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1、第一篇 矿井的基本情况第一章 井筒概况中国中煤能源集团公司（简称“中煤集团”）是国务院国资委管理的国有重点骨干企业，主营业务包括煤炭生产及贸易、煤化工、坑口发电、煤矿建设、煤机制造、煤层气开发，以及相关工程技术服务。中国中煤能源股份有限公司新疆分公司（以下简称“中煤新疆分公司”）成立于2008年6月，驻地在乌鲁木齐市高新区,是中煤集团及中煤能源在新疆设立的分支机构，负责中煤能源在新疆项目开发建设和生产经营管理工作，代表中煤能源履行出资人职能。2009年3月28日，中煤集团与新疆维吾尔自治区人民政府签订了战略合作框架协议，根据协议，中煤集团将在未来五年内，投资不低于1000亿元在吐哈、准东、伊犁
2、等煤炭资源富集地区，建设大型煤炭、发电、煤化工等项目和产业园区，双方在大型煤炭项目勘探开发，大型煤电、煤化工项目建设，煤矿建设服务，煤层气开发与利用等领域开展全方位合作。在哈密地区建成商品煤产业基地，在准东、伊犁地区形成煤电、煤化工产业基地。该战略合作框架协议的签订，拉开了中煤集团快速、高效开发新疆煤炭资源的序幕。2009年4月，中煤能源新疆煤电化有限公司在新疆石河子市注册成立，负责准东帐南东煤炭、煤电、煤化工项目开发，公司年产40亿立方米煤制天然气项目于2011年5月30日在准东五彩湾工业园开工奠基，规划建设的21000MW燃煤电厂、1200万吨/年煤矿正在作前期准备工作。2009年7月，中
3、煤能源哈密煤业有限公司在新疆哈密市注册成立，负责哈密大南湖地区的煤炭资源开发，建成疆煤外运的重要基地之一，1000万吨/年特大型煤矿已开工建设，配套选煤厂、2330MW煤矸石电厂项目均在进行前期准备工作。2009年7月，中煤能源伊犁煤电化有限公司在新疆伊犁州察布查尔县注册成立，负责在伊犁察布查尔县煤炭、煤电、煤化工项目开发，公司年产60万吨煤制烯烃项目于2011年5月28日在伊犁州察布查尔县开工奠基，600万吨/年煤矿正在进行项目可行性研究。此外，中煤新疆分公司拟在乌鲁木齐甘泉堡高新工业园区建设甘泉堡2660MW电厂和煤机制造项目。作为中煤集团确定的“五大产业基地”之一，中煤新疆基地即将迎来开
4、发建设的热潮。 中煤能源哈密煤业有限公司大南湖十号煤矿井田位于新疆维吾尔自治区哈密市东南约70km处，行政区划隶属新疆维吾尔自治区哈密市管辖。本井田位于哈密市东南70km处，行政区划属哈密市管辖。地理坐标：东经940130940800；北纬422430422830。井田境界东西长8.93km，南北宽7.48km，面积66.80km2，含煤区东西长约8.9km，南北宽约3.41 km6.7km，含煤面积约41.8 km2。本井田对外公路交通主要是位于矿区东部南北向通过的312国道和正在建设中的星星峡至吐鲁番高速公路，以及在本矿区西部从鲁能大南湖矿区南北向通过的哈密至罗中公路。矿井建设规模10.0
5、0Mt/a，服务年限84.3a。矿井采用斜井开拓。工业场地布置有主斜井、副斜井，风井场地布置一个回风立井3个井筒。供电电压等级为10kv。主斜井净宽5.2m，净高4.1m，倾角14。冻结段井壁采用双层井壁，外层厚度80mm（钢筋网+工16钢骨架+喷射砼），内层厚度720mm（钢筋砼）；底部为反底拱，反底拱开挖深度1.5m。主斜井井筒的主要技术特征见表1表1 主斜井井筒主要技术特征表序号 项 目单位主斜井井筒1井筒中心坐标mX=4702069.000 Y=31588000.000 Z=+726.002井检孔坐标副检3mX=4701900.039 Y=31588090.087 Z=+725.303
6、补1号mX=4701700.000 Y=31588260.000 Z=+726.604补4号mX=4701700.000 Y=31587920.000 Z=+725.1155副检1mX=4701640.106 Y=31588254.965 Z=+726.606井筒倾角147井筒净宽（m）m5.28井筒净高（m）m4.19掘进荒宽（m）m7.010掘进荒高（m）m6.4第二章 井筒地质及水文地质2.1 地质概况井田内地表为大片的第四系、新近系覆盖区，地层主要有第四系（Q）、新近系上新统葡萄沟组（N2p）、侏罗系中统头屯河组（J2t）、侏罗系中统西山窑组（J2x），石炭系上统梧桐窝子组（C2wt）
