均温度-15℃图9李粮店主井、副井粘性土层及岩层井帮温度实测曲线（达到预期，上部不片帮、下部少挖冻土，永吃溏心）主井副井现场应用李粮店主井冻结240d冻结壁有效厚度变化总图（糖心）2.4全井深安全快速施工制定合理开挖时间井筒水平设计预测交圈天数实际交圈天数偏差主井-130M43d43d0-265M49d小于51d2-385M57d小于60d3副井-130M50d50d0-247M61d60d1-387M61d58d3现场决策：55d正式开挖；67d正式开挖。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主井施工掘砌段高调控状况

副井施工掘砌段高调控状况

掘砌深度/m0~3030~315315~393393~420420~481.5481.5~788.5掘砌段高/m2.542.542.54.5控制冻结壁裸露时间、适时调控安全掘砌段高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长度/m工期/d平均速度/m/月最高速度/m/月双层井壁外壁504122123.9205.5内壁、壁座54150324.6393.4原设计单层井壁206.551121.5延深段82120井筒763.5225101.8（成井速度）施工部位施工段长度/m工期/d平均速度/m/月最高速度/m/月双层井壁外壁49214899.7187.7内壁51271216.3288.8壁座和原设计单层井壁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粮店主副井冻结深度772m、800m，具有冲积层近500m和含水岩层＞250m的双深厚地层特点，为目前我国最深、国内外冻结段长度最大的冻结井，创下质量优良、安全、快速（新纪录）的优异成绩。创新点1（总体实施效果）三、主要创新点经中国煤炭工业协会组织的有关院士、专家鉴定，认为：成果达到国际领先水平。首次研究提出深厚冲积层和深厚含水岩层的800m深井冻结壁设计计算方法，并成功应用，解决了800m深井冻结壁设计难题；采用三圈孔布孔方式，并与差异冻结、异径冻结相结合，解决了800m深井冻结孔布置难题，科学合理，经济，安全，过程可调控。三、主要创新点创新点2首次研究应用了井筒筒形壁座以上采用钢筋混凝土塑料夹层双层井壁结构和筒形壁座以下采用混凝土单层井壁结构的深冻结井井壁组合结构形式，井壁混凝土最高强度等级达C80，解决了800m深井冻结井筒井壁支护设计和应用难题。三、主要创新点创新点3研究提出了单孔冻土、单圈孔冻结壁、多圈孔各孔圈之间冻土交汇成整体冻结壁的内侧及外侧扩展速度计算公式，创建冻结壁形成特性综合分析方法。解决了冻结壁形成过程特性参数快速、定量分析、精细化进行工程预测预报难题，科学指导了施工。实现了上部不片帮、下部少挖冻土。保障了安全、快速施工。创新点4三、主要创新点四、主要技术经济指标和经济效益实现800m深井冻结无断管、无井壁破坏事故、质量优良，安全施工，冻结凿井平均成井速度达到101.8m/月（创全国冻结段成井最新记录）。井筒已竣工3年多，安然无恙。指标、效益1四、主要技术经济指标和经济效益主井冻结孔总数70个，钻孔工程量38920m。副井冻结孔总数104个，钻孔工程量57610m。主、副井井壁最大厚度分别为1500mm和1850mm，保证强度和安全前提下，减薄18.9%~20%。节约直接经济效益5741万元，节省投资16920万元。指标、效益2仅李粮店主副井工程应用成果节约费用22661万元。五、与国内外同类先进项目对比未查到国外连续冻结800m施工的文献报道。与国内已竣工的深井冻结（

≥650m）比较，见下表。序号

项目名称

龙固副井

郭屯主井

口孜东主井口孜东副井口孜东回风井李粮店主井李粮店副井1井筒净直径/m7.05.07.58.07.55.06.52井壁最大厚度m2.275*2.3252.452.552.601.51.853井壁设计最高标号

C70C70C75C75C75C80C804冲积层m567.7587.4568.45571.95573.2479.2481.55冻结孔最大深度/m6507027376176267728006冻结壁厚度/m11.511.011.512.511.57.09.07冻结孔布置圈数及孔数/个三圈108四圈121四圈156四圈168四圈158三圈70三圈1048冻结孔工程量/m635787432892778931598955338920582209井