冻结法凿井井壁破裂原因及支护对策

井筒冻结法矿建施工技术发表时间：2019-08-21T16:41:37.103Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年10期作者：张杰[导读] 本文主要介绍冻结施工的一些原理，以及我们所需要的问题。

根据发现的问题，提出有必要的治理措施。

核工业井巷建设集团有限公司摘要：在矿建施工过程当中，我们会运用到很多技术，井筒冻结法就是其中之一。

井筒路解法具有很多的优点。

它对环境的影响十分的小，而且井架结构容易被我们控制，具有较强的灵活性，适应性也极强。

是我们经常将井筒冻结法运用在不稳定的表土层当中。

虽然井筒冻结法比较先进，但是先进的技术当中仍然存在着很多的问题。

本文主要介绍冻结施工的一些原理，以及我们所需要的问题。

根据发现的问题，提出有必要的治理措施。

关键词：井筒冻结法；冻结钻孔；矿建施工冻结法施工的具体原理是利用物理吸热的现象，可以将土壤当中的水分冷却使之成冰。

有人在施工过程当中使用的制冷方式，通常是采用氨这种化学物质。

制冷系统是由三大种系统构成的，它们分别是冷却水循环系统、氨循环系统以及盐水循环系统。

在施工过程当中要使用一定数量的冻结孔，冻结孔主要是运用在开挖之前。

然后盐水系统当中的低温盐水会因为吸收了周围的热量，使周围环境形成冻结圈，冻结圈慢慢扩大，形成一个冻结壁。

因此我们可以看做施工过程实际是在冻结壁的保护下进行的。

但是因为这种施工方法有很多的不确定因素，容易发生冻结管断裂。

而且工作体面的冻结币，有时还会发生变形等问题。

1、井筒冻结的方式1.1、局部冻结处理方法井筒冻结技术具有很多的方法。

当我们遇到含水层，在冲击层的中下不时，在这种情况下，上半部分一般不需要冻结。

同理，我们可以知道，当不稳定的含水层处在上部以及下部的时候，那么我们的中部就没有必要冻结。

如果我们所遇到的水层以前出过事故，或者是因为其地形太过于复杂，而需要进行冻结的时候，一般采用普通的冻结方法就可以。

如果我们所遇到的水层以前出过事故，或者是因为其地形太过于复杂，而需要进行冻结的时候，一般采用普通的冻结方法就可以。

冻结管断裂原因与防治兖矿集团新陆冻结安装有限公司戴华东齐吉龙摘要：本文通过对断裂冻结管的调查及对冻结管受力状态的分析，从工程施工角度分析了影响冻结壁位移，造成冻结管断裂的原因，并提出了工程上防止冻结管断裂的措施，这些措施在一些深井冻结中应用并取得了较好的效果。

关键词：冻土、位移、冻结管、断裂一、概述我国采用冻结法凿井已有44年历史，共开凿了420多个井筒，累计深度6.6万米，其中表土超过250m，冻结深度超过300m的冻结井有70多个。

在深井冻结中冻结管断裂是对凿井的最大安全威胁，防断管技术至今还未过关。

随着今后新建矿井表土深度的增加，如何防止冻结管断裂将是首先面对的技术问题。

根据最新资料统计目前国内外冻结井筒已有61个井发生过冻结管断裂，共断管301根，淮南深厚表土冻结井几乎都发生过断管。

如潘集2#主井断管5根、副井断管8根、西风井断管8根、南风井断管14根；潘三东风井断管22根；东荣三矿风井断管淹井；张集风井断管4根；祁东主井断管1根；济宁2#风井断管1根；岱庄副井断管1根；葛亭副井断管1根；唐口副井断管（辅孔）1根等等。

国外六七十年代深井断管也不少，如苏联扎波罗滋1#南风井断管率100%，波兰留宾铜矿断管率89.2%；加拿大雅伯1#井断管率52.5%。

世界上目前表土最深（511.5 m）的苏联雅可夫冻结井（冻深620 m）断管15根，断管率22.7%，从冻到停27个月，由此可见冻结管断裂是冻结凿井的最大威胁。

冻结管断裂造成的经济损失也是巨大的，如波兰某铜矿断冻结管6根，处理事故花费近百万元；谢桥副井断管32根，造成冻结壁开天窗淹井，又重新冻结，造成经济损失近1000万元。

