深厚钙质黏土层冻结井壁设计研究与应用

张爱勇

（煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司，安徽 合肥 230041）

深厚冲积层矿井建设是近年来呈现在矿山建设工作者面前的新课题。纵观当前冻结凿井的历程和工程技术发展，其设计理论与现场施工不相协调，且较难跟上工程建设需求[1-4]。特别对于两淮矿区所穿过的表土越来越深，深部黏土层或钙质黏土层又特别厚的大直径井筒[5-11]，目前国内的设计经验及成果总结相对偏少[12-15]。国外虽然有一些工程实践成果，但地质条件的差异，不能照搬硬套。所以，相关的设计研究急需深入开展，从而推进凿井设计的进步，减少乃至杜绝深厚钙质黏土层冻结法凿井施工及运营中的安全事故。

1 工程概况及冻土试验分析

安徽淮南矿业集团顾桥煤矿地处潘谢矿区，东距凤台县城约20 km。本区地势平整，自然地坪通常在+21.00～+24.00 m左右，井田新生界松散层厚224.10～573.03 m。矿井目前实施的安全改建及二水平延深工程，其维持核定生产能力9.0 Mt/a。该矿井安全改建深部区延深工程，将增设东进风井与东回风井，2个井筒井位处表土层厚度在405.0 m左右，基岩风化带厚度在40.8.0~47.2 m左右，其设计深度均超过1 000 m。本矿东进风井井筒净直径7.5 m，表土及基岩风化带均拟采用冻结法施工。

1.1 工程水文地质分析

通过地质资料可知，其地层由老至新依次为：太原组石炭系地层、二叠系地层和新生界地层。顾桥东进风井井位处新生界松散层厚404.4 m，基岩风化带起止深度为404.40～451.60 m，总厚47.20 m。其表土松散层主要为：钙质黏土、砂质黏土、含钙砂质黏土、细砂、粉砂、中砂及砾石。东进风井井筒在中部隔水层垂深284.0~390.0 m存在厚度达106.0 m左右的深厚含钙砂质黏土和黏土互层。另外其在上含中隔、上含下段、中含也均出现含钙土层，含钙地层结构见表1。含钙黏土多集中在中部隔水层的下段及下含的固结黏土中，钙质含量较大的黏性冻土具有变形大，强度偏低的特点，其弹性模量相对较小。下含与中隔黏土中钙质分布极其不均，且以多种形式存在，对施工冻结极其不利。

表1 含钙地层结构表

该井位处自上而下共涵盖上、中、下3个隔水层组和3个含水层组。在二叠系地层之上直接覆盖下部含水层，其为矿顶板充水层组，且以储存量为主，水平缓慢运动，与水源基本无沟通，接近封闭态。基岩段有6个含水层组，其风化带底部含水层涌水量为Q1d=6.791 m3/h（1 d时涌水量）；Q5d=5.074 3 m3/h（5 d时涌水量），下部各含水层最大涌水量为49.34 m3/h。

1.2 冻土试验分析

根据要求取冻土土样若干组（部分图示实验以垂深351.21～391.07 m的深部钙质黏土层为例），试验冻土为原状负温土层。通过实验可知顾桥深部整体的砂岩与土层冻胀力在0.15~0.51 MPa范围，冻胀率测试在1.5%~4.5%左右，整体顾桥深部属于中等冻胀土，但底部厚钙质黏土层段冻胀较大，其时间冻胀力关系和时间冻胀率关系曲线如图1和图2。

图1 冻胀力与时间关系曲线

图2 冻胀率与时间关系曲线

由图可知冻胀率、冻胀力都在最初的2 h内变化最快，随后变化缓慢，逐渐趋于1个常量。试验表明冻土弹性模量，基本上由温度的降低而变大；冻土单轴抗压强度整体根据实验温度的降低而增大，其与冻土试件的含水率成正比关系。砂层的单轴抗压强度比较高，而黏土层特别是钙质黏土层则相对偏低，对井筒掘砌支护不利。土、砂岩层破坏变形较大，一般在20%~30%左右，在冻结壁设计施工过程中，应注意应变破坏。冻土的单轴应力与应变关系主要表现为硬化至软化状态。冻土泊松比，总体为随温度上升而减小。