7、。含煤地层为中侏罗统西山窑组。井田内共99个钻孔控制到该组地层。其岩性为滨湖相-泥炭沼泽相沉积的泥岩、粉砂岩、细砂岩、粗粒砂岩、炭质泥岩和煤层，是本次勘探工作的主要对象。西山窑组地层厚度变化较大，钻孔控制地层平均厚度677m，总体呈北厚南薄的变化规律，井田含煤地层具有北部浅、南部深的特点。本井田所属的大南湖矿区属于新区，区内尚无生产矿井，大南湖矿区只有鲁能大南湖矿井在建设中，预计明年投入生产；本井田东部的重庆能源矿井正在进行筹建，其它勘查区的地质勘查工作尚未完成，各区的勘查程度不等。区内全被第四系松散层覆盖，经钻孔揭露地层有：第四系（Q4）、新近系上新统葡萄沟组(N2p)、侏罗系中统西山窑组（
8、J2x）。自上而下穿见地层如下：(1)第四系松散层（Q）主要为砂质粘土、砾石、中细砂及砂砾石层。与下伏地层不整合接触。钻孔控制地层厚度4.9011.84m，平均8.33m。(2)新近系上新统葡萄沟组(N2p)岩性主要为浅红色、绿灰色泥岩、粉砂岩、粗砂岩。多为泥质、粉砂状、粗粒砂状结构，砂岩成份由长石、少量石英及岩屑组成，泥质胶结，胶结程度差，易风化，遇水易膨胀、崩解，多呈柱状、碎块状，松软。与下伏地层不整合接触。钻孔控制地层厚度130.79233.60m，平均197.83m。(3)侏罗系中统西山窑组（J2x）岩性主要为浅黄色粉砂岩、泥岩、细中粒砂岩和煤层。多为泥质、粉砂状、细中粒砂状结构，砂岩
9、成份由长石、少量石英及岩屑组成，泥、钙质胶结，具水平纹理，含植物茎部化石，裂隙稍发育，偶见炭屑，多呈柱状，坚硬。钻孔控制地层厚度197.39243.78m。2.2 水文地质概况2.2.1 井田水文地质本井田位于大南湖坳陷区（8）东北部，区内地层主要由第四系松散岩类、新近系、侏罗系沉积碎屑岩类组成，划分的依据主要以岩性组合特征、地层富水性作为含水层（段）的划分依据。沉积碎屑岩的各类岩石，其单层厚度沿走向方向的变化较大，可由数厘米变化到数米，尤其以砂岩最为明显，沿走向、倾向变化极大，因此只能以较大的岩性段来划分含（隔）水层（段）。通过钻孔简易水文地质观测，当钻进到中粗砂岩、砾岩段时，孔内出现消耗液
10、和水位变化较大，而钻孔进入至泥岩等细颗粒岩段时，孔内水位变化不大或冲洗液不发生变化，所以本次将泥岩等细颗粒岩石划分为相对隔水层，而将粗砂岩、砾岩等岩石划分成含水层。2.2.2 井检孔层段主要含水层特征根据井筒检查钻孔所获资料，井筒设计掘进层段穿见的含水层自上而下分为三个含水层组，即第四系透水不含水层；新近系上新统葡萄沟组含水层；侏罗系中统西山窑组含水层。现将其水文地质条件分述如下：1）第四系透水不含水层由粗、中、细、粉砂及粉土组成。含砾径为0.27cm的砾石，次园状砾石不一，松散，无胶结。该层处于地表，即使有微量的降水入渗，也形不成饱和的包气带，而耗于其后的强烈蒸发。这些堆积物虽透水性较好，但
11、不具储水条件，为透水不含水层。主检5孔：揭露该层厚度为5.70m。2）新近系上新统葡萄沟组含水层岩性主要为泥岩、粉砂岩、粗中粒砂岩、细粒砂岩。泥岩为泥质结构，平坦断口，易风化，遇水易膨胀、崩解，松软。砂岩分别为粗、细、粉砂状结构，成分由长石、少量石英及岩屑组成，泥质胶结，分选差，次棱角次园状。呈柱状、短柱状、碎块状，较坚硬。主检5孔：揭露该层埋深范围5.70239.30m，厚度233.60m，标高为721.30487.70m。简易水文观测未发现有明显消耗。本次井检孔抽水试验结果：平均单位涌水量0.07914L/s.m，渗透系数0.09804m/d，水位标高683.65m，矿化度549.74mg
