李 林 梁云海 高 偉

（1.天地科技股份有限公司建井研究院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，014316）

隨著內(nèi)蒙西部地區(qū)煤炭資源開發(fā)，在該區(qū)域富水地層人工凍結(jié)法豎、斜井鑿井工程應(yīng)用日漸廣泛。與凍結(jié)法施工相配合的內(nèi)外雙層井壁結(jié)構(gòu)中，外層井壁分段掘砌，主要用于掘進(jìn)過程中的臨時(shí)支護(hù)和抵抗地壓，內(nèi)層井壁連續(xù)澆筑，其主要功能為封水和分擔(dān)地壓。而使用凍結(jié)法的井筒多處于地下水富存地層，所以內(nèi)層井壁質(zhì)量好壞直接關(guān)系到井筒的淋水和后期強(qiáng)度。內(nèi)層井壁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，相對于地面建構(gòu)筑物，其質(zhì)量主要受養(yǎng)護(hù)溫度及溫差影響。目前研究分析認(rèn)為，凍結(jié)法施工中影響內(nèi)層井壁溫度的主要因素包括空間因素 （層位、方位、位置、混凝土厚度）和其他因素 （混凝土標(biāo)號、外層井壁溫度、地層溫度、地?zé)?、巖性、時(shí)間）。本文僅就空間因素中徑向位置及時(shí)間對凍結(jié)法施工中內(nèi)層井壁質(zhì)量的影響進(jìn)行分析。通過對紅慶梁煤礦風(fēng)井內(nèi)層井壁澆筑過程中不同位置處混凝土溫度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析徑向位置及時(shí)間對內(nèi)層井壁質(zhì)量的影響。

1 現(xiàn)場監(jiān)測

紅慶梁井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達(dá)拉特旗境內(nèi)，井田在達(dá)拉特旗政府所在地西南方約65 km。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為6.0 Mt／a，主井為斜井，副、風(fēng)井為凍結(jié)法施工的雙層井壁豎井。在紅慶梁煤礦風(fēng)井外層井壁掘砌到底開始內(nèi)層井壁施工時(shí)，選定4個(gè)層位對各層位內(nèi)層井壁與外層井壁界面處、內(nèi)層井壁內(nèi)不同深度處、內(nèi)層井壁與空氣界面處在混凝土澆筑后的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，各層位測點(diǎn)距離模板及外壁的距離、測點(diǎn)位置布置見圖1，前72h每小時(shí)測量1次。4層位內(nèi)壁澆筑體厚度分別為：-381m 處為1250mm，-292m 處為575mm，-187m 處為550mm，-91m 處為490mm。

圖1 測點(diǎn)位置布置

以井口地面為±0.00m ，監(jiān)測層位的相對高程、混凝土標(biāo)號、空氣溫度、入模溫度及澆筑時(shí)間見表1。

表1 監(jiān)測層位相對高程及混凝土澆筑有關(guān)參數(shù)

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 -381m 層位處測點(diǎn)溫度分析

2.1.1 徑向位置對溫度的影響

徑向位置對溫度的影響。-381m 測點(diǎn)溫度與時(shí)間和位置的關(guān)系見圖2。圖2 （a）顯示，由徑向中點(diǎn) （即距模板625mm 處）至模板和外壁 （即兩界面處的點(diǎn)1、點(diǎn)5），各測點(diǎn)溫升速率逐漸減緩，最大值依次降低。徑向中點(diǎn)兩側(cè)各325mm 范圍內(nèi)的點(diǎn)2、點(diǎn)3、點(diǎn)4溫升速率、最大值、溫降速率、72h溫度相近；兩界面處的點(diǎn)1、點(diǎn)5溫度規(guī)律相近。圖2 （b）顯示，沿徑向方向，在24h、48h、72h時(shí)，溫度由徑向中點(diǎn)至兩界面對稱分布，兩界面在前72h內(nèi)相差不足3℃。

圖2 -381m 測點(diǎn)溫度與時(shí)間和位置的關(guān)系

2.1.2 時(shí)間對溫度的影響

時(shí)間對溫度的影響。圖2 （a）顯示，各測點(diǎn)溫度均在入模3h后開始急劇上升，至24h 達(dá)到峰值，徑向中點(diǎn)兩側(cè)各325mm 范圍內(nèi)最高溫度為70～80 ℃，溫度達(dá)到峰值后平緩回落；而兩界面處點(diǎn)1、點(diǎn)5溫度規(guī)律相近，最高溫度在50 ℃附近，溫度達(dá)到峰值后僅小幅回落。圖2 （b）顯示，徑向中點(diǎn)兩側(cè)各325 mm 范圍內(nèi)與最大值相比，72h時(shí)溫降17℃。兩界面處與最大值相比，72h時(shí)溫降3～5 ℃。各點(diǎn)里表溫差和入模溫升見表2。里表溫差最大27.19 ℃，入模溫升最大58.30 ℃。

