霄云矿井冻结施工组织设计.docx
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霄云矿井冻结施工组织设计
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）
序号
项目名称
单位
主井
副井
备注
1
冲积层埋深
m
420.35
403.9
2
井筒净直径
m
φ5.0
φ5.5
3
井壁厚度
m
≤1.55
≤1.60
4
井筒掘砌荒径
m
φ6.7～8.25
φ7.2～8.85
含壁后泡沫板
5
冻结深度
外圈
m
470430
470414
短腿进入风化带10m左右
辅助孔
m
430
414
穿过冲积层
防片孔
m
320
300
根据第二次井壁变截面调整
6
控制层位
m
420.35
403.9
冻结管规格：
外圈、辅助孔≤300mφ140×6mm，≥300mφ159×7mm；
防片孔φ140×6mm。
塑料管：
φ75×6mm
7
控制层冻结壁厚度
m
7.0m
7.4m
8
冻结壁平均温度
℃
-15
-15
9
冻结圈径
外圈
m
φ17.8
φ18.8
辅助孔
m
φ12
φ12.5
防片孔
m
φ9.6
φ10.0
10
孔数
外圈
个
2020
2121
辅助孔
个
23
24
防片孔
个
11
11
11
开孔间距
外圈
m
1.33
1.34
辅助孔
m
1.79
1.78
防片孔
m
2.74
2.85
12
冻结孔偏斜及最大孔间距
m
300m以上钻孔偏斜率≤2.5‰；300m以下按靶域施工,靶域半径0.7m,冻结孔向内偏斜≤300mm。
最大孔间距表土段：
外圈孔≤2.5m，辅助孔、防片孔按偏斜及靶域要求；基岩段≤4.5m
13
测温孔
m个
4212、4701、4601
4042、4701、4601
规格φ108×6㎜
14
水文孔
m个
2401、3201
2401、3251
水文管φ140×6
15
钻孔工程量
m
33782
34159
67941
16
井筒需冷量
104Kcalh
413
418
17
冻结站标准制冷量
2863
最大用电负荷11000KVA
18
盐水温度
℃
-30～-33
工期
d
385
385
1
造孔
d
100
100
2
地沟槽
d
15
15
3
开机至试挖
d
85
85
4
试挖至开挖
d
20
20
试挖20m
5
开挖至停机
165
165
要求成井80m月
霄云矿井冻结施工组织设计表01霄云矿主、副井冻结设计参数
编制依据
⑴济宁矿业集团霄云煤矿主检钻孔柱状图；
⑵济宁矿业集团霄云煤矿副检钻孔柱状图；
⑶济宁矿业集团霄云煤矿主、副井井筒打钻冻结招标文件；
⑷济宁矿业集团霄云煤矿工业场地总平面布置图；
⑸业主提供的其它资料等。
有关技术规范、标准及参考资料
⑴《矿山井巷工程施工及验收规范》，GBJ213—90；
⑵《煤矿井巷工程质量检验评定标准》，MT5009—94；
⑶《煤炭工业建设工程质量技术资料管理规定》；
⑷《煤炭工业煤矿井井巷工程、建筑安装单位工程质量保证资料评级办法》；
⑸《建井工程手册》第四册冻结部分；
⑹《煤矿安全规程》（2005年执行）；
⑺参考《冻结技术规程》（审查意见稿）、《建井技术》等相关技术文件和资料
第一章矿井概况
1.1工程概况
霄云煤矿位于金乡县霄云镇境内，工业广场北距枣曹线省道1600m，西距105国道18公里，交通便利，交通便利。
矿井地质储量10120万吨，可采储量4825万吨，矿井设计生产能力90万吨年，立井开拓，在工业广场内布置主、副两个井筒。
地面自然标高＋37.2m,井口设计标高+37.5m。
井筒主要技术特征见下表。
表02霄云矿井主、副井井筒主要技术特征表
序号
项目
单位
主井
副井
备注
井口
位置
X
m
.000
.000
Y
m
.000
.000
1
井口标高
m
39.5
39.5
2
井筒车场水平
m
暂定-790
暂定-790
3
井筒净直径
m
φ5.0
φ5.5
4
井筒净断面积
m
19.6
23.44
5
最大井壁厚度
m2
1.55
1.60
6
最大掘砌荒径
m
8.3
9.0
7
表土厚度
m
420.35
403.9
8
设计冻结深度
m
470
470
业主要求
1.2地质概况
1.2.1地层