12、/l，硬度4.080mg/l，pH值7.0，水质为SO4HCO3ClNaCa型。属于承压裂隙富水性弱含水层。3）侏罗系中统西山窑组含水层岩性主要为粉砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩、泥岩及煤层。砂岩为粗、中、粉砂状结构，成分由长石、石英及岩屑组成，泥质、钙质胶结，裂隙稍发育，局部含炭质团块，含化石，较坚硬。泥岩为泥质结构，胶结差，易风化，遇水易膨胀、崩解。呈柱状、短柱状、碎块状。主检5孔：揭露该层埋深范围239.30285.52m，厚度为46.22m，标高为487.70441.48m。简易水文观测未发现有明显消耗。本次井检孔抽水试验结果：单位涌水量0.002044L/s.m，渗透系数0.00604m/
13、d，水位标高689.17m，矿化度537.10mg/l，硬度4.160mg/l，pH值7.2，水质为SO4HCO3Ca型。属于承压裂隙富水性弱含水层。4）主斜井井筒涌水量预算主斜井穿过的地层为新近系上新统葡萄沟组及侏罗系中统西山窑组，因此分别计算各层段涌水量。新近系上新统葡萄沟组：采用补4、检5、检6、补2（N2p下段）孔取得的数据。侏罗系中统西山窑组：采用检4、检5孔资料取得的数据。主斜井井筒涌水量为：葡萄沟组为252m3/h，西山窑组为28m3/h，合计为280m3/h。2.2.3 构造该井检孔未发现断层或破碎带。2.2.4 水力联系区内无常年性流动的地表水流 。地下水的补给，主要源于大气
14、降水、雪融水的补给。进入到春季融雪期或夏天的雨季，雪融水或阵雨、暴雨易在地表形成暂时性地表水流，在顺地形坡度或冲沟向下游排泄的同时，可通过地表风化、构造裂隙等入渗补给地下水。由于暂时性地表水流具有时间短、速度快的特点，对地下水的补给主要表现在瞬间补给，其补给量较少，故区内地表水与地下水的水力联系不甚密切。新近系上新统葡萄沟组弱含水层、侏罗系中统西山窑组弱含水层，均为层间承压水，其间赋存厚层泥岩与粉砂岩隔水层，层位稳定，水文地质特征也不尽相同，初步判断井检孔所处地段基岩含水层之间地下水不存在明显的水力联系。2.3 井筒工程地质条件大南湖十号煤矿主、副、风井井筒检查孔穿见的地层由新到老分别为第四系
15、、新近系上新统葡萄沟组、侏罗系中统西山窑组地层。根据岩石物理力学试验成果，对井检孔位置地层的工程地质特征叙述如下：（1）松散岩组埋深为4.9011.84m，主要为砂质粘土、粘土、中细砂及砂砾石层。无胶结，散体结构，结构体呈颗粒碎屑状，遇水塌陷、地基沉降，边坡坍塌位移，属极不稳定型。（2）风化岩组新近系上新统葡萄沟组与下伏地层侏罗系呈超覆不整合接触，埋深为4.90243.78m，岩性为泥岩、粉砂岩、砂岩互层，底部为灰色钙质砂砾岩。该地层均已受到不同程度的风化，使岩石结构松散，除泥岩结构构造已不清楚，其他岩石结构未发生改变。散体结构，以、级结构面为主，结构面多为泥膜、碎屑和泥质物充填。结构体形态为
16、组合板状体或薄板状体，近松散介质，具塑性特征，易发生压缩沉降、塑性挤出、鼓胀等，属极不稳固型。侏罗系西山窑组浅部风化层，风化深度一般为3050m。岩石完整程度遭受破坏，成碎块状、薄饼状及短柱状，近散体结构（），风化裂隙较发育，一般岩石结构未发生改变。经风化后岩石力学性质有所降低，略低于新鲜岩石，属不稳固型。根据岩石物理力学试验成果，副检3孔揭露的基岩地层工程地质特征分别描述如下；1）砂砾岩：厚度为9.53m，占本组地层厚度的4.77%，厚层状，成分由石英岩、凝灰质砂岩等组成，砂、泥、钙质胶结，RQD值为18.91%。岩石物理力学试验结果显示，其容重2.43g/cm3，含水率1.63%，抗压强度
17、（天然19.3MPa、干燥25.3MPa、饱和2.4MPa），抗拉强度1.50MPa，内摩擦角4018，凝聚力系数1.3，普氏硬度系数2.21，切线模量0.86，泊松比0.10。 2）粗粒砂岩：厚度为26.32m，占本组地层厚度的13.16%，厚层状，成分由长石、少量石英及岩屑组成，泥质胶结，RQD值为21.31%。岩石物理力学试验结果显示，其容重2.35g/cm3，含水率2.60%，抗压强度（天然11.9MPa、干燥15.7MPa、饱和1.3MPa），抗拉强度0.78MPa，内摩擦角4100，凝聚力系数1.3，普氏硬度系数1.37，切线模量0.63，泊松比0.18。 3）中粒砂岩：厚度为3.