表2 -381m 層位各點(diǎn)里表溫差和入模溫升 ℃

2.2 -292m 層位處測點(diǎn)溫度分析

2.2.1 徑向位置對溫度的影響

徑向位置對溫度的影響。-292m 測點(diǎn)溫度與時(shí)間和位置的關(guān)系見圖3。圖3 （a）顯示，由徑向中點(diǎn) （即距模板287 mm 處）至兩界面 （即點(diǎn)1、點(diǎn)3），各測點(diǎn)溫升速率逐漸減緩，最大值降低。圖3 （b）顯示，沿徑向方向在24h時(shí)，溫度由徑向中點(diǎn)至兩界面對稱分布，48h、72h時(shí)，核部溫度回落較快，外壁處溫度次之。澆筑體溫度沿徑向從模板至外壁逐漸降低，72h 時(shí)各點(diǎn)溫度與徑向距模板距離為成反比的近似線性關(guān)系：

式中：T——測點(diǎn)溫度，℃；

x——測點(diǎn)距模板距離，mm；

R2——相關(guān)系數(shù)。

2.2.2 時(shí)間對溫度的影響

時(shí)間對溫度的影響。圖3 （a）顯示，各測點(diǎn)溫度均在入模3h后開始急劇上升，至20h達(dá)到峰值，核部點(diǎn)2最高溫度為54 ℃，溫度達(dá)到峰值后平緩回落；而兩界面處點(diǎn)1、點(diǎn)3溫度達(dá)到峰值前規(guī)律相近，最高溫度在45 ℃附近，溫度達(dá)到峰值后外壁處點(diǎn)3平緩回落，模板處點(diǎn)1下降后有小幅回升，但整體趨勢為下降。圖3 （b）顯示，徑向中點(diǎn)與最大值相比，72h 時(shí)溫降17℃。模板處與最大值相比，72h 時(shí)溫降10℃。外壁處與最大值相比，72h時(shí)溫降15℃。即中部溫降最大，外壁處溫降次之，模板處溫降最小。各點(diǎn)里表溫差和入模溫升見表3。里表溫差最大12.00 ℃，入模溫升最大37.78 ℃。

圖3 -292m 測點(diǎn)溫度與時(shí)間和位置的關(guān)系

表3 -292m 層位各點(diǎn)里表溫差和入模溫升 ℃

2.3 -187m 層位處測點(diǎn)溫度分析

2.3.1 徑向位置對溫度的影響

徑向位置對溫度的影響。-187m 測點(diǎn)溫度與時(shí)間和位置的關(guān)系見圖4。圖4 （a）顯示，靠近中部的點(diǎn)1～點(diǎn)4溫升速率、最大值、溫降速率、72 h溫度相近，4點(diǎn)同一時(shí)刻溫差小于3 ℃。點(diǎn)2 距模板200mm，點(diǎn)3 距外壁200 mm，但點(diǎn)2 溫度始終比點(diǎn)3 高3 ℃，可見距離相同，靠近冷界面（即外壁，因?yàn)槭莾鼋Y(jié)井筒外壁外側(cè)緊貼凍結(jié)壁，故外壁溫度較低，為冷界面）一側(cè)溫度偏低。點(diǎn)5緊貼外壁，其溫度較點(diǎn)1～點(diǎn)4低7～10 ℃。圖4（b）顯示，沿徑向方向，在24h時(shí)，溫度由徑向中點(diǎn) （即距模板275 mm 處）至兩界面 （即點(diǎn)1、點(diǎn)5）近似對稱分布，48h、72h時(shí)，核部溫度回落較快。澆筑體溫度沿徑向從模板至外壁逐漸降低，72h時(shí)各點(diǎn)溫度與徑向距模板距離為成反比的近似線性關(guān)系：

2.3.2 時(shí)間對溫度的影響

時(shí)間對溫度的影響。圖4 （a）顯示，各測點(diǎn)溫度均在入模3h后開始急劇上升，至24h達(dá)到峰值，核部點(diǎn)3最高溫度為46 ℃，外壁處點(diǎn)5最高溫度為35℃。各測點(diǎn)溫度達(dá)到峰值后平緩回落。圖4 （b）顯示，徑向中點(diǎn)與最大值相比，72h時(shí)溫降10 ℃。兩界面處與最大值相比，72h時(shí)溫降5℃。即中部溫降最大，外壁處和模板處溫降次之。各點(diǎn)里表溫差和入模溫升見表4。里表溫差最大32.16 ℃，入模溫升最大32.50 ℃。

圖4 -187m 測點(diǎn)溫度與時(shí)間和位置的關(guān)系

表4 -187m 層位各點(diǎn)里表溫差和入模溫升 ℃

2.4 -91m 層位處測點(diǎn)溫度分析

2.4.1 徑向位置對溫度的影響

徑向位置對溫度的影響。-91 m 測點(diǎn)溫度與時(shí)間和位置的關(guān)系見圖5。圖5 （a）顯示，靠近中部的點(diǎn)1～點(diǎn)3溫度變化規(guī)律相近，同一時(shí)刻溫差小于3 ℃。點(diǎn)5緊貼外壁，其溫度較點(diǎn)1～點(diǎn)3低5～7 ℃。點(diǎn)4溫度介于點(diǎn)1～點(diǎn)3與點(diǎn)5之間。圖5 （b）顯示，沿徑向方向，在24h、48h、72h時(shí)，各點(diǎn)溫度變化較小。澆筑體溫度沿徑向從模板至外壁逐漸降低，72h 時(shí)各點(diǎn)溫度與徑向距模板距離為成反比的近似線性關(guān)系：