试验在3个应力水平分别为0.3、0.5、0.7倍的冻土单轴抗压强度蠕变曲线（-10℃和-15℃）如图3和图4。由图可知，冻土蠕变在应力水平较低条件下，属于稳定性蠕变。对于冻结岩层，其比热变化很大，且其受含水率影响较大，测试值在1.24~1.85 J/（g·K）范围，导热性能较弱。冻土的三轴抗剪强度主要受黏聚力与内摩擦角影响，冻结土层内摩擦角和黏聚力，当温度降低时，其前者降低，后者变大。冻土在-10℃和-15℃的包络线如图5和图6。相应的测试数据显示，冻结土层的三轴剪切强度和抗压强度，总体上受温度影响较大，当温度降低时，前者明显增大，后者随围压变大而增大迅速。本试验冻土结冰温度较低，其土层冻结温度一般在-1.9~-5.0℃左右，各土层间冻结温度变化极大，特别是底部106 m厚的钙质黏土层，该段黏土中钙质含量极不均一，在短距离内可能有较大变化且其冻结温度仅为-5℃，冻结时可能出现大量强结合水在低温下很难冻结，力学强度较低，冻土发生蠕变，向井筒临空面缓慢变形情况，因此，对于中隔和下含中的含钙黏土应注意尽量缩短冻结壁的暴露时间，控制冻结壁的变形量，防止冻结管断裂和冻结压力对井壁的破坏，且设计时应注意研究取用何种温度作为计算冻结壁有效厚度的起始边界线。

图3 -10℃时蠕变曲线

图4 -15℃时蠕变曲线

图5 冻土的包络线（T=-10℃）

图6 冻土的包络线（T=-15℃）

2 井壁结构设计优化

2.1 井筒基本情况及主要技术参数

东进风井井筒表土层和基岩风化带（总厚度451.6 m）均采用冻结法施工，拟采用双层井壁内夹塑料板结构形式，且在冻结壁与外壁间，根据冻胀力情况铺设25 mm或50 mm泡沫塑料层。该井筒壁座底放在风化带以下稳定的石英砂岩中。东进风井井筒相关设计的主要技术参数见表2。

表2 东进风井井筒冻结法井壁设计主要技术参数

2.2 深厚钙质黏土层冻结压力取值

国内深井表土在400 m以内时冻结压力取值，部分已建井筒深度较实际值相对偏大一点。而表土层厚度在400 m以上时，特别是深厚钙质黏土冻结压力国内外实测数据相对较少，规范也仅给出1个参考范围，在实际设计过程中，应根据各井位地层的实际水文条件、实施工艺、冻结情况和相应地区实测资料，并结合冻土试验结论来参考取值，两淮地区部分矿井冻结压力实测值见表3。表中各冻结压力最大值主要是由于岩土体自身各向异性，同时受冻结管偏斜，造成冻结壁沿环向强度不均匀等引起，设计中应参考选取，避免取值过大。

表3 两淮地区冻结压力实测值

根据GB 50384—2016《煤矿立井井筒及硐室设计规范》及两淮地区相邻矿井实测数据,结合冻土物理力学性能相关参数，确定该井筒外壁表土层控制土层底部最大冻结压力pd按pd=1.05ps~1.1ps（MPa）计算，ps为静水压力，井筒上段冻结压力按分层分段计算的方法，其冻结压力取值见表4。

2.3 井壁结构方案设计

设计本着安全、经济、简便且易于施工的原则，利用高强砌筑材料作为提升结构水平承载的主要技术手段，结合顾桥煤矿东进风井筒冻结段水文地质条件与井筒力学特点，提出在冻结段中、下部控制层位内、外壁结构形式见表5。

表4 顾桥东进风井筒冻结压力取值表

根据对比情况，设计确定顾桥煤矿东进风井冻结段井壁深部采用高强高性能双层钢筋混凝土井壁结构形式（方案A），且内、外壁之间设双层1.5 mm塑料板，外壁与冻结壁之间设置25 mm或50 mm厚泡沫板。

表5 表土层下部控制层位井壁结构设计方案

采用《采矿工程设计手册》（2003年出版）和GB 50384—2007《煤矿立井井筒及硐室设计规范》计算，其最深处内外层混凝土强度等级均按C65时，冻结压力按pd=390×0.11=4.29 MPa（厚钙质黏土层底）和 pd=405×0.105=4.25 MPa（表土层底）中较大值选取，取pd=4.29 MPa时，计算得顾桥东进风井冻结段深部井筒控制总厚度（内、外壁）为：1 300+1 150=2 450 mm。

