龙固煤矿北风井井筒冻结表土段信息化施工技术研究方案.docx
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龙固煤矿北风井井筒冻结表土段信息化施工技术研究方案
龙固煤矿北风井井筒冻结表土段
掘砌信息化施工技术研究方案
中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室
中国矿业大学力学与建筑工程学院
二○一一年五月十二日
目录
1工程概况1
2信息化施工监测概述2
2.1地层冻结参数监测2
2.1.1监测内容2
2.1.2监测目的2
2.1.3承担单位3
2.2井筒工作面温度与变形监测3
2.2.1监测内容3
2.2.2监测目的3
2.2.3承担单位3
2.3已成型井壁段温度、受力及变形监测4
2.3.1监测内容4
2.3.2监测目的4
2.3.3承担单位4
3井筒工作面温度及变形监测方案4
3.1工作面温度监测5
3.1.1井帮土体温度测量5
3.1.2井底土体温度测量5
3.1.3冻土进入井内的厚度监测5
3.2工作面变形监测5
3.2.1井帮位移测量5
3.2.2底鼓位移监测6
3.2.3井壁收敛监测6
4已成型井壁段温度、受力及变形监测方案6
4.1监测层位6
4.2数据采集系统8
5监测工作量、监测人员及监测工期9
5.1监测工作量9
5.1.1井筒工作面温度及变形监测9
5.1.2已成型井壁段温度、受力及变形监测9
5.2监测人员9
5.3监测工期9
6监测数据的处理及研究10
6.1监测数据的常规处理与分析10
7.1.1数据处理方法10
7.1.2预期目标10
6.2冻结温度场的反演及预测研究12
6.3冻结壁变形的反演及预测研究12
6.4中间报告12
6.5总报告13
1工程概况
龙固北风井是新巨龙能源有限公司龙固煤矿一新建风井，井筒设计净直径6m，井筒穿过表土层厚度为675.6m，井筒表土段采用冻结法施工。
井筒地质柱状见表11，井壁结构设计参数见表12。
表11龙固北风井井筒地质柱状
岩（土）性
厚度（m）
累计深度（m）
粘土
8.70
8.70
砂质粘土
3.85
12.55
粘土
2.70
15.25
粉砂
12.20
27.45
细砂
3.95
31.40
砂质粘土
4.90
36.30
细砂
20.35
56.65
粉砂
7.00
63.65
细砂
5.75
69.40
粉砂
5.90
75.30
砂质粘土
1.20
76.50
细砂
14.70
91.20
粉砂
10.85
102.05
细砂
1.25
103.30
粉砂
2.45
105.75
细砂
1.10
106.85
砂质粘土
1.50
108.35
细砂
2.80
111.15
粉砂
7.50
118.65
细砂
3.00
121.65
粉砂
6.45
128.10
细砂
4.35
132.45
砂质粘土
3.20
135.65
细砂
7.70
143.35
粉砂
9.25
152.60
细砂
8.85
161.45
砂质粘土
3.50
164.95
细砂
2.95
167.90
砂质粘土
2.35
170.25
粉砂
5.95
176.20
砂质粘土
9.10
185.30
粉砂
8.80
194.10
砂质粘土
5.60
199.70
粘土
2.10
201.80
砂质粘土
1.70
203.50
粉砂
3.70
207.20
粘土
12.40
219.60
粘土
2.70
222.30
砂质粘土
1.20
223.50
粘土
8.00
231.50
砂质粘土
0.60
232.10
粘土
4.60
236.70
粉砂
4.90
241.60
砂质粘土
1.60
243.20
粘土
19.20
262.40
砂质粘土
10.60
273.00
粘土
4.80
277.80
粘土质粉砂
0.70
278.50
砂质粘土
18.10
296.60
粉砂
1.20
297.80
粘土
2.90
300.70
砂质粘土
6.40
307.10
粘土
4.90
312.00
砂质粘土
2.80
314.80
细砂
1.50
316.30
粘土
4.80
321.10
砂质粘土
2.40
323.50
粘土
10.20
333.70
砂质粘土
2.80
336.50
细砂
2.70
339.20
粘土
5.30