2.4.2 時(shí)間對溫度的影響

時(shí)間對溫度的影響。圖5 （a）顯示，各測點(diǎn)溫度均在入模7h后開始緩慢上升，至30h 達(dá)到峰值，核部點(diǎn)2最高溫度為27 ℃，外壁處點(diǎn)5最高溫度為22℃。各測點(diǎn)溫度達(dá)到峰值后保持不變。圖5 （b）顯示，各測點(diǎn)與最大值相比，72h 時(shí)溫降3℃。入模后溫度上升緩慢，達(dá)到最大值用時(shí)明顯多于其他層位，且達(dá)到峰值后溫度不回落，基本保持不變。各點(diǎn)里表溫差和入模溫升見表5。里表溫差最大9.38 ℃，入模溫升最大13.49 ℃。

表5 -91m 層位各點(diǎn)里表溫差和入模溫升 ℃

3 結(jié)論

凍結(jié)法施工中內(nèi)層井壁主要起到封水作用，但其一側(cè)緊貼低溫凍結(jié)外層井壁，一側(cè)為模板，凝結(jié)時(shí)溫度環(huán)境較差。一方面低溫外壁要求其具備一定的早強(qiáng)性，更多釋放水化熱以提高外壁處澆筑體溫度，另一方面厚度較大要求前期降低水化熱，嚴(yán)格控制其里表溫差和入模溫升，防止溫度應(yīng)力造成溫度裂縫影響封水效果。通過對凍結(jié)法施工中內(nèi)層井壁在4種不同澆筑體厚度下24個(gè)測點(diǎn)前72h的溫度數(shù)據(jù)的分析，得出徑向位置和時(shí)間對于澆筑體溫度影響的規(guī)律。

（1）徑向位置對溫度的影響為中部溫升速率快，最大值大，向界面逐漸減小。前72h溫度由中心至兩界面為近似拋物線的對稱分布。達(dá)到最大值后，中部澆筑體溫度回落較快。對于厚度490～575mm 的C60鋼筋混凝土內(nèi)層井壁，72h時(shí)，各點(diǎn)溫度與徑向距模板距離有如下函數(shù)關(guān)系：

（2）時(shí)間對溫度的影響。厚度在550 ～1250mm兩種標(biāo)號的混凝土澆筑體中，各測點(diǎn)溫度均在入模3h后開始急劇上升，至24h達(dá)到峰值，C60厚490mm 澆筑體，其溫度入模后30h才達(dá)到最大值，達(dá)到最大值后至72h溫度回落很小 （不足5 ℃）。而其他較厚澆筑體則在24h 達(dá)到最大值。至72h 時(shí)有較大回落 （10～17 ℃）。表明厚度對澆筑體溫度也存在一定影響。澆筑體溫度在24h和30h 時(shí)達(dá)到最大值，與劉為國得出的20～35h達(dá)到最大值相一致。

4 建議

依據(jù) 《大體積混凝土施工規(guī)范》 （GB50496-2009）關(guān)于溫控指標(biāo)的規(guī)定：混凝土澆筑塊體的里表溫差 （不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度）不宜大于25 ℃；混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不宜大于50 ℃。

依據(jù)表2～表5，可得-381 m 處的里表溫差為27.19℃，入模溫升值為58.30℃，均高于規(guī)范要求。造成這一結(jié)果的原因主要有兩方面：

（1）-381m 位于壁座處，混凝土澆筑體徑向厚度遠(yuǎn)大于其他層位，造成了核部混凝土與外壁混凝土內(nèi)側(cè)低溫表面、核部混凝土與內(nèi)壁混凝土內(nèi)壁空氣表面距離增加近一倍，造成核部混凝土導(dǎo)熱路徑增長，降低了核部混凝土的散熱效率。

（2）該層位采用的混凝土標(biāo)號為C70，直接導(dǎo)致水泥水化熱增加，進(jìn)而使得入模后溫度升高較大，這一點(diǎn)在混凝土澆筑體最高溫度值上也有所反映，其最高溫度為77 ℃，遠(yuǎn)大于其他層位的最高溫度。

除-381m 處入模溫升值大于規(guī)范要求外，其余4個(gè)層位的兩項(xiàng)監(jiān)測結(jié)果均滿足規(guī)范要求，表明紅慶梁煤礦風(fēng)井內(nèi)層井壁澆筑施工過程整體符合規(guī)范要求。對于壁座等體型較大，標(biāo)號較高的混凝土施工，應(yīng)適當(dāng)減少早強(qiáng)劑摻量，以便有效控制混凝土溫度升高。

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