2.4 混凝土强度提高系数的应用

根据安徽理工大学地下结构研究所姚直书教授等相关研究理论，井壁结构混凝土的抗压强度在多轴条件下能提升至1.7~2.68倍左右，现行相关规范没有综合这方面的研究成果，因此，井壁结构内壁设计有提升优化的条件。结合相关规范及井筒内壁的承压现状，采用混凝土结构设计规范中附录C说明，能够知道井筒中混凝土抗压强度提高系数应该在1.2～3.0范围之间，另结合井下实际应用的条件限制，考虑到安全度的需要，其井壁结构内层井壁混凝土抗压强度提高系数取较小值，可按1.2计算。而对于外层井壁，因考虑其短段掘砌吊挂受力机理及施工环境的影响，暂不考虑相关应用。

2.5 井壁结构设计优化

根据国内外对混凝土多轴受力本构关系的研究结果，设计优化认为：井壁结构中的混凝土，通常相应的受力情况相对多元，其混凝土强度特性在井壁结构设计时，应该适当考虑多轴应力状态的混凝土强度特征，可将混凝土强度提高系数按1.2代入优化计算。对于钢筋混凝土井壁，提高混凝土强度等级是减薄井壁厚度的最有效的途径，但针对本矿井，考虑到现场混凝土配比及选材的要求，另采用强度等级C70以上的混凝土后，相关硅粉等配比材料的增加，相应的对施工条件及速度都带来了一定影响（如黏膜问题等）。另外，针对本矿井，在表土段垂深280 m以下至基岩面，存在着厚度达到106 m左右厚度的钙质黏土和含钙砂质黏土互层，且结合冻土物理力学性能分析结果，拟采取在280 m以下，外层井壁段采用双排高强钢筋混凝土结构（配筋率6.4%）。该优化措施，一方面能降低井壁厚度，另一方面在增加配筋率的条件下，可有效抵抗不均匀冻结压力的承载力要求，以及降低外层井壁早期强度不高情况下的井壁破裂影响。井壁结构设计优化后，确定拟用结构为双层现浇钢筋混凝土井壁，内壁最大控制厚度1.05 m，双层钢筋混凝土结构，外壁在内壁减薄的优化下最大控制厚度0.95 m，深部双层配筋（上部单排配筋）。东进风井井壁结构支护控制参数见表6。

2.6 相关混凝土技术要求

针对优化方案，井筒施工对高强高性能混凝土有着特殊的技术要求，特别在深立井冻结条件下混凝土的相关参数控制，如外壁混凝土应具有早强、抗冻性、流动和易性好、低水化热等；内壁抗渗性能好、低水化热、密实度高、流动性和易性好等特点，均是技术把握的关键所在。因此，应选择合理的混凝土配合比与添加剂，保证相关井壁混凝土的早强防冻性，和易性，坍落度，水化热，防裂、抗渗、耐久性等参数要求。

表6 东进风井井筒支护控制参数

根据冻土试验冻胀率与时间曲线，可知，在8~10 d内冻结变形就可达到最大值的80%~90%；另结合温度场及相邻矿井，井壁进入负温相对周边矿井要长，后期则明显降低，这对混凝土强度增长不利。因此，可通过调整设计中早期强度进行优化，或通过对施工后混凝土的早强增长条件提出明确的要求，来确保筑壁材料尽早的满足承载力设计。

为满足承载力设计要求，对高强高性能混凝土的性能要求如下：①混凝土坍落度不应小于15~18 cm，且经30 min坍落度不低于12~15 cm；②混凝土强度早期增长条件：1、3、7 d的早强要求必须能够达到设计支护要求的35%、75%、90%以上。

3 结语

在井壁结构设计优化计算过程中可以看出，当采用规范计算，顾桥东进风井深部控制厚度（采用混凝土强度等级为C65），计算内壁厚度达到1 300 mm，该设计井筒内壁较厚，施工难度大。当设计计算中考虑多轴受压下混凝土强度提高系数时，其计算出的内壁厚度则为1 050 mm，其既能满足深厚冲积层井壁结构的设计要求，同时还减薄内壁厚达20%左右，另外在深部钙质黏土段外壁，通过提高配筋率及双排配筋优化措施，可在降低外壁厚度的同时，适当提高外壁抵抗不均匀冻结压力及降低外壁早强不高情况下的井壁破裂风险。设计根据冻土实验的特殊要求，给出了分层分段冻结压力取值，且还对该井筒的混凝土性能等技术参数提出了相应要求。顾桥东进风井井筒现已顺利施工完成，该井壁结构施工完成至今，结构整体完好，其设计支护效果显著。