344.50
细砂
4.80
349.30
砂质粘土
12.90
362.20
细砂
4.50
366.70
粘土
3.20
369.90
砂质粘土
1.10
371.00
细砂
1.60
372.60
粘土
5.20
377.80
砂质粘土
2.30
380.10
粘土质粉砂
4.70
384.80
细砂
1.40
386.20
粘土
3.60
389.80
砂质粘土
2.30
392.10
粘土质粉砂
2.60
394.70
粘土
6.80
401.50
砂质粘土
2.10
403.60
粘土
3.50
407.10
砂质粘土
4.20
411.30
粘土
4.20
415.50
砂质粘土
6.90
422.40
粉砂
3.50
425.90
粘土
7.50
433.40
砂质粘土
1.40
434.80
粘土
2.70
437.50
砂质粘土
4.70
442.20
粘土
9.50
451.70
砂质粘土
1.70
453.40
粉砂
1.10
454.50
粘土
4.20
458.70
砂质粘土
2.10
460.80
粘土
4.40
465.20
粘土质粉砂
4.40
469.60
粘土
16.30
485.90
砂质粘土
1.60
487.50
粘土
8.10
495.60
粉砂
1.10
496.70
粘土
3.10
499.80
砂质粘土
1.90
501.70
粉砂
1.40
503.10
砂质粘土
5.10
508.20
粘土
23.40
531.60
粉砂
1.70
533.30
砂质粘土
2.00
535.30
细砂
1.10
536.40
粘土
10.60
547.00
砂质粘土
2.70
549.70
粘土
3.50
553.20
砂质粘土
4.90
558.10
粘土
3.70
561.80
砂质粘土
4.90
566.70
粉砂
1.40
568.10
粘土
12.10
580.20
砂质粘土
2.60
582.80
粉砂
1.20
584.00
砂质粘土
1.10
585.10
粘土
20.40
605.50
砂质粘土
19.20
624.70
粘土
2.40
627.10
粉砂
1.20
628.30
粘土
16.90
645.20
粘土质粉砂
6.20
651.40
泥岩
0.70
652.10
砂质粘土
11.80
663.90
含砾粘土
11.70
675.60
细砂岩
4.30
679.90
粉砂岩
5.55
685.45
粘土岩
8.10
693.55
中砂岩
8.50
702.05
破碎带
0.60
702.65
中砂岩
9.90
712.55
表12井壁结构设计参数
净半径
（m）
起深（m）
止深（m）
段高（m）
厚度
内/外
（mm）
砼等级
竖向钢筋
环向钢筋
径向钢筋
6
0
-8
8
-8
-100
92
450
C30
20@250
20@250
-100
-160
60
450
C40
20@250
20@250
-160
-220
60
650
C40
25@250
25@250
-220
-330
110
650
C60
25@250
25@250
-330
-410
80
850
C60
2
25@250
2
28@200
16@400×500
-410
-480
70
850
C70
2
25@250
2
28@200
16@400×500
-480
-580
100
1100
C70
2
25@250
2
32@200
16@400×500
-580
-705
125
1100
CF80
2
25@250
2
32@200
16@400×500
注：
单排钢筋时内壁在内侧，外壁在外侧
2信息化施工监测概述
为进行龙固风井井筒冻结表土段的信息化施工，首先要获取全面、充分、真实的井壁受力、变形等监测信息。
为此，必须开展全面的监测工作，现分别概述如下。
2.1地层冻结参数监测
2.1.1监测内容
（1）冻结孔与测温孔的偏斜；
（2）冻结制冷系统运转指标监测；
（3）冻结器内盐水温度、流量及其外壁温度监测；
（4）冻结器受力及变形监测；
（5）冻结壁内、外水位观测；
（6）冻结壁温度监测；
（7）冻结壁及周围地层（分层）沉降监测。
2.1.2监测目的
通过对钻孔偏斜测量、冻结站运行状况及冻结壁形成过程的监测，能及时掌握冻结壁发展状况，为井筒开挖提供依据，并能及时地发现、处理意外事故、有效提高制冷效率。