18、30m，占本组地层厚度的1.65%，厚层状，成分由长石、少量石英及岩屑组成，泥质胶结，RQD值为43.03%。岩石物理力学试验结果显示，其容重2.02g/cm3，含水率1.34 %，抗压强度（天然2.4 MPa、干燥4.5MPa），抗拉强度0.48MPa，内摩擦角4218，凝聚力系数0.3，普氏硬度系数0.28。4）细粒砂岩：厚度为36.43m，占本组地层厚度的18.22%，厚层状，成分由长石、少量石英及岩屑组成，泥质胶结，RQD值为23.82%。岩石物理力学试验结果显示，其容重2.45g/cm3，含水率6.72%，抗压强度（天然0.940.7MPa、干燥3.251.6MPa、饱和2.69.4
19、MPa），抗拉强度0.131.64MPa，内摩擦角4100，凝聚力系数1.5，普氏硬度系数0.101.29，切线模量1.53，泊松比0.10。5）粉砂岩：厚度为44.61m，占本组地层厚度的22.31%，厚层状，泥质胶结，含少量化石，RQD值变化较大，为081.27%。岩石物理力学试验结果显示，其容重2.16g/cm3，含水率4.22%，抗压强度（天然9.7MPa、干燥11.6MPa），抗拉强度0.69MPa，内摩擦角4106，凝聚力系数1.7，普氏硬度系数1.11，切线模量0.53，泊松比0.14。6）泥岩：厚度为84.04m，占本组地层厚度的42.02%，泥质结构，平坦断口，易风化，遇水易
20、膨胀，呈柱状、短柱状，松软。RQD值为6.2549.97%。岩石物理力学试验结果显示，其容重1.99g/cm3，含水率2.77%，抗压强度(天然6.9MPa、干燥10.3MPa)，抗拉强度0.87 MPa，内摩擦角4042，凝聚力系数0.8，普氏硬度系数0.79，切线模量0.43，泊松比0.15。主斜井地层结构见表2.3.1、表2.3.2、表2.3.3表2.3.4。表2.3.1 地层结构一览表(副检3钻孔) 序号名称厚度（m）深度(m)序号名称厚度（m）深度(m)1黄土9.099.0911粉砂岩4.7790.022泥岩11.620.6912细粒砂岩4.2494.263粉砂岩5.3826.071
21、3粉砂岩4.7799.034泥岩8.2534.3214泥岩1.47100.55粉砂岩4.7739.0915中粒砂岩3.3103.86泥岩10.0849.1716粗粒砂岩8.94112.747粉砂岩4.353.4717细粒砂岩9.03121.778泥岩18.0371.518泥岩34.61156.389粉砂岩8.9880.4819细粒砂岩4.77161.15 10细砂岩4.7785.2520粗粒砂岩4.13165.28表2.3.2 地层结构一览表(补1号钻孔) 序号名称厚度（m）深度(m)1砂砾土12.1612.162泥岩50.963.063砂砾34.497.464泥岩9.73107.195粉砂岩
22、9.23116.426泥岩5.3121.727砂砾4.03125.75表2.3.3 地层结构一览表(补4号钻孔) 序号名称厚度（m）深度(m)1砂砾11.9411.942泥岩55.2367.173砂砾29.5996.764泥岩11.89108.655粉砂岩13.71122.366泥岩4.01126.377砂砾4.03130.4表2.3.4 地层结构一览表(副检1钻孔) 序号名称厚度（m）深度(m)序号名称厚度（m）深度(m)1黄土11.8411.8411粗粒砂岩6.0789.962泥岩7.3719.2112泥岩13.57103.533粉砂岩2.4721.6813粉砂岩4.8108.334泥岩1
23、7.4439.1214细粒砂岩5.71114.045粉砂岩4.7743.8915中粒砂岩10.01124.056泥岩23.367.1916泥岩1.07125.127细砾岩1.868.9917粉砂岩1.9127.028粉砂岩2.471.3918粗粒砂岩2.87129.899粗粒砂岩2.3773.7619泥岩12.74142.63 10细砾岩10.1383.89第二篇 井筒冻结施工组织设计 第一章 斜井冻结法的有关研究1.1 斜井冻结法的研究意义冻结法凿井作为通过不稳定冲积层及邻近含水基岩的特殊凿井施工方法一直是国内外矿井建设领域研究的热点之一。随着煤炭工业的高速发展，近年来矿井建设工程量也有很大
