赵楼矿井深厚表土冻结法凿井监测监控技术

中国矿业中MINING国矿MAGAZINE业CHINA

Vol.21,zk

August2012第21卷

赵楼矿井深厚表土冻结法凿井监测监控技术研究

王玉昌

（保利能源控股有限公司，北京100010）

摘

要：赵楼矿井井筒冻结深度527～534m,在井筒冻结段利用信息化施工技术实施安全监测监控，实现了

优质、安全、快速施工。总结了冻结法凿井井筒安全施工监测监控技术研究的技术思路和基本成果，对冻结井筒的安全快速施工进行了有益的探讨。

关键词：深厚表土；冻结法凿井；监测监控中图分类号：TD265

文献标志码：B

文章编号：1004-4051（2012）zk-0406-03

Monitoringandcontroltechnologyresearchindeepalluviumfreezingsinkingof

Zhaoloucoalmine

WANGYu-chang

(POLYEnergisHoldingCo.,Ltd.，Beijing100010，China)

Abstract:ShaftfreezedepthofZhaoloucoalmineis527~534m,Useofinformationtechnologyconstructiontechnology,weachievedhighquality,safeandquickconstruction.Thispapersummarizedthetechnicalideasandthebasicachievementsofthefreezingsinkingshaftconstructionsafetymonitoringandcontroltechnologyresearch,hadausefuldiscussionontherapidconstructionofthesafetyofthefreezingshaft.

Keywords:deepalluvium；freezingsinking；monitoringandcontrol

1工程概况

赵楼矿井由兖矿集团投资兴建，位于巨野煤田中部，山东省郓城县境内。矿井设计生产能力为

表1

。。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

。 。 。。。。 。。。。。。 。。。。。。

。。。。 。。。。。 。 。 。 。。。。。 。。。。。 。。。。

。。。。

。。 m

m m m

3.0Mt/a，服务年限60.1年，采用主、副、风三个立井

开拓，均采用冻结法施工。井筒主要技术特征列于表1。

。。 +45.000 +42.69 -860 905.0 921.158

。。 +45.000 。42.70 -860 905.0 936.208

。。 +45.000 +42.81 -860 905.0 921.096

井筒主要技术特征

。。。 。。。 。。。 。。。

m 7.0 7.2 6.5 ÁÂm38.5 40.7 33.2 mm 1000。2100 1000。2150 900。1950 mm 550。600 550。700 500。550 ÁÂm63.6。96.8 67.9。106.6 54.1。87.4 ÁÂm51.5。52.8 54.1。55.4 44.2。45.4

。。。。。。。

。。。。 473 144.7

328.3 527

。。。。。。。 。。。。 475 129.9

345.1 530

。。。。。。。 。。。。 471 150.38

320.62 534

。。。。 。。。 。。。 。。。。

。。。。。。。。 。。。。。。。。 。。。。

m m m m

收稿日期： 2012-05-17

作者简介：王玉昌（1967-），男，1989年毕业于山东矿业学院，高级工程师，工程硕士，曾在兖煤菏泽能化有限公司从事矿井建设工作，现在保利能源控股有限公司从事安全技术管理工作，E-mail:wyc1699@163.com。

第21卷王玉昌：赵楼矿井深厚表土冻结法凿井监测监控技术研究

407

2监测内容2.1

工作面监测

井筒掘砌过程中工作面开展的监测主要包括：温度监测（包括井帮土体温度、井底土体温度、工作面空气温度）；变形监测（包括井帮位移、井底位移、外层井壁收敛）；井内冻土发展厚度监测。

施工过程中冻结壁的厚度与平均温度的发展变化。基于冻结站实际制冷参数及测温孔温度测试数据，开展冻结温度场的数值反演，将能获得较为理想的土性热物理参数，进而开展冻结温度场的超前预测监控。

以下以主井－360m温度场反演预测为例进行说明，有限元计算采用ANSYS进行。

2.2已成型井壁段温度、压力及变形监测

主要监测内容包括：外层井壁及冻结壁内的温

3.1主井-360m温度场反演预测

测温孔的实测降温曲线与计算降温曲线拟合

度；外层井壁的受力与变形：包括冻结压力、混凝土应变、钢筋应力监测。

结果见图1，实测降温曲线与计算降温曲线的拟和精度较好。在此基础上进行冻结温度场的超前预测，井帮与井心温度、冻结壁厚度与平均温度等的预测结果见表2。冻结至210d时，井帮温度分布见图2，冻结壁径向温度分布见图3。

3冻结温度场参数反演与超前预测监控

冻结凿井工程中，冻结壁的厚度与平均温度是决定冻结壁的整体强度，进而影响井筒安全施工性的关键因素。冻结温度场的发展则直接决定了井筒

表2

󰀁 󰀂

󰀌󰀍󰀎󰀏 /󰀐

󰀋󰀎󰀒󰀂󰀓 󰀎󰀏󰀔 /󰀐 󰀋󰀎󰀒󰀋󰀕 󰀎󰀏󰀔 /󰀐 󰀖󰀗󰀘󰀙󰀏/m

󰀊󰀋 󰀑󰀋

󰀃 -6.3 -6.2 1-352 -4.9 3-370

主井-360m深度黏土层210d的预测及实测数据

󰀄󰀃 -5.4 -6.2

󰀄 -6.0 -6.5 1-370 -5.3 4-348

󰀄󰀅 -6.2 -5.7

󰀅 -6.3 -5.5 2-348 4-365

󰀆󰀅 -6.5 -5.8

󰀆 -6.5 -6.0 2-365 7.8 5-348

󰀆󰀃 -6.2 -6.2

󰀇󰀈 -3.5 -- 3-352

󰀇󰀉 -8.3 --

ÁÁÁÁÁ

-24.6 5-365

ÁÁÁÁÁ

-24.2

8.5

-14.2 -13.5

󰀖󰀗󰀘󰀚󰀎/󰀐

-12.6

-19.9

-12.3

图1主井-360m深黏土层测温孔实测、计算降

温曲线对比

图2主井-360m深黏土层冻结图3主井-360m深黏土层210d时的预测温度径向分布(井心—北)