信息化施工过程中，基于上述监测数据，并结合其它监测信息，可以开展冻结温度场及冻结壁受力与变形的反演分析、预测，从而科学地指导井筒施工。
2.1.3承担单位
建议本监测由冻结施工单位——冻结方负责。
信息化施工过程中，地层冻结单位——冻结方应将监测数据及时提供给研究方，供其开展冻结温度场的反演、预测研究使用。
2.2井筒工作面温度与变形监测
2.2.1监测内容
（1）温度监测：
包括井帮温度、井底温度、空气温度；
（2）变形监测：
包括井帮位移、井底位移、外壁收敛；
（3）井内冻土发展厚度。
需说明的是：
井帮温度、井帮位移、井内冻土发展厚度是冻结凿井施工过程中的常规监测内容，通常由井筒施工单位负责。
而其余监测内容，是为开展冻结壁温度场反演及预测研究、冻结壁变形的反演及预测研究而增加的监测内容。
2.2.2监测目的
通过本监测，可初步分析冻结壁与外层井壁的安全性。
基于该监测数据开展的冻结温度场、冻结壁受力与变形反演、预测，还可以指导深部地层的井筒掘砌施工。
2.2.3承担单位
一般地层中井帮温度与位移、井内冻土发展厚度等常规监测由井筒掘砌单位负责。
500m深度以下特定地层中工作面温度与变形监测，由研究方——中国矿业大学岩土工程研究所负责。
鉴于受各种因素影响，施工进度往往具有不确定性，为确保重点地层中工作面温度与变形参数的及时监测，500m深度以下特定地层中的工作面温度与变形监测工作也可委托井筒施工方负责。
此时应注意：
（1）中国矿业大学岩土工程研究所必须制定详细的监测技术方案与措施，并对接受委托的施工方监测人员进行培训、指导；
（2）中国矿业大学岩土工程研究所必须不定期地开展复测，检验测试结果的准确性。
需特别指出的是，无论是特定地层还是一般地层，井筒工作面温度与变形的监测数据均应及时汇总至研究方，供其开展研究时使用。
同时，数据监测者、提交者必须对监测数据的真实性、准确性负责。
2.3已成型井壁段温度、受力及变形监测
2.3.1监测内容
（1）在深度为565m~676m范围内，外层井壁及冻结壁内的温度；
（2）在深度为565m~676m范围内，冻结压力、外壁混凝土应变和钢筋应力监测。
2.3.2监测目的
掌握井壁外载的增长状况，从而能较为准确地评估外层井壁的安全性。
混凝土应变、钢筋应力监测，则可直接评估井壁结构的安全性。
需指出的是，监测范围也仅限于传感器安设位置的上、下方一定高度范围内。
因此，在此条件下，在传感器盲区范围内的其余地层中所开展的工作面温度与变形监测就变得更为重要，其监测工作也将直接影响信息化施工能否真正实现。
2.3.3承担单位
本部分监测由研究方——中国矿业大学岩土工程研究所负责。
具体而言，中国矿业大学岩土工程研究所承担的主要任务有：
传感器的标定及预处理、传感器的安装、二次仪表的安装、监测系统的调试、日常监测、数据处理与分析。
井筒施工方除对于上述需在工作面或井筒中开展的工作予以协助外，还需在研究方的指导下、根据监测系统的要求完成监测电缆的敷设工作。
3井筒工作面温度及变形监测方案
工作面温度监测包括井帮温度、井底温度、冻土进入井内的宽度监测。
工作面变形监测包括井帮变形、底臌变形、井壁收敛监测。
需要开展工作面监测的地层及具体的监测内容说明如下：
（1）监测地层以深度500m以下地层为主；
（2）温度、井帮变形监测的层间距一般为10m；井壁收敛监测的层间距一般为20m；
（3）井底变形监测难度较大，根据施工需要，在工作面变形较大时再行测量；
（4）监测中可适当调整，一般监测层位对应土层厚度小于10m时，监测层位尽可能处于土层中部。
3.1工作面温度监测
3.1.1井帮土体温度测量
（1）测点布置：
在东、南、西、北、东南、东北、西南、西北8个方向上，掘进段高的下部各设置1个测点，共计8个测点。
（2）测试时间：
掘进过程中温度测点暴露后立即测量。
（3）测试仪器：
单点数字测温仪（精度±0.1℃）。
3.1.2井底土体温度测量
（1）测点布置：
沿东~西、南~北两直径各布置1条水平测线，各测线均布置7个测点。
测点：
每条测线上，在井心及两端点共设3个测点，其余4个测点在井筒中心点两侧各布置2个，对称布置，距井心分别为1/3、2/3倍的井筒开挖半径。
（2）测试时间：
掘进过程中，井底温度测点暴露后立即测量。
（3）测试仪器：