二、冻结管断裂原因2.1 国内深厚粘土层中冻结管断裂调查（见表1）表1 深厚粘土层中冻结管断裂成因调查表2.2 冻结管变形规律冻结管在冻结壁中的受力状态是极其复杂的，在冻结初期井筒未掘砌，冻结壁处于三相应力平衡状态，冻结管断裂主要是由于盐水温降过快，冻结管在短时间内急速收缩，沿冻结管轴向产生拉应力而造成的；井筒掘砌后冻结壁的三相应力平衡得到破坏，将产生如下状态：掘进段高内冻结管出现两头被冻结固定，中间滞后而产生温度拉应力；冻结的土、岩层线形膨胀系数不一样产生剪切应力；沿冻结管切向的土、岩层线形膨胀系数不一样产生切向应力。

冻结法凿井常见问题及其预防介绍了冻结法凿井的原理及冻结法在国内应用概况，对冻结法凿井过程中常见的问题诸如水文观测孔阻塞、冻结孔偏斜、掘进段高的确定、冻结管断裂及冻结井外壁破裂等方面进行了探讨并提出了相應的解决办法。

标签：冻结；凿井；施工；问题一、冻结法凿井原理在开凿井筒前，将井筒周围含水层用人工制冷方法，冻结成封闭的圆筒形冻结壁，以抵抗地压并隔绝地下水与井筒的联系，在冻结壁的保护下进行掘砌作业的施工方法。

二、我国冻结法凿井技术应用概况我国冻结法凿井起源于开滦矿区。

1955年，我国从波兰引进冻结法凿井技术，首次应用于开滦林西风井，获得了成功。

1956年唐家庄风井，自己设计施工，用国产设备，采用冻结法凿井，又获得了成功。

这为我国特殊凿井施工方法的推广应用开辟了新的途径。

随后冻结法凿井技术在全国得到推广应用。

三、冻结法凿井常见问题1、水文观测孔堵塞在井筒开挖前要根据水文观察孔的水位变化情况确定冻结柱是否交圈、交圈是否良好。

当冻结圆柱交圈后，井筒周围便形成一个封闭的冻结圆筒，由于水变成冰后体积膨胀，水文观察孔内水位上升，以致溢出地面，水文观察孔溢水是冻结圆柱交圈的重要标志。

2、冻结孔偏斜冻结孔施工存在偏斜情况，为了达到预期的冻结效果就要对冻结孔偏斜率提出要求：位于冲积层的钻孔不宜大于0.3%，但相邻两个钻孔终孔的间距不得大于3m；位于分化带及含水基岩的钻孔，不宜大于0.5%，但相邻两个钻孔的终孔不得大于5m；对于径向偏斜，均控制在500～800mm范围内。

当相邻两个钻孔的偏斜值超过上述规定时，应补孔，防止冻结壁开窗，涌砂冒泥，造成淹井事故。

3、影响掘进段高的因素掘进段高是指掘进段未经支护的高度。

到目前为止，冻结井筒掘进段高计算理论不少，但还没有公认的可靠的计算方法。

主要原因是影响段高的因素甚多，理想模型不能真实描述复杂的现实施工情况。

目前只能采用工程类比法，按施工经验选取。

由于段高大小直接影响施工速度、施工安全、井壁质量及经济效果，所以，一直为人们所重视。

井筒冻结法施工的常见问题及防治措施摘要：冻结法在井筒不稳定表土层的施工中得到了广泛的应用，同时，随着社会经济的不断发展，人口的不断增长和空间的相对缩小，开发地下空间己经成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势，目前，在其他地下工程的施工中，冻结法也得到了大量的使用。

但随着掘进技术的不断发展和作业深度的不断增加冻结法施工的一些技术缺陷也逐渐暴露出来,给提高井筒建设质量带来了不少困难,必须应引起建设者们的高度重视。

本文分析了当前冻结法施工中较为常见问题,并针对其产生原因,提出相应的防治措施。

关键词：井筒冻结法；常见问题；防治措施由于我国地层条件比较复杂，在一些地区井筒建设无法采用普通凿井法凿井，需要采用冻结法、沉降法和盾构法等特殊凿井技术进行建设；当建设井筒地层为不稳定厚表土层时，采用的施工方法主要以冻结法为主；并且煤矿向深部开采延伸，其井筒往往要穿过特殊地层，如过含水丰富或碎破的基岩，都要采用冻结法施工；因此，冻结法施工是广泛采用行之有效的技术方法之一。

以某矿为例，在建井时期，由于井检孔资料涌水量情况测定不准确，井筒下部涌水量较小，故上部井筒施工采用冻结法，下部采用普通法凿井，当井筒掘砌至下部时，井下涌水量较大，无法继续进行掘砌，只能再次使用冻结法冻结，随后进行施工。

