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。

为了给井筒开凿施工提供参数依据,结合西庞新风井井筒检查钻孔,进行了新生界常规土工及冻土试验及数据研究,总结出了该区松散地层冻土蠕变特性经验公式。结果表明:该井筒新生界以砂质黏土及黏土质砂层为主,凿井过程中冻结壁的平均温度应低于-10℃。试验成果可以为新风井及该区域内相似工程地质特征地层井筒冻结设计及施工提供工程地质依据。

在多年冻土区进行煤矿地下开采,通风作用改变了井筒围岩的热平衡条件,从而引起了多年冻土上限及其井筒周围冻土季节融化层的变化,有可能影响到井筒支护结构的稳定性.因此,研究在矿井通风作用下,多年冻土温度场分布及随季节的变化趋势是有意义的.基于ANSYS有限元分析软件,针对多年冻土区某煤矿的赋存条件、试验采场位置以及通风作用对冻土的影响范围,建立了二维数值计算模型,利用焓式有限元方法对多年冻土井筒围岩的温度特性进行了数值模拟,分析了矿井通风对多年冻土井筒围岩的热影响程度,其计算方法和结果为下一步多年冻土煤矿地下开采井筒支护设计提供参考依据.

结合潘北矿风井井筒的具体情况,提出了对不同冻结土层采用不同掘进方法是提高施工速度的有效方法。井筒支护的绑扎钢筋、立模、浇注混凝土、脱模等环节必须加强技术管理,才能保证施工质量。

为保证冻结井筒爆破施工安全、提高施工速度,采用T opbox振动信号自记仪进行冻结段爆破振动测试,测点布置在冻结沟槽内偏斜较大的冻结管的位置。爆破振动测试表明,立井冻结段爆破产生的振动信号成分非常复杂。通过对爆破振动信号的回归分析和傅立叶幅值谱分析,得出振动主频较一般的地面爆破高,而且有多个主频,第一主频在150 H z左右;立井爆破振动的径向振动速度较垂向振动速度大;回归出径向振动速度、垂向振动速度与等效装药量、等效水平距离和高差之间的关系。立井冻结段爆破施工建议采用半秒延期或秒延期雷管,以防止振动波的叠加。