表03井筒检查孔揭露地层深度统计表
孔号
第四系Q
上第三系N
下第三系E
石河子组P
主检
236.1
420.5
455.8
791.00
副检
240.4
401.9
466.3
830.8
主、副井只存在弱风化带，无强风化带，主检孔埋深为456.2m，副检孔埋深为449.38m，
1.2.2第四系流向流速
第四系35m内地下水的流向为北西北460，水力坡度7.69％，2005年9月11日10时潜水位标高＋32.75～＋33.80m，地面河流水补给第四系潜水。
1.2.3地温
根据地址钻孔测定地温梯度为2.81℃100m。
1.3冻土试验
表04冻土试验取土层位深度表
土层序号
试样深度（m）
土性
层厚（m）
1
204.00～215.90
粘土
11.90
2
215.90～228.30
粉细砂
12.40
3
246.60～260.00
粘土
13.4
4
331.10～348.50
粘土
17.4
5
349.95～356.00
砂质粘土
6.05
6
381.20～389.40
砂质粘土
8.20
7
390.30～417.60
粘土
27.3
注：
（1）表中：
1～3层为井筒1号检查孔样品；4～7层为2号检查孔样品；
（2）第4层土样为2号检查孔冻1样品；第5层土样为2号检查孔冻2样品；第6层为2号检查孔冻3和冻4样品；第7层土样为2号检查孔冻5、冻6和冻7样品。
表05样品冻结试验结冰温度
土样编号
取样深度（m）
取样名称
冻结温度（℃）
备注
1
208.35～208.55
粘土
-1.7
2
216.10～216.30
粉细砂
-0.4
3
246.80～247.00
粘土
-0.7
4
334.00～334.20
粘土
-3.0
5
391.90～392.10
砂质粘土
-2.5
6
405.70～405.90
砂质粘土
-2.8
7
411.80～412.00
粘土
-1.5
表06冻土冻胀力、冻胀率试验结果
样品分组
土层名称
取样深度（m）
冻胀力试验
冻胀率试验
冻胀力（MPa）
平均值
冻胀率（％）
平均值
1
粘土
204.00～215.90
0.66
0.68
1.90
1.80
0.70
1.80
2
粉细砂
215.90～228.30
0.81
0.84
2.30
2.20
0.86
2.10
3
粘土
246.60～260.00
0.75
0.76
1.40
1.50
0.77
1.70
4
粘土
331.10～348.50
0.89
0.88
3.20
3.00
0.90
2.80
5
砂质粘土
349.95～356.00
0.69
0.67
2.00
2.10
0.65
2.20
6
砂质粘土
381.20～389.40
0.52
0.55
2.60
2.50
0.58
2.50
7
粘土
390.30～417.60
0.81
0.78
3.16
3.10
0.75
3.05
表07冻土单轴瞬时抗压强度
地层分组
土性
深度（m）
试验温度
-5℃
-10℃
-15℃
-20℃
单轴强度MPa
平均值MPa
单轴强度MPa
平均值MPa
单轴强度MPa
平均值MPa
单轴强度MPa
平均值MPa
1
粘土
204.00～215.90
1.54
1.73
2.75
2.92
4.13
4.13
6.13
6.08
1.79
2.88
4.25
5.71
1.85
3.14
4.01
6.40
2
粉细砂
215.90～228.30
3.13
3.30
6.04
5.87
8.31
8.39
9.96
9.65
3.46
6.45
8.46
9.08
3.30
5.13
8.40
9.91
3
粘土
246.60～260.00
2.20
2.20
3.64
3.33
4.49
4.55
5.42
5.53
2.08
3.59
4.24
5.93
2.32
2.77
4.94
5.23
4
粘土
331.10～348.50
1.44
1.66
2.75
2.83
3.71
3.53
4.30
4.29
1.75
2.69
3.53
4.69
1.80
3.05
3.35
3.90
5
砂质粘土
349.95～356.00
1.67
1.66
1.95
2.14
3.55
3.41
4.54
4.45
1.69
2.16
3.26
4.38