1、井筒冻结法的概述所谓的冻结法是指在地下工程施工之前，采用人工技术制冷，将地下工程周围的含水或者含有松散碎石岩层冻结，形成冻土结构物、冻结壁，用来承受来自地层中压力和隔绝砂子和地下水涌入，然后在形成冻土结构中进行开挖、支护的特殊施工方法称为人工冻结法（简称冻结法）。

一般岩土工程冻结法通常是以氨为制冷工质,通过其气化过程吸收热量的物理现象实现冻结井筒周围含水松散、不稳定的冲积层及基岩含水层的目的,以形成达到工程安全标准的冻结壁,并在其临时保护作用下进行掘砌作业的施工方法,其关键工艺分为冻结孔设计及处理、冻结过程和掘砌作业等部分。

由于冻结法具有支护结构灵活、适应性强、可控性高、隔水性好等优点,因此广泛应用于不稳定表土层的井筒施工中,但随着掘进技术的不断发展和作业深度的不断增加,地下空间的不确定性也使该方法的技术缺陷逐渐暴露了出来。

冻结井筒破裂机理分析及预防加固措施何益民;郭宏东;李中楠;张文【摘要】立井井筒是人员、设备及材料上下的重要通道,井筒的稳定关系着整个矿山的正常运行.深厚表土中的井筒由于受水文地质条件影响常采用特凿法施工,施工及管理难度较普通法大.由于表土中膨胀土的存在,井筒破裂的事故时有发生,破裂后的井筒需及时有效地采取补救措施.【期刊名称】《现代矿业》【年(卷),期】2012(000)012【总页数】2页(P122-123)【关键词】井筒破裂;膨胀土;预防加固【作者】何益民;郭宏东;李中楠;张文【作者单位】安徽富凯矿业有限公司;中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;金属矿山安全与健康国家重点实验室;中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;金属矿山安全与健康国家重点实验室;中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;金属矿山安全与健康国家重点实验室【正文语种】中文淮河流域某矿风井锁口盘面设计标高+33.000 m，井筒净直径6 m，表土段厚260 m，风化带厚约37 m。

表土段中有三层为膨胀土，且厚度较大;表土层中富水性强，采用特凿法施工。

壁座以上井壁采用双层钢筋混凝土结构，外壁加50 mm厚泡沫塑料板，内外壁之间加双层聚乙烯塑料软板。

1 井筒破坏及原因分析井筒施工时先套外壁再施工壁座最后套内壁，整个井筒采用滑模法施工，段高为3.2 m。

井筒外壁施工至－172 m处，在－149.600～－168.8 m 处外壁破裂，裂缝大部分呈环状分布，一部分为竖向分布，裂缝为闭合状态。

外壁破坏的初期混凝土成片状剥落或小块剥落，后剥落的块度逐渐变大，最后外壁纵向和竖向钢筋均受挤压向井筒内弯曲，最外层的泡沫塑料板外露，井筒外壁损破相当严重。

此段井壁内壁设计厚度为600 mm，后经测量此段井壁的观测点(见图1)标准差范围为－150～－680 mm(标准差=测量半径－3 600 mm)，见表1。

表1 井筒观测值 m观测点施工模板编号49 50 51 52 53 1 3.50 3.31 3.10 3.06 3.10 2 3.49 3.29 3.10 2.92 3.13 3 3.56 3.40 3.26 3.16 3.15 4 3.47 3.34 3.26 3.16 3.05 5 3.45 3.38 3.34 3.16 3.15 6 3.45 3.35 3.30 3.23 3.21 7 3.47 3.29 3.10 3.24 3.26 8 3.46 3.29 3.30 3.33 3.29标准差0.150 0.31 0.50 0.68 0.55 图1 井筒断面观测点布置井筒破坏段的地质钻孔柱状图显示:在垂深－149.600～－168.8 m地层中含有膨胀性黏土。

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井筒冻结法施工的常见问题及防治措施薛玉庭李向阳李阳光（中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州221116）摘要：在不稳定表土层中施工井筒时，冻结法具有大量的优点，主要包括：适应性强；支护结构灵活、易控制；隔水性好；对环境影响小等。

