高海拔礦井多年凍土地下冰地段熱融災害研究

劉劍璞 王玉臣 刁明富

（肥城礦業集團有限責任公司，山東 肥城271608）

0 引言

高海拔礦井多年凍土中的冰受熱融化后導致土體發生收縮、 沉陷的過程即為熱融作用，其形成的地形又被稱為喀斯特地貌。 目前，熱融地貌主要被分為2 種類型∶1）高海拔礦井多年凍土地下冰受熱融發生沉陷，即熱融沉陷。 這種現象主要發生在高原地區或平原地帶；2）高海拔礦井多年凍土地下冰受熱融發生滑塌，厚層地下冰熱平衡狀態被人為活動或自然的影響破壞，同時由于重力的原因，土體凍融界面發生熱融垮塌或者移動，由于其自身的重力作用是的熱融界面凍土發生垮塌。

高海拔凍土的熱融主要是由于凍土中冰的融化造成的。高海拔多年凍土地下冰地段的常年不斷的開發和建設，對于礦井，進行井筒開挖等活動使得多年凍土地下冰地段的熱平衡狀態遭到嚴重破壞，影響地中熱和多年凍土地溫場周轉收支平衡的變化。

1 高海拔多年凍土地下冰地段的壓縮與熱融沉降

高海拔多年凍土地下冰地段在凍結過程中其水由于凍結成冰體積通常增大9%，同時，過程中還伴隨著凍脹、水分遷移、土骨架位移、析冰等現象，導致融土的結構發生變化。在凍土進行融化的過程中，熱融排除水剩余空間發生融化固結的現象以及礦物顆粒也會隨之發生位移，導致其局部產生向下運動，即發生熱融下沉。在凍土自重作用力下，凍土熱融融化下沉量被稱為凍土熱融融化下沉系數，該系數被用來對凍土的融化下沉特征進行描述，建立相關表達式為∶

其中∶△h 表示為具有厚度為h 的凍土凍層在熱融融化形成的下沉量，其數值大小與凍土內部的含水量、顆粒組成，起始融化下沉干密度等相關因素有關。

2 高海拔礦井多年凍土區熱融滑塌形成機理探討

熱融滑塌在高海拔礦井多年凍土中普遍存在，主要是由于熱融滑塌誘發因素及凍土條件具有緊密聯系。 多年凍土對溫度是極為敏感的，其強度隨著凍土溫度的升高會顯著降低，尤其是在熱融后其強度會發生巨大變化，導致強度急劇下降。

高海拔礦井地下冰段區域的熱融滑塌的失穩因素可以歸結為∶①厚層地下冰的存在且埋藏深度較淺易受地表氣溫變化的影響，具有相對隔水和摩擦阻力極低的冰面是熱融滑塌形成的內在因素；②不合理井筒開挖引起的厚層地下冰的暴露且使井筒周圍形成臨空面而使其失去支承力，這是熱融滑塌形成的外在因素(誘發因素)。

3 高海拔礦井多年凍土區熱融的防治原則

各類工程一般在自然狀態下的遇到的因特殊不良地質問題發生的熱融現象都采取避讓措施，若必須經過該地區時，則需要采用有效的防治措施∶①減少大氣降水的滲入、侵濕及水的危害；②減少對動多年凍土的破壞和擾動，盡量保持其熱平衡狀態；③采用較好的防護工程措施，減少基底的蓄熱或增加基底的冷儲。

3.1 凍土層中井筒掘進不存在太大的問題， 主要是井頸明槽部分的施工應注意明槽兩側的熱融后滑塌。為防止凍、融對井壁的破壞，井筒周圍壁后要采用厚層（50-70mm）泡沫塑料襯墊，一方面起到隔熱效果，防止砼凝固產生的熱量和井筒通風時暖風流的傳導熱對壁后凍土層的融化影響，另外也可緩減井壁后的土層發生二次凍結時的凍脹對井壁的影響。3.2 三條井筒要通過F8 斷層，斷層帶巖石破碎，而且有可能積聚水與瓦斯，因此在施工中應提前采用探水鉆探測，并制定施工方案。掘進中加強臨時支護，短掘短砌，并采用砼或掛網錨噴支護。

4 高海拔礦井多年凍土區熱融溫度變化及防治效果模擬

4.1 熱融溫度物理模型

在高海拔礦井多年凍土地下冰段進行開采，為防止凍融對礦山井壁的破壞，采用采用厚層（50-70mm）泡沫塑料襯墊在井筒周圍壁后。

對物理模型采用5 節點單元格進行單元格劃分， 將其劃分為2959個節點以及2830 個單元格。 結合地區氣候特征以及泡沫塑料襯墊附面層原理及表面熱輻射特征，假定泡沫塑料襯墊表面溫度邊界條件為∶

利用天然熱融滑塌模型計算結果得出泡沫塑料襯墊溫度為-15℃作為模型初始地溫條件。

4.2 模型控制方程

高海拔礦井多年凍土地下冰地段的熱融滑塌的突出特點主要表現在于土體滑塌后凍土整體結構產生了變化， 滑塌后的凍土較為松散，使得其導熱系數逐漸降低，故穩定的凍土溫度場分布與熱融滑塌溫度場分布是存在巨大區別。未凍結水在計算過程中只考慮其含量屬于溫度的函數，故可以用二維熱傳導微分方程描述熱融滑塌溫度場的分布規律，即∶

式中∶t 為熱融時間變量，d；T 為多年凍土的土體溫度，℃；k 為多年凍土的導熱系數，kJ/(m·d·K)；λ 為熱融滑塌體積比熱容，kJ/(m3·K)；ky、kx分別為y、x 方向的多年凍土導熱系數。

4.3 模型模擬的計算結果及分析

高海拔礦井多年凍土地下冰段主井井巷采用隔熱緩沖墊層(50mm)，其結構圖如下所示。

圖1 主井井巷凍土層泡沫塑料襯墊結構圖

由圖1 可知，主井井巷凍土層的泡沫塑料襯墊主要分布在外圍，地溫分布特征的明顯區別集中在滑坎位置。

圖2 泡沫塑料襯墊與低溫擬合曲線圖

由圖2 可知，模擬得出礦井位置融化深度與位置關系圖，結果顯示主井井巷采用隔熱緩沖墊層(50mm)措施后，井巷的地溫明顯降低，使得多年凍土將處于持續凍結狀態，保護了凍土層的穩定性，抑制熱融滑塌的產生。 結果顯示，礦井井筒整體地溫低，其凍土平均地溫為-1.74℃，但是不同深度地溫也較低，其溫度為-2.50 m、-3.0 m 深度地溫平均值為-1.85℃、-1.79℃。 在季節融化期礦井多年凍土冰地段0℃等溫線明顯抬升。

5 結論

根據模型以及模擬結果分析可得出以下結論∶

5.1 通過實測數據以及計算結果分析可知，兩者能夠較好的吻合，這表明設計模型以及設定的邊界條件滿足礦井多年凍土冰地段的熱融傳導現狀。 在熱融滑塌過程中通過計算凍融周期內冰地段的溫度場，發現季節融化過程中，礦井熱融發生深度較大，說明礦井井巷位置下多年凍土不穩定，特別容易發生坍塌現象。

5.2 在礦井多年凍土地下冰地段熱融滑塌位置采取隔熱緩沖墊層(50mm)措施后對熱融滑塌的防治措施效果明顯，該措施能夠有效抑制熱融滑塌的進一步擴展。

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