1.61
2.30
3.42
4.43
6
砂质粘土
381.20～389.40
1.74
1.78
2.02
2.22
4.27
4.33
6.63
6.39
1.72
2.35
4.33
6.39
1.89
2.29
4.39
6.14
7
粘土
390.30～417.60
1.81
1.84
2.58
2.58
3.81
3.73
4.11
4.36
1.68
2.40
3.70
4.08
2.03
2.76
3.69
4.88
1.4地层特点
⑴粘土层埋藏深且连续厚度大，主井317.6～420.35m（厚102.75m）,副井322.03～403.9m（厚81.87m）；
⑵整体来看冻土单轴抗压强度值偏小，尤其是下部粘土地层；
⑶从应力－应变关系曲线可以看出：
破坏应变大多在8％以内，因此，冻土的破坏应变小；
⑷粘土地层的冻结温度偏高，下部粘土层约在-1.5～-3.0℃之间，尤是331～348m粘土地层（第四组样品），样品冻结温度为-3.0℃；
第二章冻结技术方案
2.1设计目的
⑴设计的冻结壁厚度和强度满足井筒安全掘砌施工的要求，井筒掘砌中不发生因冻结壁原因引起的人员和工程质量事故。
⑵设计应确保基岩段封水及冻结岩帽的形成
⑶根据国内外及本公司深厚表土冻结井施工经验，以满足冻结壁强度，防止冻结壁变形及冻结管断裂为目的，选择合理的施工方案及施工参数。
⑷以施工安全为前提，减少工程量、提高工程效率、降低工程造价，达到安全、快速、高效的施工目的。
2.2冻结方式
根据目前国内同类型矿井冻结方式并结合霄云矿井主、副井实际情况，确定主、副井均采用主圈孔、辅助孔加防片孔冻结方案。
2.3冻结深度
根据业主要求，主、副井冻结深度均为470m（业主要求）。
2.4冻结壁设计
2.4.1冻结壁设计原则
按两种极限状态设计，一是冻结壁的极限承载能力；二是冻结壁极限允许变形状态。
前者对砂层较合适，因为砂层冻结壁具有脆性断裂的特性，因此其承载能力必须得到满足，否则可能出水冒砂。
后者适用于深厚粘土层，因为对于粘土层冻结壁厚度及强度必须满足变形条件，防止出现过大变形而导致冻结管断裂，盐水漏失融化冻结壁，危及井筒安全。
2.4.2基本设计计算参数
①冻结壁内半径：
主井R主=4.1m、副井R副=4.43；
②地压值（采用水土悬浮公式）：
P=0.013H（MPa），为安全期间控制层深度H均取最大表土深度，即主井420.35m、副井403.9m；
③冻结壁平均温度（控制层）：
根据目前国内已施工同类型深厚表土冻结井实际冻结情况，取控制层冻结壁平均温度：
主井Tc主=-15℃、副井Tc副=-15℃；
④冻土抗压强度：
根据手册单轴抗压强度选取；
⑤冻土发展速度：
参照附近梁宝寺矿井、金桥矿井、花园矿井实际冻土发展速度，选取霄云主、副井控制层冻土发展速度砂层向内20mmd、向外15mmd，粘土层向内16mmd、向外13mmd。
⑥井帮温度（控制层）：
砂层Tn=-11～13℃；粘土层Tn=-10～-12℃
⑦盐水温度：
Tb=-30～-33℃；
⑧冲积层最大孔间距：
L≤2.5m。
⑨强度安全系数，k=2～2.5；
⑩掘砌段高，从保证安全和方便施工两方面考虑，控制层暴露段高300m以下取h=2.0～2.5m；
⑾工作面冻结状态系数；η=√3（工作面未冻结时）～√32（工作面冻实时）；设计取主井η=1.3、η=1.5；
2.4.3冻结壁厚度
由于目前国内外对400m以下深厚表土冻结井冻结壁厚度设计没有较为成熟的计算理论，设计采用两种方法计算冻结壁厚度：
一是通过现有计算公式计算；二是采用类比法，与国内外已施工的深厚表土冻结井比较，综合确定冻结壁厚度。
⑴现有计算公式计算冻结壁厚度
多姆克公式：
E=Ra[0.29（Pσs）+2.3（Pσs）2]
维亚若夫—扎列茨基有限段高公式：
E=ηPhσs
里别尔曼公式：
E=KγHhσs
《煤炭冻结法凿井技术规程》中的强度公式：
E＝【k√3（1－ξ）Ph】σs
国内数理统计公式：
E=0.04RaH0.61
表08冻结壁厚度计算结果表
序号
计算公式
单位
主井
副井
备注
1
多姆克公式
m
6.02
6.2
取手册强度,
2
维亚若夫公式
m
6.0
6.65
3
里别尔曼公式
m
6.7
7.1
4
冻结法凿井技术规程
m
6.6
6.91
5
国内数理统计公式
m