24、程度的增加，而由于地质条件较好的煤田已经大量开发不能满足需求时，人们就不得不在地质及水文地质复杂、煤炭资源丰富的矿区进行新井建设。我国能源 70%依赖于煤炭的现状在短期内不会发生根本性转变，而目前的趋势表明，煤炭需求旺盛，专家估计我国未来一段时期煤炭的年需求量将达到 40 亿吨，建设一批新的大型、特大型矿井已是我国经济建设和发展的必然要求。另一方面，在新矿区开发中，越来越多地遇到复杂地层，特别是要穿过厚度不等的表土层，给新井建设带来了很大困难。如东部老矿区的新井建设中，两淮矿区、兖州矿区等表土层厚从几十米到 500 米左右不等，中间还含有多层流砂，涌水量大；华北的开滦矿区表土层从几十米到 57
25、0 米左右，含有流砂和砾石层，而且基岩裂隙中涌水达 60300；邯邢地区表土层厚约 290 米，基岩裂隙涌水也很大；东北地区沈南煤田表土层厚在 100 米以上；华中的平顶山矿区岩石裂隙涌水经常在 100200。而对于西部的山西、陕西、内蒙古、新疆等地矿区表土层厚度加大的同时，气温降低，表土层的地质和水文地质条件更加复杂。在这种条件下用普通凿井法将遇到很大困难，甚至是不可能的。必须采取与普通凿井法由明显区别、更具有施工优势的特殊凿井法进行施工。目前，通过深厚表土层的凿井方法主要是冻结法和钻井法。由于冻结法施工适应性广，在施工中后续手段多，施工速度快，质量高，可有效隔绝地下水，因此，冻结法是我国特
26、殊凿井施工的首选技术。冻结法在立井的掘砌施工过程中应用广泛，但斜井冻结法施工在我国应用的实例较少，70 年代初在三个斜井中应用过，但深度较浅。尤其是地处新疆的大南湖矿井，地质条件复杂多变，斜井断面大、倾角大，同时冬季施工还要克服低温对冻结的影响，这些不利因素，成为冻结法能否成功应用的瓶颈。为此，只有应用国内外先进的冻结技术，科学合理地确定高原低温条件下过富水段表土层的冻结形式、工艺与参数，提高斜井冻结设计的科学性，冻结质量的可靠性，以及冻结施工的经济合理性等研究工作，才能成功解决上述难题。1.2 国内外研究现状冻结技术始于十九世纪，1862 年英国工程师在南威尔士首次使用人工地层冻结技术加固地
27、基。1880 年德国人 E.H.普特奇提出了人工冻结法原理，并于 1883 年将这一原理应用于阿尔里德煤矿的冻结法凿井。国外采用冻结法凿井较多的国家有英国、德国、波兰、前苏联、加拿大和比利时等，这些国家的冻结凿井深度均达到过 500m 以上，但多为含水量和地压较大的基岩地段，对于深厚冲积层的深井冻结施工工程并不多见，斜井冻结施工更是少之又少。国外在煤矿中冻结深度最深的是波兰的卢布林 1 号井副井，冻结深度达 725m(净径 6.0m)，但冲积层厚度仅有 40m。国外采用冻结法穿过冲积层最厚的矿井是前苏联的雅科夫铁矿 2 号井，该矿冲积层深度 571.2m，其冻结深度 620m。英国的博尔比钾盐
28、矿井，地层冻结深度达 930m，为世界上冻结深度最深的矿井。但 10 多年前，英国和德国已停止建设新矿井。近 10 余年来，波兰和前苏联地区也很少有通过深厚冲积层的新井开工，相应的研究工作开展的也较少。我国 1955 年首次采用冻结施工技术进行了开滦林西风井的施工。截止目前最大冻结深度 740m（安徽口孜东煤矿主井），穿过最大表土层深度 587.4m（山东郭屯煤矿主井）。在理论研究方面，崔广心等采用大型立井模拟试验台，对冻结壁的径向变形、外载荷、掘进段高、冻土时间和时间等参数间的关系，冻结管变形、应力与冻结壁厚度的关系进行了模拟实验研究，获得了冻结壁厚度与各参数间关系的回归方程，证实了冻结壁整