因此，冻结法在井筒的特殊施工中被大量应用。

我国煤矿于1955年在开林西风井首次使用冻结法凿井，此后，冻结法凿井技术逐渐推广。

现在，我国已是世界上用冻结法凿井穿过表土层最厚的国家之一，但是井筒在冻结法施工中，仍然存在很多的问题，这些问题必须引起我们的高度重视。

本文主要是介绍了冻结法施工的原理及共存在的主要问题，并提出了相关的防治措施。

岩土工程冻结法通常是利用物质气化过程的吸热现象来达到将主体中的水冷却、结冰的目的。

其制冷系统多以氨作为制冷物质。

为了使氨由液态变成气态，由气态又变为液态，如此循环进行，整个制冷系统由三大循环构成：氨循环系统、盐水系统、冷却水循环系统。

在井筒开挖之前，在欲开井筒的周围打一定数量的冻结孔。

低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围地层之热量，形成冻结圈。

冻结圈并逐渐扩大连接成封闭不透水的冻结壁，用于抵抗地压、隔绝地下水。

矿山井筒冻结施工工艺与技术措施探讨摘要：结合矿区井筒的地质特征与水文地质情况，介绍了井筒冻结法施工的特点, 针对施工中遇到的一些如外层井壁局部压坏、透水及涌砂、偏孔等典型问题进行了科学分析, 并提出了相关应对措施, 为类似地层冻结法施工提供了参考。

关键词: 冻结施工原理；施工难题；措施与对策中图分类号: TD262 文献标识码: A 文章编号:1 地质特征与水文地质情况1.1 地质特征某矿区其地层分布主要为第四系、第三系地层, 第四系厚度为145～185m, 地层主要组成为砾砂、粗粒砂、中砂及细砂岩, 其中包括一些间断的亚粘土和粘土层；第三系地层广泛分布于该煤田区域，厚度为5～115m , 主要组成为泥岩、含泥砂岩和砂砾岩, 其中泥岩居多, 约占37%～86.1%。

1.2 水文地质情况该矿区第四系、第三系含水层多。

分上部、中部及下部含水层, 上部含水层是矿井的主要含水层, 厚度30～60m,由细、中、粗砂组成,含水性、透水性好, 涌水量为11.48L/sm,渗透系数26.65m/d,为承压水, 水位标高64.2m；中部含水层厚度约65～75m 涌水量为4.39L/sm , 渗透系数12.97m/d,为承压水, 水位标高为64.16m；下部含水层透水性较差, 厚度约5m , 涌水量约为0.6L/sm , 渗透系数1.87m/d , 为承压水,水位标高64.72m。

2 冻结法加固地层的原理及特点冻结法是利用人工制冷的方法，将低温冷媒送入地层，把要开挖体周围的地层冻结成封闭的、连续的冻土墙，以抵抗土压力，并隔绝地下水与开完体之间的联系，然后在封闭的、连续的冻土墙的保护下，进行开挖并做永久支护的一种特殊加固施工方法。

进入地层内的冷媒通过进、回管路与地面的热交换站相连，热交换站将冷量送入地层，将地层中的热量带出地层。

由此使冻结管周围地层又近向远不断降温，逐渐使地层中的水变成冰，把原来松散或有空隙的地层通过冰胶结在一起，形成不透水的冻土柱。

冻结法凿井原理
冻结法凿井是一种利用冻土原理来进行凿井的方法。

其原理是
通过在地下水位以下的地层中注入冷冻液（通常是液氮或者盐水溶液），使地下水和土壤中的水分迅速冷却结冻，形成一层冻土围绕
井筒，从而形成临时的井壁。

在冻结的土壤中凿井可以避免塌方和
井壁坍塌的问题，从而使得凿井作业更加安全和稳定。

冻结法凿井的原理涉及到地下水和土壤的冷冻特性。

当冷冻液
注入地下后，其温度迅速降低，导致地下水和土壤中的水分迅速结
冻形成冻土。

这样一来，就形成了一个临时的井壁，使得井筒周围
的土壤得到了支撑，从而在凿井作业过程中避免了塌方和坍塌的风险。

在实际应用中，冻结法凿井通常需要在地下水位以下进行作业，因为只有在地下水位以下才能确保冷冻液充分接触到地下水和土壤
中的水分，从而形成坚固的冻土井壁。

此外，冻结法凿井还需要考
虑冷冻液的选择、注入方式、温度控制等因素，以确保冻结效果和
作业安全。

总的来说，冻结法凿井利用冻土原理，在地下水位以下注入冷
冻液，使地下水和土壤中的水分结冻形成临时的井壁，从而实现凿井作业。

这种方法能够有效地解决凿井过程中的安全隐患，是一种重要的凿井技术之一。

冻结法凿井大断面井筒壁座施工突水原因分析及治理技术作者：许春来源：《科技视界》 2012年第8期许春（郑州煤炭工业〈集团〉有限责任公司河南郑州450042）【摘要】冻结法凿井技术是我国目前应用最为广泛的建井技术，在穿过厚表土层、基岩风化带、砾石层、卵石层且含水丰富的地层中进行井筒施工取得显著成就，也使我国运用冻结法施工井巷工程技术处于国际领先水平。