6.53
7.02
⑵表09国内同类型深厚表土冻结井冻结壁厚度比较表
矿井名称
井筒净径（m）
掘砌荒径（m）
表土深度（m）
冻结深度（m）
冻结壁平均温度（℃）
冻结壁厚度（m）
开机至开挖天数（d）
金桥
主井
4.5
7.5
376.4
412
-12
6.06
90
副井
5.0
8.2
383.1
412
-12
6.66
120
梁宝寺
主井
5.0
7.9
370.9
461
-12
5.7
70
副井
6.5
10.1
371.6
461
-12
6.7
72
陈四楼
主井
5.0
7.6
369
435
-10
5.3
150
副井
6.5
9.8
373
435
-10
6.3
180
济西
主井
4.5
7.3
457.78
488
-14
7.5
副井
5.0
8.0
458.7
488
-14
7.6
元氏
副井
6.0
8.8
360.7
410
-10
5.8
涡北
主井
5.0
8.2
413.9
476
-12
6.8
副井
6.5
10.1
410.5
470
-12
7.0
花园
主井
4.5
8.15
476.8
512
-20
8.3
正在施工
副井
5.0
8.65
476.8
512
-20
8.7
正在施工
李堂
主井
5.0
8.15
427.42
467
-15
6.6
未开工
副井
5.0
8.15
430.03
470
-15
6.6
未开工
根据计算并结合国内外已施工或正在施工的深冻结井冻结壁设计厚度，确定霄云主、副井控制层冻结壁厚度为：
主井E主＝7.0m、副井E副＝7.4m（掘砌段高≤2.0m，空帮时间≤24h）。
2.4.4冻结壁（强度）平均温度校核
采用国内目前普遍采用的单排孔冻结壁平均温度计算公式——成冰公式，加修正值计算。
TC=Tb[1.135-0.352√L–0.8753√E+0.266√LE]-0.466+0.25Tn－2.5
主井控制层TC=-15.1℃、副井控制层TC=-15.3℃；
控制层冻结壁强度能满足设计要求。
2.5冻结孔深度
2.5.1主孔深度：
主井长腿470m、短腿430m；副井长腿470m、短腿414m；
2.5.2辅助孔深度：
主井430m；副井414m；
2.5.3防片孔深度：
由于上部井壁较薄（0.85m），辅助孔上部离荒径较远（约2.6m），上部冻土因动水及空气影响发展速度较慢，试挖时间又短，开挖时冻土离荒径远易出现片帮，影响井壁质量和施工安全及施工速度，增加工程成本。
借鉴附近矿井冻结经验教训，设置防片孔，深度主井320m、副井300m（自然地坪算起，深度到井壁第二次变截面位置）。
2.6冻结孔偏斜
深厚表土层冻结井施工中，冻结孔施工质量的好坏直接影响冻结工程的成败。
为保证冻结壁均匀稳定和冻结工期，根据招标文件要求及霄云实际地质情况并结合当前冻结钻孔实际施工水平，对冻结孔偏斜提出如下要求：
2.6.1钻孔垂直度：
300m以上钻孔偏斜率≤2.0‰；300m以下按靶域施工,靶域半径0.7m,冻结孔向内偏斜≤300mm。
最大孔间距表土段：
主孔≤2.5m，辅助孔、防片孔按偏斜及靶域要求；基岩段≤4.5m。
以上条件必须同时满足。
2.6.2孔位偏值：
径向向外0～25㎜，切向±25㎜。
2.6.3钻孔深度必须保证冻结管下管深度不得小于设计深度0.5m。
2.7冻结孔布置
2.7.1冻结圈径
①主孔圈径
D=D荒+2（0.6E+γH）
结合冻土发展速度、掘进速度、冻土向外发展距离、冻结孔实际偏斜及其它深井冻结施工经验，确定主冻结孔圈径：
主井为φ17.8m、副井为φ18.8m。
②辅助孔圈径
考虑偏斜、井帮温度及防断管要求，确定辅助孔圈径主井φ12m、副井φ12.5m；
③防片孔
根据冻结工期要求及上部冻土发展速度，并尽可能减少造孔工程量，确定防片孔圈径主井φ9.6m、副井φ10m。
2.7.2冻结孔数
N=πDL
主井：
主孔N外=42个、辅助孔N辅=21个、防片孔11个。
副井：
主孔N外=44个、辅助孔N中=22个、防片孔11个。
2.7.3开孔间距
L=πDN
主井：
主孔L外=1.33m、辅助孔L中=1.79m、防片孔L防=2.74m。
副井：
主孔L外=1.34m、辅助孔L中=1.78m、防片孔L防=2.85m；。
2.8冻结管、供液管
2.8.1冻结管
