深厚下第三系红层的冻结设计

亓燕秋 王继献

（1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽省淮南市，232001；2.中煤矿山建设集团有限责任公司，安徽省合肥市，230000）

深厚下第三系红层的冻结设计

亓燕秋1王继献2

（1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽省淮南市，232001；2.中煤矿山建设集团有限责任公司，安徽省合肥市，230000）

进行了下第三系红层低温下物理力学性能试验，并将试验结果与第四系表土地层试验结果进行比较。通过对红层控制层位的冻结壁外荷载、厚度、平均温度的计算，同时根据两淮地区成功井筒冻结的设计和施工经验，提出深厚红层冻结设计方案与一些合理建议。

红层 冻结壁 冻结方案 物理力学性能试验 防水

冻结法凿井是我国地下工程中通过不稳定含水地层的一种最常用且有效的凿井方法。随着煤炭资源需求日益增大，井筒朝着越来越深的方向发展，如口孜东矿表土冻结深度已达568.45m，冻结总深度为740m，现为国内最深的冻结井筒。两淮地区的部分新井建设甚至还需要穿越红层。安徽某矿为竖井开拓，其井筒穿过特厚的不稳定下第三系红层。红层是大陆环境形成的红色沉积层，主要由砂岩、粉砂岩、页岩组成，局部夹有薄层砾岩，石灰岩、泥灰岩。红色为沉积物中高价氧化铁，在大气中受氧化作用所显示的颜色。从井筒检查孔取样情况可知，红层的岩芯松散破碎，胶结质量差，遇水易崩解，属于复杂地层。开凿该井筒所穿越的红层埋藏深，厚度大，在两淮矿区乃至全国都极为罕见，国内尚无类似深厚红层冻结工程设计施工先例，有必要对深厚红层的冻结设计进行探索研究。

1 概况

该煤矿设计年生产能力为300万t／a。现以该煤矿副井为例进行冻结方案设计。副井井筒最大涌水量达600.6m3／h，井筒净直径为8.1m，表土段最大掘进荒径11.2m，基岩段最大掘进荒径12.8 m。其穿过第四系和第三系（新近系）松散层厚约357.15m，下第三系（古近系）红层厚约393.50m，下部基岩段约200m左右。第四系和第三系松散层共有三个隔水层，第一隔水层深度范围是30.20～53.85m，第二隔水层深度范围是92.30～106.95m，第三隔水层深度范围是208.80～321.30m。下第三系红层有一个隔水层，其深度范围为430.95～708.00m。过红层后，离红层底界最近的一个隔水层深度范围是787.81～1157.10m。其中红层岩石岩性主要为粉砂岩和砾岩，该红层的固结程度分未固结、半固结和已成岩3种类型。

为了解红层常温和负温下的物理力学性能，并与第四系表土地层进行差异比较。分别在红层和黏土层中选取两组岩土样品，对其物理力学性能进行测定。试验结果如下：

（1）常温下红层的导热系数为2.5kcal／mh℃左右，而黏土的导热系数为1.3kcal／mh℃左右；已固结成岩的红层岩样的单轴抗压强度小于10 MPa，弹性模量大于400MPa，力学性能与软岩类似。红层含水率5%左右，黏土含水率约为20%。

（2）负温下（－10℃）红层的导热系数为2.8 kcal／mh℃左右，而黏土的导热系数为1.9 kcal／mh℃左右。已固结成岩的红层岩样的力学性能指标随温度的降低，单轴抗压强度和弹性模量都有不同程度的提高，但不成线性增长，单轴抗压强度（温度为－20℃）小于30MPa；而黏土的单轴抗压强度和弹性模量随温度的降低呈明显的线性增长。红层的冻结温度为－3.5℃，而黏土的冻结温度约为－2.0℃。红层的冻胀率较小，约为0.15%，甚至负值，即冻缩；黏土的冻胀率约为1.3%。

2 冻结方案设计探讨

井筒冻结设计计算中，选取较深的地层计算结果较为安全。该井筒选取控制地层为第三系（新近系）松散层底界和下第三系（古近系）红层底界，岩性均为粉砂岩。

2.1 冻结壁外荷载确定

目前国内冻结施工，冻结壁外荷载值的计算多采用重液公式。近年来国内外竖井表土地压的实测研究表明，实测地压值（MPa）大都在0.009～0.01倍地层深度的范围内。该矿副井第三系松散层底界冻结壁外荷载值按重液公式计算，地层侧压力系数为0.013，下第三系红层底界冻结壁外荷载值取1.1倍的水压值，副井冻结壁外荷载值如表1所示。

表1 副井冻结壁外荷载值确定表

2.2 冻结壁厚度计算

不同的设计理念选择不同的计算公式，计算出的结果相差较大。表2为不同公式计算出的冻结壁厚度。

从表2看出：多姆克公式计算的冻结壁厚度明显偏厚，因此适用深度为200m左右的井筒，故不再采用。综合考虑井筒开挖荒径、开挖前冻结时间要求及开挖速度要求，并结合两淮地区冻结成功的井筒冻结设计和施工经验，冻结壁厚度为第三系松散层及表土地层冻结壁厚度取7.0m，下第三系红层段的冻结壁厚度取6.2m。