单点数字测温仪（精度±0.1℃）。
3.1.3冻土进入井内的厚度监测
（1）测点布置：
东、南、西、北方向均开展该项测量，测量采用观察与温度试测法相结合进行。
（2）测试时间：
本段高掘进完成后开展测量。
（3）测试仪器：
单点数字测温仪（精度±0.1℃）、钢卷尺（精确至1cm即可）。
3.2工作面变形监测
3.2.1井帮位移测量
（1）测点布置
在井壁模板东、南、西、北4个方向上共设置4条钢球垂线作为基准线，在与基准线对应的井帮上、距段高上缘（刃脚下缘）为1m位置分别设置测点。
（2）测试时间
测点位置暴露后立即刷帮处理，标记测点，并量测、记录测点到基准线的初始距离；
本段高掘进结束、混凝土浇注前，测量全部测点到基准点的距离。
（3）测试仪器：
钢卷尺（精度1mm）。
3.2.2底鼓位移监测
（1）测点布置
过井心，沿东~西、南~北径向各布置1条测线；每条测线上均匀布置5个测点；并沿上述两方向，在模板内表面沿东~西、南~北径向各拉紧1根细铅丝作为基准线。
（2）测试时间
本开挖段清底后立即布置测点（测点为具有一定长度、击入土体中的钢钉，以钉帽中心为测点），拉紧基准线，并量测各测点到基准点的距离；井壁浇注完成，下一段高开始掘进前再次进行测量。
（3）测试仪器：
钢卷尺（精度1mm）。
说明：
底鼓测量作为非常规测量内容，仅当井帮变形较大时监测。
具体位置据井帮变形监测结果由业主与中国矿业大学岩土所共同研究确定。
3.2.3井壁收敛监测
（1）测点布置
沿井筒东~西、南~北两条直径各布置1条测线，共计4个基准点。
基准点于井壁拆模后在井壁表面上设置。
（2）测试时间
基准点设置完毕即测量两测线的初始长度，以后至少每12h测量1次。
如测量显示井壁收敛变形加剧，则必须适当缩短监测时间间隔。
测试人员可在吊盘上开展测量；当吊盘上无法测量时，借助梯子登高测量。
（3）测试仪器
收敛计（精度0.01mm）。
4已成型井壁段温度、受力及变形监测方案
4.1监测层位
监测层位的选择主要考虑以下因素：
（1）监测以560m深度以下、预计井帮变形较大的粘土层为主；
（2）监测层位即传感器埋设深度尽可能位于粘土层的顶部附近。
根据北风井井检孔揭示的地层状况，选4个监测层位，各监测层位特征见表4-1。
表41监测层位布置
监测层位
对应的土层
对应的外层井壁
序号
深度/m
岩（土）性
厚度（m）
底深（m）
砼
等级
内/外壁
厚度/mm
钢筋
环向
竖向
径向
1
565
砂质粘土
4.90
566.70
C70
1100
Φ32
Φ25
Φ16
2
600
粘土
20.40
605.50
CF80
1100
Φ32
Φ25
Φ16
3
635
粘土
16.90
645.20
CF80
1100
Φ32
Φ25
Φ16
4
670
含砾粘土
11.70
675.60
CF80
1100
Φ32
Φ25
Φ16
注：
表中监测层位仅是设计位置，实施过程中可根据实际揭露的地层柱状微调。
测点布设及传感器配置
（1）混凝土应变计
沿顺时针方向在外壁内侧、外侧的北、东、南、西4个方向依次布设编号为HNA、HWA、HNB、HWB、HNC、HWC、HND、HWD的8个测点；每个测点布置竖向、环向混凝土应变计各1支。
因此，每个监测层位需正常混凝土应变计16支，为了校正测量数据，在井壁北偏西30°方向内侧布置一支编号为HW的无应力混凝土应变计，每一监测层位共计17支带测温混凝土应变计。
（2）钢筋测力计
沿顺时针方向在外壁内侧、外侧的东北、东南、西南、西北4个方向依次布设编号为GNA、GWA、GNB、GWB、GNC、GWC、GND、GWD的8个测点；每个测点布置竖向、环向混凝土应变计各1支。
因此，每个监测层位需正常钢筋计16支。
为了校正测量数据，在井壁北偏西30°方向外侧布置一支编号为GW的无应力钢筋测力计，每一监测层位共计17带测温钢筋测力计。
（3）温度计
为了掌握浇筑混凝土后井帮附近土体温度变化规律，在井帮北偏西30°方向沿径向距井帮50mm、250mm、450mm、650mm处布编号为T1～T4共4支温度计。
每一监测层位共计4只温度计。
（4）土压力盒
以北侧为起点，沿顺时针方向在外壁外侧均布编号为TA~TH共8个测点。
每个测点布置土压力盒1支，用于冻结壁施加的水平压力（冻结壁融化后即外部地层压力）。
每个监测水平总需土压力盒8支。
风井井筒共需4个监测层位传感器。
