随着深部煤炭资源的不断开发，中国新建井筒所穿越的第四纪表土层越来越厚，特别是黄淮海地区，开采的煤田所穿越的表土层厚度逐步向500～700米过渡。

当井筒采用冻结法施工穿过深厚表土时，普通的钢筋混凝土井壁难以承受巨大的地压、建井期间的冻结压力和井筒使用期间的负摩擦力。研究表明：如将混凝土强度提高5兆帕，则井壁的极限承载能力可提高10%~15%。如将2005年前普遍使用的混凝土强度等级由C40～C50提高到C70级以上，井壁的极限承载能力将有大幅度提高，可以减少建井投资，加快施工速度。因此，截至2005年，新建矿井中，立井井简井壁越来越多的采用高强高性能混凝土，因其本身致密、耐久性良好，有利于防止井壁在建设和使用过程中的破坏，如何优质高效地施工井筒井壁是保证工程顺利实施的关键。

中煤第三建设（集团）有限责任公司与中国矿业大学、河海大学联合，对深厚表土层冻结井井壁高强高性能混凝土的研究与应用进行了科研攻关，并先后施工了济西生建煤矿主井，冻结深度480米，混凝土最高强度等级C60。C70高强混凝土井壁在冻结井筒中使用，无论从设计方面还是施工方面，都存在许多未知因素和需完善之处。从工程开工到2005年9月中旬，龙固副井井筒冻结段内外层井壁（5.0～649米段）施工全部安全优质完成，无论内壁、外壁在施工中均未出现裂缝，蜂窝、麻面等现象。也未有因混凝土井壁质量问题而造成深孔冻结过程中的盐水管断裂情况。

根据中煤三建第七十一处在深厚表土层冻结立井井壁施工方面的实践经验，编写《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》，可作为2005年后深厚表土层井壁施工和同类井壁设计的参考，对企业和中国建井行业的发展均有意义。

《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》的工法特点是：

1.采用信息化管理，及时检测冻结壁的温度变形位移等情况，及时调整设计及施工段高，做好高强高性能混凝土施工中全过程的质量控制，保证混凝土井壁质量满足设计和使用要求。

2.立井井筒冻结段井壁施工利用传统的凿井提升方式，充分采用了新技术、新工艺、新设备、新材料，配备合理的混凝土搅拌自动化系统。

3.对原材料进行检验，根据现场施工条件优化混凝土配合比方案，精确控制用水量、各种材料的添加量。实施配合比设计，原材料控制，混凝土制作运输施工，全过程，全方位的质量控制。

4.在深厚表土层中的巨厚黏土层施工时，积极控制冻结状况，使井帮处于超低温状态，确保冻结壁的强度和厚度，控制井帮变形位移，增加缓冲层厚度，采取多种措施实现安全优质施工。

深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法适用范围

《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》的适用范围有：

1.广泛应用于煤矿、金属和非金属矿等各类矿山工程采用冻结法施工高强高性能混凝土井壁。

2.冻结段井筒深度较深、表土层地质条件复杂的井筒，在高地压、膨胀性黏土、冻结压力大的条件下能体现其施工特点。

3.对当地产原材料的选用应进行试验检验，其参数必须满足高强高性能混凝土的使用要求。

深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法工艺原理

《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》的工艺原理叙述如下：

深厚表土层冻结井井壁混凝土施工具有特殊的环境条件，可概括为"先受热后受冻，边硬化边承载"，而且承受着低温、变温和随时变化的高地压、高冻结压力等多重因素的影响作用。该工法就是解决在如此复杂的条件下，如何实现混凝土井壁的高强高性能指标，以满足深厚表土层冻结井壁设计施工需要。首先对高强高性能混凝土所需原材料和外加剂进行了试验，选择了适合高强高性能混凝土所需的原材料、外加剂，确定了合理的混凝土配合比；然后对所选择配合比的混凝土基本特性、干缩性能、绝热温升特性和耐久性进行试验验证，优选确定了合理的高强高性能配合比设计、施工工艺参数，制定了质量控制方案指导现场施工。

深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法施工工艺

• 工艺流程

《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》的施工工艺流程如下：

首先通过理论计算设计，进行负温受压条件下的高强高性能混凝土的配合比试验，在实验室试配多组方案，并对其微观机理进一步分析的基础上，然后进行相似模拟试验研究，再通过现场试验段实验检验。最后结合工程实际，不断优化选择，取得合理的混凝土配合比及施工工艺参数、质量控制措施，指导现场施工。