29、体强度弱是冻结管断裂的主要原因。吴紫汪等用物理模型试验研究了冻结壁径向变形规律和工程底鼓问题。郁楚侯等也对冻结壁的整体性能进行了模拟研究。我国冻结法凿井以立井井筒为主，70 年代冻结技术应用于斜井井筒冻结，由于我国斜井井筒冻结没有专门打斜长钻孔机。为此打钻均采用垂直孔，其缺点是打钻工程量大，占地面积大，因此只适用于浅表土，或原斜井井筒施工用普通法因出事故无法继续施工，用冻结法来处理。现我国斜井井筒最大冻结斜长为 114.8m，垂直钻孔最大深度为 88m。斜井冻结法与立井冻结法因井筒开拓方式的不同，导致了各自冻结方案和冻结设计上的不同。在立井冻结法凿井工程中，为缩短冻结时间和降低冻结壁的平均温度
30、，多采用的是多圈管(两圈管、三圈管甚至四圈管)的冻结方案，冻结孔一般按等距离布置在与井筒同心的圆周上。斜井冻结水平距离长，冻结孔多，盐水干管为平行布置，管路比立井井筒复杂，为此要合理安排盐水来去路管线，保证各冻结管能均匀分配到流量。斜井井筒冻结在井内不能设置水文观察孔，为此只能用测温孔来判断。第二章 冻结法相关理论与分析2.1 冻结壁温度场形成的理论分析2.1.1 冻土的形成过程冻土的形成过程，实质上是土中水结冰并将固体颗粒胶结成整体的物理力学性质发生质变的过程，也是消耗冷量最多的过程。如图 2.1所示，土中水的冻结过程可以划分为五段: 图2.1.冻土中水冻结过程曲线1冷却段：向土层供冷初期，
31、土体逐渐降温以达到冰点；2过冷段：土体降温至 O以下时，自由水尚不结冰，呈现过 冷现象；3突变段：水过冷后，一旦结晶就立即放出结冰潜热，出现升温现象；4冻结段：温度上升接近 O时稳定下来，土体中的水便产生结冰过程，将矿物颗粒胶结成整体形成冻土；5冻土继续冷却段：随着温度的降低，冻土的强度逐渐增大。2.1.2 冻土的热物理参数冻土是由矿物颗粒、冰、未冻水和气体所组成的四相物体，冻土和未冻土的物理性质有很大差别，是由于土中水处在不同相态时或者正在发生相变时的特性所决定的。由于冰的导热系数约为水的四倍，而冰的热容量约为水的二分之一，冻土中的含冰量愈大，其物理性能的差异也愈显著。描述冻土物理性质的主要
32、指标有比热、导热系数、导温系数和热容量。 1、导热系数在固体中某过热断面上传递的热流密度与其法线方向上的温度梯度成正比，这个比例系数称为导热系数。 （KJ/m.h.k）它表示物体传热的难易程度，冻土导热系数与其颗粒矿物成分、颗粒大小、含水量、温度有关，同一类型冻土：含水量越大，导热系数也就越大；矿物颗粒大，导热系数也越大。 2、比热C1kg质量的冻土温度变化1K时，所吸收（放出）的热量称为比热，KJ/kg.k KJ/kg.k式中： c、分别为冻土、土、冰、水的比热，其中0.710.84，2.1，4.2 w含水量（水与干土质量之比）， 未冻水含量（未冻水与干土质量之比）， 3、容积比热 1m3冻
33、土温度变化1K时，所吸收或放出的热量，kJ/m3.k KJ/m3.k式中： 土颗粒的干重度，13001700kg/m3冻土的热容量Q每m3岩土从原始温度降到某冻结温度的放出的热量，Q式中： 水由降到0时放出的热量 0水到0冰的潜化热， 冰由0降低到t放出热量， 土由降到t时放出的热量 4、导温系数a是岩土中温度传递的热惯性指标，表示固体在中温度变化的难易程度，m2/s 随含水量增大而增加2.1.3 冻土的力学性质 1、冻土的抗压强度冻土强度瞬时强度冻土在极短时间内迅速受到外力作用，蠕变还没有发生，脆性破坏时的强度，（0.51.0h）长时强度冻土在外力长时间作用下，发生蠕变而最终失去抵抗外力 能
34、力时强度（200h）.蠕变应力不变时，应变随时间变化的特性冻土是一种流变体，具备流变性，其强度随时间延长而降低：,一般取（0.40.5）， （22.5）通常所讲的强度指 2、影响冻土强度的因素冻土温度冰的强度和胶结能力随温度的降低而增大，因此，冻土强度也随温度的降低而增大。苏联学者建议：0.015t2+1.079t+1.961兰州冻土所建议：=a+bt a,b试验常数，与温度有关。含水量试验证明： 土中水含量未饱和前： 含水量越高冻土强度越大 土中水含量饱和后： 含水量越高冻土强度越低冻结速度冻结速度的快慢影响冰的结构，速度快， 细颗粒冰多 强度高速度慢， 粗颗粒冰多 强度低土颗粒组成（岩土类
