基于水热变化下的人工冻土力学试验是人工冻结法设计过程中进行合理设计和安全施工的前提和必要条件。通过采用设计正交试验及统计拟合方法，针对海测滩煤矿立井井筒处黄土冻土试样进行不同含水率及冻结温度下抗折强度试验，分析了冻土的挠度-抗折强度变化关系及其力学性能，对比了不同含水率及不同冻结温度下冻土抗折强度变化，并对立井井筒黄土基土在冻结过程中的抗折强度建立了基于冻结温度、含水率变化的预测模型。结果表明，立井井筒处冻土的抗折强度随含水率的增大呈先增加后减小变化，在含水率15%～20%时其抗折强度较大；冻结温度与冻土抗折强度呈近线性关系，温度降低，冻土抗折强度增大；采用冻结法施工时冻结参数选择温度-15℃,含水率20%较为合理。

随着我国对地下资源需求的不断增大，超深立井施工逐渐普遍化。在立井开挖时为了稳固井壁且减少井壁坍塌，一般会选用冻结法施工，但爆破时产生的振动仍然会对井壁的稳定性造成一定的影响，严重情况下出现的塌方现象，会造成一定的人员伤亡、延缓施工进度等危害。为解决此类问题，以赵固二矿西风井704.6 m深厚冲积层冻土爆破掘进工程为研究背景，开展深大立井冻土爆破井壁振动监测，并结合ANSYS/LS-DYNA分析软件建立立井多段爆破三维数值模型，深入探索冻结表土段冻土爆破开挖下井壁的振动响应规律。研究结果表明：冻土爆破引起井壁振动的时程曲线各段波形区分明显，段装药量大、炮孔分布密集的3段辅助孔爆破对井壁振动影响最大，合速度为8.39 cm/s，均在安全范围以内；掏槽爆破时，井壁主要受纵波影响产生振动，垂向振速大于径向和切向振速；辅助爆破时，随着自由面增大，爆破产生的作用力逐渐向水平向扩展，井壁径向振速逐渐占优，垂向振速相对减小；运用一维弹性波理论，分析了爆破引起井壁的振动速度对混凝土应力之间的关系，计算结果小于混凝土抗拉强度；对比数值模拟结果与实测振速波形，验证了模型的可靠性和准确性，并通过模拟分析获得离...

立井冻土爆破开挖对冻结壁及冻结管产生振动影响，危害施工安全。通过开展立井冻土爆破模拟试验，分析了不同爆破参数下的振动传播衰减规律。结果表明：单孔爆破时，10%含水率冻土爆破引起的振动速度较大，为15%含水率冻土爆破的3倍，爆炸应力波主要由爆源向周围径向传播，引起未开挖土体的振动大于已开挖侧；双孔爆破时，10%含水率、15%含水率的振速表现差异较大；含水率为10%爆破时，工作面未开挖侧10cm附近三向振速较小，向两侧逐渐增大；含水率为15%爆破时，振速未表现出明显规律；四孔爆破，由于中空孔的存在，爆破能量充分释放，工作面两侧振速小于单孔爆破，爆破效果较好。

赵固二矿西风井项目采用冻结钻爆法施工,土体在冻结后物理性质的改变对爆破效果影响非常显著。为了加快工程进度,针对目前冻土爆破进尺小的问题,通过室内冻土试验获得冻土基本物理性质,开展系列单孔漏斗试验、宽孔距同段爆破漏斗试验。单孔爆破漏斗试验获得在装药量0.175kg时,冻土最佳炮孔深度0.45m,最佳爆破漏斗体积0.075m3,最佳爆破漏斗半径0.438m;五孔同段掏槽眼爆破时,获得爆破漏斗体积为0.382m3;一定药量下,周边眼爆破孔底距离为60cm时,冻土爆破轮廓效果较好。

以赵固二矿西风井冻结爆破掘进施工为背景,对爆破作用下冻结管的振动力学响应进行了研究。依据爆炸应力波理论,分析了考虑P波垂直入射时冻结管的力学响应机制。采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件模拟了冻结管受爆炸作用下的振动响应规律:振动波入射冻结管同一截面各测点振动速度相差不大,背爆侧振动速度最大,与P波入射成45°附近处冻结管振动速度较小。拟合出拉应力与振动速度的关系式。结合理论分析与数值模拟,得出冻土爆破时冻结管的安全阈值为64.76cm/s。研究成果可为类似工程爆破设计与振动控制提供参考。

针对光面爆破在深大立井冻土爆破中的应用问题,结合赵固二矿西风井冻结段掘进施工项目背景,开展了冻土光面爆破试验。通过试验,不断调整光面爆破参数,取得了较好的爆破效果。从爆破参数、装药结构及施工管理等方面,介绍了该井筒冻结段掘进施工中的光面爆破技术应用情况,对类似工程具有一定指导意义。

理论研究和室内试验在深层冻土爆破参数设计中存在着限制,结合赵固二矿西风井冻土掘进的施工特点,开展爆破参数优化现场实验。以掘进速度、安全、质量为评价依据,对炸药选择、钻眼机具、炮眼布置和深度、装药参数和起爆顺序等参数进行优化分析。结果表明:通过合理设置中空孔、一二级掏槽孔、辅助孔和周边孔的孔距与间排距,调整装药参数和雷管段位等手段,使得爆后土体均匀无大块,将爆破进尺由1.9 m提高至2.8 m,炮孔利用率由67.9%提高至93.3%;同时将爆破振动控制在安全范围以内,实测井壁最大振动速度为8.39 cm/s,保证了施工安全性;通过经济效益比较分析,优化后的爆破方案较之前显著提高了施工效率,缩减掘进工期44.5 d,大大节约了施工成本和冻结成本。

本文结合矿井的实际,首先介绍了矿井工程,阐述了影响冻土的因素,重点分析立井冻土爆破快速施工技术。立井冻土爆破快速施工技术的应用有效地提高了施工安全性,并加快了施工速度,降低了工人劳动强度,促进了矿井的安全生产。

杨村煤矿风井采用冻结法施工,冲积层段深部有1层36.5m厚的粘土层,埋深412.37～448.87m。该粘土层导热系数低,膨胀性大。为保证该粘土层冻结壁温度和强度,采取了强化冻结措施,造成该粘土层上、下部位的其他土层井帮温度过低,冻土大量进入荒径。掘砌施工中,采用挖掘机、破碎锤、铣挖机联合破土、刷帮的机械化作业方式,配合使用中心回转式抓岩机装罐;地面用胶带输送机,直接将混凝土输送至井口灰罐内,由提升机下放到井下,供井壁浇筑使用,快速完成了井筒掘砌工程。

永城煤电集团顺和煤矿风井井筒深部冻土及风化基岩段采用锚杆钻机钻眼爆破法施工,克服了钻眼速度慢、爆破困难、冻结管易断裂等难题,提高了施工安全性,加快了施工速度,平均日成井由1.7m提高到了3.16m,同时降低了工人劳动强度。