经检验后的合格原材料按照配合比要求进行搅拌，配备先进、精确的混凝土搅拌系统；成品混凝土通过立井井筒提升设备，由底卸式吊桶下放到井筒吊盘底部的分灰器上，经混凝土输料管输入MJY整体金属液压模板，进行养护操作。

采用信息化施工，对混凝土施工进行全过程的质量监控，根据井壁变化情况及时调整施工方案；在混凝土低温冻结养护、立井井筒运输、提升方面制定专门施工措施，确保工程质量。深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工艺流程见图1。

• 各种原材料选用标准

《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》的各种原材料选用标准如下：

1.水泥：符合《硅酸泥水泥、普通硅盐水泥》GB 175—1999和《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2000的要求。

2.碎石：符合《建筑用卵石、碎石》GB/T 14685—2001和《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55—2000的要求。

3.砂：符合《建筑用砂》GB/T 14684—2001和《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55—2000的要求。

4.化学外加剂：符合《混凝土外加剂应用技术规范》GB 50119—2003的要求。

5.矿物外加剂：技术条件应符合《高强高性能混凝土用矿物外加剂》GB/T 18736—2002的Ⅰ级或Ⅱ级规定。

6.水：符合《混凝土拌合用水标准》JGJ 63—89的要求。

• 高强高性能混凝土施工工艺

《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》的高强高性能混凝土施工工艺如下：

1.混凝土的搅拌

高性能混凝土配合比是通过科研试验优选得出，并经过工业性试验验证后确定的，其拌合物工作性能很好地满足所采用的底卸式吊桶井筒输送、卸料、浇筑等施工工艺要求，也满足井壁设计的强度要求。因此混凝十拌制时要严格按配合比计量配料，正确执行搅拌制度。必须注意原材料外加剂的投料顺序，控制好混凝土的搅拌时间。高强混凝土的配料和拌合均采用自动计量装置，原材料按重量计量的允许偏差为：水泥和掺合料±1%，粒骨料±2%，水和化学外加剂±1%。

高强混凝土搅拌工艺见图2。

严禁在拌合物出机后加水，确保拌合物坍落达到160～200毫米，入模温度控制在15℃。

2.混凝土运输

按照井筒混凝土施工的常规做法，将搅拌好的混凝土装入底卸式吊桶，吊桶用平板式矿车经地面铺设轨道运到封口盘提升口处，由主、付提升机将吊桶运至吊盘上，然后再用分料器溜灰管直接浇筑混凝土。

3.混凝土浇筑

井壁按短段掘砌工艺施工。段高3米。混凝土浇筑应对称分层进行。每层厚度控制在50厘米左右尽可能均匀，混凝土浇筑时可采用振捣器放溜混凝土，加快混凝土的流动速度。模板采用MIY整体金属液压模板，地面设置稳车悬吊。

4.振捣

采用高频振捣器振捣。混凝土分层浇筑，每层都要振捣密实，尽可能地垂直点振，不得平拉。既不能过振也不能漏振，可考虑震动棒移动间距在30～40厘米，振捣时间为10～15秒。

5.脱模

要合理地掌握拆模时间，时间过早脱模会出现粘模，时间过晚脱模会出现困难。由于混凝土的早期强度增长快。根据实际操作经验，一般脱模时间定为4个小时，特殊情况下，视现场试配样的初、终凝时间和强度发展情况最后确定。

6.养护

高强高性能混凝土的水胶比小，胶凝材料多，因此养护是非常重要的环节。由于井下空气湿度较大，因此在脱模后暂不考虑采取喷水或养护剂等措施，以方便施工。但在井筒内壁滑模套壁施工时，由于高强高性能混凝土前期水化热放热量较大，为避免环境温度突变而使内层产生裂缝，通过采取以下相应措施加强混凝土井壁早期管理养护，通过控制原材料温度降低混凝土入模温度（15℃），套壁时风筒穿过滑模操作盘加强井筒通风降温，在滑模盘下四周布设洒水管，对所砌井壁进行喷淋洒水养护。

• 操作要点

《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》的操作要点如下：

1.自动计量系统要经常校核，采用强制搅拌机，拌合时间不得少于3分钟，冬季热水搅拌确保入模温度不低于15℃。

2.底卸式吊桶下混凝土，人工入模，振捣要适当，要防止石子下沉。

3.根据实际情况确定脱模时间，脱模时及时养护。

4.大模要多方向多水平开窗，以处理井帮坍塌等。

一、原材料选择

《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》所用的材料及要求如下：

1.水泥

选择P.O42.5级水泥，水泥应具有强度等级稳定，细度适中，水化热相对不高的特点。其物理性能检验结果见表1。

2.细骨料

对砂场进行现场勘察和取样，选定工程用砂供货源，所产黄砂颗粒应相对较粗，级配合理，含泥量小，不含泥块，其各项指标均符合2005年前的国家标准《建筑用砂》GB/T 14684—2001Ⅰ类砂的技术要求，能满足配制高强混凝土的要求。取样检测结果见表2。