35、型）岩土矿物成分对冻土强度影响甚小，而岩土颗粒大小则影响显著，试验表明：在其它条件相同情况下，土颗粒越大，其冻土强度就越高，原因有二：a、土颗粒本身强度不同，粗颗粒土本身强度高，冻土强度高，b、不同土颗粒焓结合水不同，粗颗粒土中几乎无结合水，冻土中未冻水少，故冻土强度高。2.1.4 影响冻结壁温度的主要因素1.未冻水含量当土体冻结时，特别是当细分散土(如粘性土)冻结时，在土的冻结温度下，远非所有的水都结成了冰，而只是其中的一部分变成了冰。当负温进一步下降时，继续发生水的相变，但总的强度减小了，而且，发生冻结的水的数量不仅将决定于负温度值(主要因素)，而且决定了于矿物颗粒的比表面积、吸附阳离子的
36、成分、压力等。土体中的未冻水含量多，土体冻结较慢，粘性土比砂土中含较多的未冻水，砂土就较容易冻结。土体中的未冻水含量直接影响到土体的相变潜热，进而影响土体温度的下降。冻土中的未冻水含量不仅是计算相变潜热的必要指标，而且直接制约冻土的力学特性，其含量随土类、温度和外载而变，并与冻结负温值保持幂函数形式的动态平衡关系。其数学表达式如下： 式中：Wu无外载条件下的未冻水含量，%；q 冻土温度，取其绝对值，； a，b由土质决定的常数，由试验确定。俄罗斯学者通过研究未冻水含量与负温值之间的关系划分出冻土中水分的个主要相变区：0-5剧烈相变区。在该区内，温度变化 1时未冻水含量的变化为 l%或大于与干土重
37、之比；5-10缓慢过渡区。未冻水含量的变化量小于 1%，但大于 0.1%；10以下为实际的冻透区。温度每降低 1，水相变成冰的数量不超过 1%。俄罗斯学者 EgorG.Starostin 用量热法研究了未冻水含量与总含水量的关系。由于湿存水与纯水结晶热不同，首先通过试验测定土壤水的结晶热，然后用它来计算未冻水含量。试验表明，在低含水量条件下，未冻水含量对总含水量有明显的依赖关系，当含冰量增大时，这种依赖关系则不明显。2 土的冻结温度标准大气压下自由水的冻结温度是 0，但处于矿物颗粒表面力场中的孔隙水，特别是当其呈薄层(薄膜水)时，冻结温度更低，而土的冻结温度是指土体中孔隙水稳定冻结的温度，土体
38、孔隙水的冻结有其自身特点，这是由于与土体矿物颗粒表面的相互作用和水中具有某种数量的盐分所决定的。孔隙水冻结的同时伴随着土体体积增大、析冰作用、土颗粒冻结。土体中的水由于受土颗粒表面能的作用及溶质的存在和地压影响，其冻结温度均低于 0，因而土体的冻结温度应试验测定。在给定含水量及无外载条件下土体的冻结温度： 式中 土体的冻结温度，； 土体的含水量，%；a，b由土质决定的常数，由试验确定。在相同初始含水量的情况下，土颗粒细的，其冻结温度低；土颗粒粗的冻结温度高。一般情况下，当含水量为液限含水量时，粘性土类的为-0.10.3左右；砂和砂性土的为 00.2。土的含盐量的大小也影响着它的冻结温度的高低，
39、含盐量大，其冻结温度低，而含盐量又与水分有关，土的含水量大，土中盐稀释，冻结温度高；土的含水量小，盐的浓度增大，冻结温度就低。试验表明，当土的含水量不同时，冻结温度也不同，其规律是土的冻结温度随含水量的增加而升高。2.1.5 冻结壁平均温度的计算方法冻结壁的平均温度是计算冻结壁厚度的基本参数之一。冻结壁的平均温度主要取决于冻结壁的厚度、盐水温度、冻结孔间距、井帮冻土温度等因素，而受冻结管直径的影响较小。在实际工程中筒形冻结壁不仅径向各点的温度不同，环向各点的温度也有所差别。加上由于钻孔的偏斜，以及每个冻结管在冻结过程中的差别，实际形成的冻结壁是不均匀的，要精确计算冻结壁的平均温度是困难的。一般