每一监测层位的传感器数量为92支，共需传感器为368支。
传感器的配置统计见表42。
各层位传感器布置平面示意见图41
表42每一监测层位传感器配置统计
测试水平
传感器数量
二次仪表数量
序号
温度计
压力盒+温度计
砼应变计+温度计
钢筋计+温度计
3
1
8
8+8
17+17
17+17
传感器合计
92
图41各层传感器布置平面示意
4.2数据采集系统
二次仪表将采用进口的便携式、多功能数据采集仪。
该数据采集仪具有以下特点：
（1）优异的长期稳定性、抗干扰性、精度高、灵敏度高；
（2）可同时连接多种类型的传感器，如电阻式、应变式等；
（3）监测方式多样：
既能即时监测，也可定时自动监测；即能由计算机控制监测，也可脱离计算机自行监测；
（4）具备组网监测功能，该采集仪可并联组成网络。
（5）配备专用软件及附属硬件，可开展远程监测。
开展矿井信息化施工的关键在于冻结壁、井壁受力、变形及温度监测信息的及时、准确的采集、处理与分析。
鉴于井筒掘砌施工工期紧、任务重、凿井设备复杂，在传感器数量又非常多的情况下，敷设大量监测电缆在地面开展监测显然是极不现实的。
为此，本次将在每个监测层位处安设二次仪表。
二次仪表安设在嵌入或部分嵌入井壁的仪表箱内，与本层位的传感器距离较近，不仅减少了传感器测试电缆，而且可避免导线延长容易引起的信号微弱、抗干扰能力弱的现象，有效地提高监测灵敏度与准确度。
5监测工作量、监测人员及监测工期
5.1监测工作量
5.1.1井筒工作面温度及变形监测
中国矿业大学岩土工程研究负责开展冻结表土段500~676m深度范围内，重点地层中工作面温度与变形的监测。
5.1.2已成型井壁段温度、受力及变形监测
主井已成型井壁段温度、受力与变形监测主要涉及4个土层，见表4-1。
在监测中，中国矿业大学岩土工程研究需在井内开展的工作主要包括钢筋绑扎、打灰期间的传感器安装及电缆连接。
5.2监测人员
监测人员分两类：
（1）常驻现场的监测人员
通常情况下，必须有3名常驻现场的监测人员，其主要职责在于：
开展日常监测；进行数据处理及研究；负责系统维护。
（2）传感器安装技术人员
传感器安装需要具有丰富经验的熟练的技术人员来完成。
考虑到本工程中传感器数量多，布设复杂，因而每个监测层位开展传感器安装时均需8~9名专门的安装人员。
传感器安装人员一般在施工至监测层位前2~3天抵达现场，完成本层位传感器的安装后即撤离。
5.3监测工期
监测工期，以常驻现场的监测人员在监测现场的常驻时间计。
考虑到现场监测需做大量的准备工作，监测人员最迟应在井筒施工至500m前30日进驻现场。
井筒冻结段内壁套砌结束后，监测研究人员方可撤离。
因此，一个井筒监测工期包括：
（1）进驻现场准备期30日；
（2）冻结表土及风化基岩段500m~717m（共217m）的掘进及外壁施工期：
4个月；
（3）内壁套砌施工工期（0~717m，含工序转换）：
2个月。
合计：
约7个月（注：
外壁掘砌施工速度，对于500m~717m深度范围，按55米/月计算；内壁施工速度，按10~12m/d计算）。
6监测数据的处理及研究
信息化施工通过数据监测、数据处理、信息反馈，完成对施工过程中冻结壁、井壁安全性的评估，科学地指导施工。
显然，数据处理是其中的关键环节。
为此，研究方需对全部监测数据进行全面地分析处理，不仅包括中国矿业大学自行获得的监测数据，还包括冻结单位、井筒掘砌单位获得的监测数据。
6.1监测数据的常规处理与分析
主要指对全部监测数据进行初步的处理与分析。
重点在于获得用于评估冻结壁、井壁结构安全性的信息。
主要处理方法及预期目标如下：
7.1.1数据处理方法
绘制监测量~时间等参量间的实时关系曲线。
通过曲线趋势分析，结合冻结壁、井壁结构自身的力学特性，分析其安全性。
7.1.2预期目标
采用上述处理方法，预计将获得：
（1）盐水温度~冻结时间关系曲线（实际降温曲线）；
（2）测温孔温度监测值~冻结时间关系曲线；
（3）冻结管内外温差~冻结时间关系曲线；
上述
（1）~（3）项数据成果是开展冻结温度场反演、预测研究的关键。
（4）井帮位移~暴露时间关系曲线（仅限膨胀性较强、厚度较大的地层）；
对于厚度较大的强膨胀性地层，井帮变形通常较大
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