表2 不同公式计算控制层位的冻结壁厚度m

2.3 冻结平均温度计算

通过绘图法及数值模拟相结合的方法得出该副井第三系松散层冻结壁平均温度，采用成冰公式（1）计算出该副井下第三系红层冻结壁平均温度，最终结果见表3。

式中：tc—按冻结壁有效厚度计算的平均温度，℃；tn—计算水平的井帮冻土温度，℃，可取－4℃～－6℃；

tb—冻结盐水温度，℃；

L—计算水平的冻结孔最大间距，m；

E—冻结壁有效厚度，m。

表3 不同控制层位的冻结壁平均温度计算结果℃

经过绘图及数值模拟的方法得出该井筒第三系松散层冻结壁平均温度为－12℃，同时，根据施工经验可知选取第三系松散层的冻结壁平均温度为－12℃是合适的，能够保证开挖安全。为达到红层的防水效果，取红层冻结壁平均温度为－10℃。

2.4 冻结方案探讨

根据下第三系红层物理力学性能和冻结计算结果，红层冻结方案可考虑如下：

（1）冻结壁强度大，要求的冻结壁厚度薄，冻结壁平均温度不超过－10℃，采用单圈管冻结完全可以满足红层开挖防水的要求。

（2）单圈管冻结可插花布置，并采用长短腿冻结。插花布置的冻结管不会集中在冻结圈径向一条线上，保证冻结壁的均匀性，采用长短腿可有效地降低冻结工程造价。

（3）导热系数大，冻结效率高，采用单圈管冻结方案冻结工期可以保证。因此单圈管冻结方案是可以满足下第三系红层冻结需要的，但从方案设计思路上与表土地层又有很大差别，主要有3点：①红层的冻结圈圈径要求比表土地层的大，下第三系红层井筒施工采用爆破作业，在考虑防止冻结管断裂的安全距离上，势必要增大单圈的圈径；②由于下第三系地层接近岩石地层，冻结孔成孔难度较表土地层的大，尤其是偏斜控制较难，因此，设计较大的孔间距是必要的；③下第三系红层冻结扩展速度较表土地层的快，只要在满足防水和冻结壁厚度的前提下，适当加大孔间距，减少冻结管数量是可行的，同时也降低了冻结造价。

结合冻结壁厚度、掘进荒径的变化及隔水层位置，并满足冻结壁平均温度以及井筒开挖防水的要求，设计采用主排孔＋辅排孔＋防片帮孔布置冻结方式，主排孔长短腿插花均布。对该副井冻结参数拟定如下：主排孔长腿进入基岩段深度818m处，圈径22.0m，开孔间距2.46m，孔个数28个；主排孔短腿过红层进入基岩段约10m，圈径20.6m，开孔间距2.31m，孔个数28个；辅助孔穿过第三系松散层22.85m，圈径16.0m，开孔间距1.79m，孔个数28个；防片帮孔深度285m，圈径13.6m，开孔间距3.03m，孔个数14个。主排孔冻结管尺寸为ø140×5～7mm。辅助孔和防片帮孔分别穿过井壁变径深度，其冻结管设计采用大管径冻结管，冻结管尺寸为ø159×5～6mm。拟用冻结管布置图见图1。

图1 拟用冻结管布置图

3 结论与建议

（1）红层冻结后强度较高，能够满足强度要求，在冻结设计时以防水为主。穿越厚红层井筒可用长短腿冻结，布单圈管冻结或两圈管冻结。

（2）红层冻结设计能与松散层、表土层的冻结设计有效结合。红层冻结管外圈管布置半径与松散层、表土地层冻结管布置相同，这种布置方式能确保红层冻结的防水效果与冻结壁厚度。

（3）红层段井筒施工采用爆破作业，在考虑预防冻结管断裂的安全距离上，可适当考虑增大冻结单圈的圈径。

（4）由于防片帮孔和辅助孔分别穿过井壁变径深度，因此，冻结管设计采用ø159mm大管径冻结管，可以加快冻土向内发展，有效防止片帮，保证红层段开挖前的掘进安全。

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The freezing design of the deep lower tertiary red beds

Qi Yanqiu1，Wang Jixian2

（1.College of Civil Engineering and Construction，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China；2.China Coal Mine Construction Group Limited Liability Company，Hefei，Anhui 230000，China）

The physical and mechanical properties tests of the paleogene red beds were carried out under low temperature，and the test results were compared with the table land layer of

Quaternary.Through the calculation of the external load，the thickness，the average temperature of the frozen wall in the red beds control layer，and based on the successful design and construction experience of the frozen shaft in Huai River regions，the freezing design program of the deep red beds are proposed and some reasonable proposals are put forwarded.

red beds，frozen wall，freezing design，physical and mechanical properties test，waterproof

TD265.3

A

亓燕秋（1984－），男，安徽临泉人，安徽理工大学土木建筑学院硕士研究生。研究方向：岩土工程。

（责任编辑 张毅玲）