40、近似地按冻结孔最大间距处主界面冻结壁平均温度之和的一半来计算。现有的冻结壁平均温度计算公式可分为三类：第一类是由纯理论推导得出的，如特鲁巴克公式是由单个冻结管传热条件推导出来的，未考虑邻近冻结管的相互影响和井筒的实际冻结状况，计算出来的冻结壁平均温度偏高。第二类是通过模拟试验得出的半经验公式，如纳索诺夫一苏普利克公式，但模拟试验冻结过程的冻结壁厚度较小，且未考虑井筒的实际冻结状况，计算结果只在较小的范围内适用。第三类是通过实测得出经验公式，如斯捷潘诺娃公式，它比较接近实际，但由于利用该公式时需事先掌握冻结管外壁的温度情况，而该温度受冻结管内盐水运动状况、冻结时间和冻结壁厚度等因素的影响，很难精
41、确计算，加上该公式未考虑井帮冻土温度对冻结壁有效厚度的平均温度的影响，适用范围也受到一定的限制。冻结壁平均温度随孔距的增大而升高，孔距愈小，冻结壁平均温度愈低。冻结壁平均温度随井帮冻土温度的降低而降低。冻结壁扩入井筒荒径后，当孔距 1.52.5m，井帮冻土温度每降低 1，冻结壁有效厚度的平均温度相应降低 0.20.3。冻结壁平均温度随冻结管直径的增大而降低，管径每差 5mm 时，冻结壁平均温度的差值约为 0.1。平均温度一般是按冻结壁主面平均温度与界面平均温度之和的一半计算。国内外冻结壁平均温度的计算方法：中国成冰公式：.M.斯捷潘诺娃公式.纳斯诺夫，M.H.苏普力克公式式中，按成冰公式计算的
42、冻结壁有效厚度的平均温度；按冻结壁零度边界线计算的平均温度；井帮冻土温度，井帮未冻时取零度；冻结盐水温度；L冻结孔间距；E冻结壁厚度；一按.M.斯捷潘诺娃公式计算的冻结壁平均温度；冻结管外壁的岩层温度；R冻结孔布置圈直径；d冻结管外直径；E冻结壁的内侧厚度；E冻结壁的外侧厚度；冻结管内直径2.2 冻土的强度与变形性质2.2.1 冻土的强度特性(l)抗剪强度土的种类、温度、外载大小及其作用时间都影响到冻土的抗剪强度。有关试验表明，在冻结过程中，冻土可以看作为很密实的，此时其剪应力和正应力之间关系一般为非线性的，但为了实用，冻土的抗剪强度也可以用库伦定律来表示，即： 式中：抗剪强度；s 正压应力；
43、f 内摩擦角； C粘聚力。这些特性对冻土来讲都是变化的，它们会随着土壤构造特性，冷冻温度，试验时间和其他因素而急剧地变化。影响冻土抗剪强度的主要因素：土壤在试验时的状态和具体工作条件在确定抗剪强度、选择方法(很密实的，密实的和不密实的土样)，评价试验资料、划分抗剪强度为摩擦力和粘结力等情况下需考虑这一因素。冻土结构冻土的抗剪强度取决于它的构造。整体状构造的冻土在其他条件相同的情况下，其摩擦力和粘结力小于网状结构的冻土。试验中的温度规律冻土抗力对温度变化非常敏感，特别是在水的相态急剧变化的温度范围内。在其他条件相同的情况下，冻土的抗剪强度比融土大好几倍，随着温度升高，更多的冰转化为未冻水，冻土的
44、抗剪强度便逐渐降低。试验时间试验研究表明，冻土在长期荷载作用下将出现伴随有强度下降的过程。由于冰具有流变性，因而，剪切荷载作用时间越长，冻土的抗剪能力也越低，由此导致长期抗剪强度大大低于瞬时抗剪强度。在现场可以用大型直剪、推剪或在室内可以用直剪、三轴剪切或球型压模等方法来求得冻土的抗剪强度。(2)抗压强度土在冻结状态下的抗压强度，一般都比它在融化状态下大得多，土温越低，抗压强度也越大。一般说来随着含水量增大，起胶结作用的冰也越多，因而强度有所增大。但当含水量超过某一定值时，含水量的进一步增大导致冻土抗压强度的降低，最后趋于某个定值。根据实测，一般冻土和常规土力学参数如表 2.1 所示。 表2.1 冻土、常规土的力学参数2.2.2 冻土的流变性冻土流变性包括蠕变和松弛两个方面，所谓蠕变，就是在不变的应力作用下，变形随时间而发展；所谓松驰，就是在固定的变形条件下，应力随时间而衰减。冻土之所以存在流变性质，是由其中的冰和未冻水所决定的，冰一水在一定的温度和压力下处于平衡状态。未冻水以薄膜形式包裹在矿物颗粒和胶结冰晶体上。在荷载作用下，土骨料的个别地方出现应力集中使冰一未冻水体系的平衡状态破坏，冰融化以融化的水来补充薄膜水。而这水分又由较高应力区被挤压到较低应力区，在那里重新冻结，并达到新的平衡状态。在水分挤出的同时，冻土中的冰发生粘滞性流动，土颗粒及其集合体发生位