210d时的预测井帮温度

3.2

论：

预测成果分析与超前监控的实现

依据温度场超前预测成果，可得出以下基本结

主井冻结施工组织设计》中“-236m以下时冻结壁厚度≥9.0m”的要求。

3)冻结壁平均温度：按几何平均为-19.9℃，满

1)预测冻结210d时该黏土层的井帮温度

足施工组织设计中要求的“236～473m冻结壁平均温度为-12℃～-17℃”。

在-8.3℃～-3.5℃之间，预测冻土入荒径0.3m。实际开挖情况表明，井帮温度和入帮厚度预测精度较高，预测井帮温度的平均偏差0.49℃，最大偏差为南侧的0.8℃。井帮温度东北侧偏高，与内2、内3、内4号冻结孔间距过大，且均向外偏有关。难以达到施工组织设计中要求的“236～473m井帮温度为-10℃～

4)因210d时，冻结壁厚度和井帮温度不满足设

计要求，对240d和270d时的冻结壁温度场进行预测，井帮温度分布、计算模型中冻结壁径向温度分布参见图10和图11。延长冻结时间30、60d，平均井帮温度将由-4.19℃分别下降为-8.02℃和-11.41℃，冻结壁厚度将分别增加为9.0m、9.4m，冻结壁平均温度分别下降为-20.8℃、-21.1℃，从而在冻结270d

-16℃”的要求，实际开挖情况与预测基本吻合。

2)冻结壁厚度预测为8.5m，未满足《赵楼矿井

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第21卷

时－360m处冻结壁达到设计要求。

故此，综合主井第1监测层位传感器测值、井帮温度和位移监测等资料，课题组研究决定在-367～

况进行分析评估。同时，在关键层位布置的外层井壁收敛监测，对于全面评估已成型井壁段的安全性提供了依据，从而保证了井筒施工的安全进行。

387.2m处砂质黏土和黏土互层中套壁，确保已施工

的外层井壁结构的安全，同时延长下部地层的冻结时间，降低下部地层中冻结壁平均温度及井帮温度，保证掘砌施工过程的安全。

5主要技术成果及效果评价

针对深厚表土层中冻结法安全快速施工，建立

了一套成熟可靠的井筒掘砌施工的传感器监测体系，首次实现了冻结井筒施工的远程实时安全监测，准确的获取了冻结凿井过程中的各种信息。在此基础上，实现了物性参数反演，并据此适时调整冻结掘砌施工安排，从而及时、准确进行冻结壁与井壁结构安全监控，确保了井筒施工的安全。

实现了从高精度信息监测→有限元反演分析→超前预测→信息反馈→施工方案监控调整的系统流程，构建了一个完整的深厚表土冻结法凿井井筒安全施工监测监控体系，并在赵楼煤矿主、副井井筒施工中得到了成功运用。

以安全监测监控技术为指导，赵楼矿主、副、风井分别用171d和168d顺利地穿过冻结段，比施工组织设计分别提前了65d、100d，节约了冻结费用，有效缩短了建井总周期。三井冻结掘砌期间冻结管无断裂、井壁无压坏漏水、井壁质量优良。施工中，外壁掘砌平均速度为93.21m/月，内壁套砌平均速度达290m/月，冻结段综合掘砌速度为70.54m/月，外壁平均掘砌速度和冻结段综合成井速度均居国内前列。

参考文献

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4监测成果4.1

主井监测成果

主井-300～-380m深度段，井帮平均温度多介于-4℃～-8℃之间；-380～-470m深度段，井帮平均温度多介于-8℃～-13℃之间。

由井帮位移实测数据可见：井帮最大位移速率出现-363.3～-366.5m，为5.71mm/h，对应井帮位移为20mm，时间间隔3.5h；在-429.4～-432.8m深度处，8h井帮位移为30mm，对应的位移速率为

3.75mm/h。4.2

副井监测成果

副井外壁掘砌施工到300m深度以下时，井帮温度规律为：①-300～-335m深度段，井帮平均温度介于-5℃～-10℃之间；②-335～-415m深度段，井帮平均温度介于-10℃～-15℃之间；③-415～-548m深度段，井帮平均温度介于-15℃～-20℃之间。

井帮位移实测数据表明-300m深度以下井帮最大位移为17.2mm，最大位移速率为2.86mm/h，井帮位移和位移速率均在合理范围内。

300m深度以下的各外层井壁收敛监测层位，在12.1～64.5h内的时段内，最大收敛量均未超过2.3mm，

最大收敛速率小于0.05mm/h，井壁结构稳定。

4.3施工安全保障

工作面温度与变形的监测，尤其是井帮温度、

井帮位移的监测，并据此及时地对冻结壁的安全状

→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→（上接第399页）

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