冻结管主孔、辅助孔0～300m采用φ140×6mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接，300m以下采用φ159×7mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接。
防片孔采用φ140×6mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接。
2.8.2供液管
采用聚乙稀塑料软管，规格：
φ75×6mm。
2.9测温孔布置
布置原则：
地下水流上方、冻结壁外侧最大孔间距处；冻结壁内侧界面处；冻结壁外侧主面、界面处；尽可能均匀布置。
主副井各设计4个测温孔，主井421m2个、470m1个、460m1个；副井404m2个、470m1个、460m1个。
测温孔具体位置根据冻结孔偏斜情况而定。
测温孔采用φ108×6mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接，管底密封，不试压、不灌水，确保不渗水。
2.10水文孔布置
水文孔：
主副井各设计两个水文孔，其中主井240m1个、320m1个；副井240m1个、325m1个。
水文管规格：
φ140×6mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接。
第三章冻结制冷系统
3.1氨系统
3.1.1井筒最大需冷量：
Qmax=KπdHnq
主井：
Q主max=KπdHnq=413×104kcal
表10霄云主、副井盐水系统计算表
序号
项目名称
单位
主井
副井
备注
1
冻结孔数
个
74
77
2
冻结深度
m
470
470
3
冻结管规格
㎜
ф140×6、ф159×7
4
盐水干管长
m
400
400
ф377×9
5
配集液圈长
m
150
150
6
井筒需冷量
KW
4721
4826
7
盐水比重（-15℃）
㎏m3
1265
1265
8
盐水比热（-35℃）
Kcal㎏℃
0.645
0.645
9
盐水循环量
m3h
1155
1155
单孔13～15m3h
10
盐水干管规格
㎜
ф377×9
11
供液管直径
㎜
ф75×6
12
盐水泵型号
设12SH—6A型盐水泵6台，流量918m3，电机310KW，，每井2台工作，1台备用
3.3清水系统
⑴新鲜水补充量：
W=65m3（0.05～1）]1000=160T；
⑵冷冻机油：
牌号N46数量80T；
⑶固体氯化钙用量（浓度95%）：
G=1.2gbrvbrρ=840T
3.6冻结站供电设计
冻结期间由甲方提供10KV电源，通过架空线或电缆接入冻结站移动式配电站。
采用就地无功补偿，提高功率因数后，最大用电负荷为11000KVA；选用移动式变配电室带2500KVA10KV0.4KV变压器2台、1600KVA10KV0.4KV变压器4台。
3.7冻结、制冷系统保温
3.7.1氨系统低温设备、管路保温
氨系统低温设备包括：
氨液分离器、中冷器等，保温材料用橡塑绝热保温材料（≤-10℃厚60mm，≥-10℃厚30mm）进行保温。
3.7.2盐水系统包括：
盐水泵、盐水箱、盐水干管、配集液圈等，分别用橡塑绝热保温材料（60mm）、聚乙烯保温板（100mm）等进行保温，盐水箱底下采用2层100mm聚乙烯保温板保温。
3.8冻结站大临建筑
冻结站大临主要包括：
冻结机房、设备基础、清水池、配电室、检修室、交接班室、测温室及生活用房等，冻结机房采用钢结构厂房，生活用房采用组装式板房；设备基础采用C150素混凝土；清水池采用砖混结构，面积见附表2。
3.9冻结孔处理
由于冻结管深，拔不出来，可用水泥砂浆或细石混凝土将冻结管充填密实。
第四章施工工期
4.1制冷系统安装工期
⑴设备基础施工工期：
30天。
⑵制冷系统设备、管道安装工期：
45天。
⑶系统试压试漏、保温、调试工期：
40天。
4.2冻结运转准备
工作内容：
地沟槽施工、冻结器头部、配集液圈、盐水干管安装及盐水系统试压试漏安排工期：
15天。
4.3冻结工期
4.3.1开挖前冻结时间
根据霄云矿井实际地质情况，结合已施工矿井
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