3.粗骨料

所选粗骨料符合《建筑用卵石、碎石》GB/T 14685—2001Ⅰ类石子技术要求，取样检测结果见表3。

4.拌合用水

拌合用水应进行取样，送至产品质量监督检验所检验，符合钢筋混凝土拌合用水标准，检验结果见表4。

5.掺合料与高效减水剂

技术条件均符合国家标准《高强高性能混凝用矿物外剂》GB/T 18736—2002Ⅰ类规定，能满足砌筑井壁用混凝土的设计和施工需要，择优选取了山东省建筑科学研究院外加剂厂生产出NC-H700型掺合料和NC-F60型高性能减水剂，其主要性能指标见表5。

所有原材料要有出厂检验单和合格证，到达现场的材料需抽样进行复检，合格后方能使用，控制砂、石含泥量及粒径的级配。混凝土各种原材料在运输、存储、保管和使用过程中严格按管理制度执行，防止误装，互混和变质。

二、施工机具、设备

《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》所用的机具设备明细如下：

1.搅拌施工机具

为能满足立井井筒高强高性能混凝土的配制需要，应在井口附近设置一座HZS75-Ⅲ型混凝土搅拌

站，生产厂家为山东海阳市方圆集团有限公司，该混凝土搅拌站基本情况为：配套主机型号：JS-1500；

整机装机功率：110千瓦；骨料配料机型号：PLD2400；配料种数：3种；水泥仓：容量2×100吨；螺旋输送机：型号LSY200-9；供水泵型号：CKS80-65-125A；外加剂泵：磁力驱动离心泵，型号：32CQ-15；计量系统：各种形式电子秤，见表6；气路系统：空压机型号：W-1.0/7；功率：7.5千瓦，额定压力：0.7兆帕。

控制方式：手动控制方式，全自动控制方式。

2.辅助设施

井筒冻结段井壁施工时，利用传统的凿井提升方式，充分采用了新技术、新工艺、新设备、新材料，配备合理的立井施工机械化。龙固副井项目井筒内布置主、副两套单钩提升，选用2JK-3.5/15.5型绞车，配3.0立方米吊桶提升物料、机具。井筒作业采用二层凿井吊盘，上下盘间为刚性连接，上层盘是保护盘，下层盘为施工操作盘。

井简砌壁采用MJY型整体金属模板，配0.3米高环形斜面合茬模板，浇筑混凝土用2.4立方米、3.0立方米底卸吊桶下放，经设在吊盘上的分灰器直接溜入模板，对称浇筑分层振捣，实行短段掘砌平行混合作业。

井简还布置一路ф800毫米胶质筒，由地面FBD-No9.62×30千瓦对旋风机压入式通风。砌壁混凝土的搅拌，由地面井口附近设置的H2S75-Ⅲ型混凝土搅拌站供给。

《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》的质量控制要求如下：

一、执行的主要规范、标准

1.《矿山井巷工程施工及验收规范》GBJ 213-90；

2.《煤矿井巷工程质量检验评定标准》MT 5009—94；

3.《钢筋混凝土工程施工质量验收规范》GB 50204—2002；

4.《煤矿安全规程》2006。

二、质量控制措施

1.建立项目质量保证体系

成立以项目经理为组长的质量管理领导小组，配备专职质检工程师，施工队成立质检管理小组，队长为组长，各作业班组开展QC活动，并根据需要配置合格的专职质检员，项目部成立试验室，质检办公室。

2.根据该工程特点，技术人员认真编制"施工组织设计"和"技术工艺标准"，并对所有参加施工人员进行技术培训和措施交底，确保都领会设计意图，熟记工序质量标准。

3.加强施工原材料管理，严把原材料质量关。联合建设、监理及科研单位对高性能混凝十所用原材料进行考察优选，水泥、钢筋、外加剂等材料均符合设计要求。原材料进场时，按《采购控制程序》严格执行验收制度，并按规范规定的批量进行取样送检，确保应用在井筒中的所有原材料都能满足规范中对高强高性能混凝土所需原材料的要求。