然而，在普遍应用成功的同时，也不乏个别井筒施工中局部突水的案例。

本文针对郑煤集团李粮店矿井800m冻深大断面副井井筒壁座施工突水案例，从中分析原因，以为同类工程提供借鉴。

【关键词】冻结法；大断面；突水；治理１工程概况郑煤集团李粮店矿井是一座设计能力240万吨/年的大型矿井，目前处于基建阶段。

矿井主采二1煤层，为立井单水平上下山开拓，初期布置主、副、风井三个立井，井筒净径分别为5m、6.5m、6m，井筒设计深度分别为771m、788m、542m。

该矿井筒位置均处于第三系、第四系厚表土层及基岩风化带内，其中主副井区表土层厚达480m、冲击层深部分别含多层厚层粘土层且含水量丰富，设计采用全深冻结法施工，井壁为塑料夹层双层钢筋混凝土复合井壁（外壁厚度600~1000mm、内壁厚度600mm），混凝土强度为C60~C80。

副井井筒于2010年1月1日正式开挖，至2010年8月20日突水止施工了537m，施工顺序为自上而下掘砌井筒外壁后再自下而上一次性砌筑井筒内壁。

副井井筒采用差异冻结，设计浅孔深度525ｍ、深孔深度800m。

2 副井井筒壁座施工突水事故2.1 壁座设计当副井井筒施工至500ｍ段时，己砌筑的井筒外壁有多处显现较厉害的粘土层“后冻压力”，使井壁出现裂纹、裂缝及裂块，严重影响施工安全。

经专家分析为主体是施工过快，粘性土层冻结时间不够，决定对己施工段进行分段套壁，以使上部井壁安全并可加强井筒冻结，由此需要提前施工副井井筒壁座，以承托上下部井壁重量。

继续施工至522m时，设计为壁座起点。

文章编号:　1003-5923(2001)02-0077-03冻结井外井壁裂缝浅析王学民1,李绍春2,李现春3(1.鲁西煤矿,山东济宁272053;　21鲍店煤矿,山东邹城273513;　31南京设计研究院山东分院,山东邹城273500)摘　要:山东省某矿主井井筒冻结段外井壁施工中,多处发生较为规则或不规则裂缝。

本文从设计、施工等多方面对裂缝产生的原因进行剖析。

关键词:冻结段井筒;外壁施工;裂缝中图分类号:TD 352 文献标识码:B1　概　述山东省某煤矿位于济宁市北郊,设计生产能力45万t a ,矿井采用主、副两立井井筒开拓。

井筒检查钻孔资料表明:井筒穿过第四、第三系和二迭系地层,其中第四、第三系地层总厚224m ,由砂层(厚98163m ,占第四、第三系地层总厚的44%)、粘土质砂或砂质粘土(厚9111m ,占地层总厚的4017%)和粘土(厚34127m ,占地层总厚的1513%)组成,含水较为丰富;二迭系地层主要由泥岩、砂岩及煤组成。

其上部为风化带,厚26m 。

两井筒均采用冻结法施工,冻结深度为28610m 。

主井井筒采用差异冻结,长腿286m ,短腿240m ,布置圈径1213m ,设29个冻结孔,开空间距1133m ;辅助孔深225m ,布置圈径717m ,设12个冻结孔,开空间距1199m 。

主井井筒净径415m ,冻结段井壁垂深276m ,为双层钢筋混凝土结构,井壁外壁厚350～450mm ,内壁厚400～500mm ;凝土强度等级C 30～C 50;井壁与井帮之间设25～50mm 厚聚苯乙烯泡沫塑料板(图1)。

井筒自2000年6月6日开始冻结,7月21日水文孔冒水后开始试挖,2000年11月12日外井壁砌筑完成,2000年9月,井筒掘砌至垂深100m 及以下段时,逐渐发现外井壁有裂缝出现,初期以竖向裂缝为主,随后在垂深180～225m 也发现了以环向为主的裂缝,继续向下掘砌一段时间后,发现不仅原有裂缝的宽度略有增加,而且新出现了一些不规则裂缝。