4.根据该工程施工工艺流程，预先设置好各工序的质量控制点，执行操作人员"当班自检，班组互检，质检员随时检"制度，混凝土分项工程的质量控制点为原材料进场检验，混凝土配料、搅拌、入模、振捣。原材料检验和混凝土搅拌实行质量记录。

5.积极采用新技术，严格控制混凝土施工质量

为了确保砌壁混凝土搅拌质量，施工单位投资购置了一套先进的HZS-75Ⅲ型混凝土搅拌系统，该套设备具有自动化程度高、性能稳定、计量误差均小于规范规定、所有原材料都经过自动计量、污染小等优点。对保证高强高性能混凝土质量起到了关键的作用，使用新型搅拌站能严格按配合比配料，每次搅拌混凝土前都能坚持做到对各物料进行标称，测试砂石含水率，计算出含水量从搅拌用水中扣除，校正搅拌时间，确保不小于120秒。

6.采用信息化指导施工

井筒掘砌施工期间，与冻结单位密切配合，通过壁后预埋信息化施工器件，根据监测数据，科学地指导施工。先后克服了特厚黏土层冻胀力大，井帮位移、变形，对混凝土早期养护不利及过固结特厚黏土层施工困难等因素，保证了冻结立井井筒在复杂地质条件下安全快速施工。

采用《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》施工时，除应执行国家、地方的各项安全施工的规定外，尚应遵守注意下列事项：

1.在施工队伍进场前应对全体人员进行劳动纪律、规章制度教育，并进行安全技术交底及安全教育。

2.实行项目安全责任制，并制定安全责任分级负责制，使安全责任落实到人。项目部制定安全检查制度，配备专（兼）职安全员负责安全检查并做好安全统计工作。

3.公司安监部每月对该工程进行一次大检查，项目部每旬对该工程进行一次安全自检。

4.安全检查中发现安全隐患和违章作业、违章指挥必须立即制止，对施工中的重大安全隐患立即下达整改通知单限期整改。对检查不合格的按有关规定进行停工限期整改和经济罚款，情节严重或整改不力的要对有关负责人追究责任。

5.严格执行《煤矿安全规程》和《煤矿安全建设规定》并具体实施中煤第三建设（集团）有限责任公司的《安全生产管理制度》。

《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》的环保措施如下：

1.实施工点挂牌施工。设置工点标牌，标明工程项目名称、范围、开竣工时间、施工负责人、技术负责人。设置监督、举报电话和信箱，接受监督。

2.施工现场设置醒目的安全警示标志、安全标语，作业场所有安全操作规章制度，现场的施工用电设施安装规范、安全、可靠、建设安全文明标准工地。

3.按照施工组织设计平面布置图，认真搞好施工现场规划，做到布局合理，井然有序，尽量少占或不占农田，对施工中破坏的植被，施工完后予以恢复。

4.驻地生产区及生活区分片规划，房屋布局合理，符合消防环保和卫生要求。做到场地平整、排水畅通。各种设施安装符合安全规定，并定期进行检查。

5.大型机械施工、空压机等噪音较大的施工场所，限定作业时间，保证居民有良好的休息环境。

6.工地油库、料库等设于远离居民区和施工现场处，设置围栏等防护措施并派专人防护。施工场地内各种材料分类堆放整齐，挂设标牌，标识材料规格、产地等。各级负责人及施工人员一律挂胸卡上岗。

7.作业完工后，及时清理施工场地，周转材料及时返库，做到工完料净、场地清洁。

《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》的效益分析如下：

1.C60～C70高强高性能混凝土的应用研究，在井壁结构设计上体现较大的经济效益节省大量工程量。以龙固矿副井简为例，如仍按原中国国内采用的最高强度等级C55混凝土，其井壁厚度、配筋情况都远大于C60~C70混凝土井壁结构。采用了高强混凝土井壁（340～635米）段，共减少土方开挖量8697立方米，降低砌混凝土量8732立方米，节约钢筋962多吨，通过计算该段井筒仅井壁施工可节省直接工程费约1018万元人民币。若考虑到冻结圈径缩小，冻结孔数量减少，冻结强度及冻结制冷量降低，节省早期建井投资可达数千万元。

注：施工费用以2005-2006年施工材料价格计算

2.由于高性能混凝土与普通混凝土在组成上的不同，在原材料选优、矿物掺合料和外加剂配方上都存在较大差异。高性能混凝土具有更高的致密性、更良好的流动性和体积稳定性。通过试验证明，高强高性能混凝土的抗渗性能，抗氯离子渗透性能及抗冻性能都远高于普通混凝土，这都有利于增强井筒混凝土工程的耐久性，防止混凝土井壁被侵蚀损坏，相应节约矿井维修费用。

《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》的应用实例如下：

• 实例1：山东济西生建煤矿副井

济西生建煤矿主井设计冻结深度480米，冻结段壁厚800～1350毫米，混凝土最高标号C60。原井筒-400～-475米设计有地面预制的大弧板混凝土外壁。中煤第三建设（集团）有限责任公司经过科研攻关，实施深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工艺，浇筑的混凝土性能达到设计要求，取消了预制大弧板外壁，提前工期22天，节省投资112.5万元。

• 实例2：山东龙固煤矿副井

龙固副井井筒冻结深度为650米，在井深380米以下，内外层井壁混凝土的强度等级达C60~C70，且内外层井壁厚度最大均达1.1米，该次混凝土施工C60混凝土井壁166米；浇筑C60混凝土5982立方米；施工C65混凝土井壁128米；浇筑C65混凝土8134.4立方米，留取试块五组，标准养护后实测强度等级均达到设计强度，施工C70混凝土井壁201米；浇筑C70混凝土12773.55立方米共留取13组试件，标准养护后实测平均强度等级达86.6兆帕，达到设计强度的123.7%。在整个井筒施工中无论外壁和内壁高强高性能混凝土不仅均未出现温度、干缩裂缝、蜂窝、麻面等质量通病，也未出现冻结壁片帮位移、冻结管断裂等易发事故，混凝土各种性能均达到设计要求。从工程开工到结束，每月的施工质量均被业主和监理评定为优良品。

在龙固副井筒外层壁施工中，通过现场试验研究及信息化施工实测得，在负温受压情况下，高强混凝土早期强度增长较快，7天最高强度等级达到设计值C70，同时，砌壁混凝土的其他综合性能也得到了提高。由于龙固副井筒高强混凝土的施工、应用研究成功，原设计的井筒500～632米内壁衬砌δ20毫米钢板井壁，经建设单位、设计院与科研部门研究予以取消，仅此一项节约建井投资500多万元。

• 实例3：山东郓城煤矿副井

山东省巨野矿区郓城矿井位于郓城县。矿井设计生产能力为240万吨/天，井口标高＋46.3米，井深936.8米，净径7.2米，冻结深度594米，表土层厚度536.65米，在井筒-603～-20米，井壁混凝土支护厚度1400～2250毫米，混凝土等级C50～C75，施工难度大，工期紧。中煤第三建设（集团）有限责任公司采用"深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法"在冻结段施工中应用。

注：施工费用以2005-2006年施工材料价格计算

2008年1月31日，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2005-2006年度国家级工法的通知》建质[2008]22号，《深厚表土层冻结井高强高性能混凝土井壁施工工法》被评定为2005-2006年度国家一级工法。 2100433B

前言

第1章总论

第2章深厚冲积层土质物理特性

第3章人工冻土力学特性

第4章深厚冲积层人工冻结壁温度场

第5章深厚冲积层冻结壁强度与稳定性研究

第6章冻结壁与外层井壁共同作用机理

第7章冻结井壁外荷载

第8章深厚冲积层冻结压力实测研究

第9章冻结井筒高强高性能钢筋混凝土井壁研究与应用

第10章冻结井筒高强钢筋混凝土预制弧板井壁研究

第11章冻结井竖向可缩性井壁结构的研究与应用

第12章深厚冲积层冻结法凿井典型工程应用

附表

《程村主副井深厚冲积层冻结法凿井技术》根据作者参与程村主、副井430m冲积层冻结方案设计、技术攻关和施工实践的亲身经历编写。系统地总结了深厚冲积层的冻结设计、冻结段井壁结构设计、冻结信息化施工、深部厚黏土层冻结壁位移监控、低水化热高性能混凝土试验应用等技术攻关成果和防止冻结管断裂、外层井壁压坏、内层井壁开裂漏水、卵(砾)石层厚度比例为38%的深厚冲积层冻结段快速施工、工程项目管理等成功经验。对类似地层条件冻结凿井具有重要的参考意义。

《深厚表土地层条件下的立井井壁结构》是一部关于煤矿深表土立井井壁结构研究的专著。书中对采用冻结法与钻井法施工井筒中的井壁所受荷载及其分布、荷载设计取值及对不同类型井壁结构的承载力计算方法进行了深入的分析与讨论，提出了相应的井壁结构设计方法。