煤矿风井井施工组织设计.docx
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煤矿风井井施工组织设计
xx矿区开发建设有限责任公司
xx矿井回风立井井筒冻结工程
施工组织设计
中煤第五建设公司特殊凿井处
二○一一年八月十三日
前言
陕西彬长矿区开发建设有限责任公司小庄矿井回风立井采用立井开拓方式，因其地质及水文地质条件复杂，采用普通法施工难以通过，为加快矿井建设速度，确定采用冻结法施工。
我处承担了回风立井井筒冻结工程的施工，并依据投标书所确定的技术方案，进一步优化，编制了回风立井井筒冻结工程施工组织设计。
编制设计的主要依据是：
（1）陕西省彬长矿区开发建设有限责任公司小庄矿井副立井井筒检查勘察地质报告；
（2）陕西彬长矿业集团有限公司小庄矿井回风立井井壁结构；
（3）陕西彬长矿业集团有限公司小庄矿井回风立井井筒检查钻孔柱状图；
（4）《矿山井巷工程施工及验收规范》（GBJ213-90）；
（5）《煤矿井巷工程施工质量评定标准》（MT5009-94）；
（6）《煤矿安全规程》。
冻结站设备安装图……………………….……………………………………………64
环形沟槽施工图……………………………………………………………………….65
第一章工程概况
1矿井概况
小庄矿井是xx矿业集团有限公司的建设项目之一，由北京华宇工程有限公司设计，设主、副、风三个井筒。
表1-1回风立井井筒特征表
序号
项目
参数
1
井筒中心坐标（m）
X=3885992.000mY=36498205.000m
2
井口设计标高（m）
Z=+1106.500m
3
井筒净直径（m）
7.5
4
最大掘进荒径（m）
10.7
5
表土段深度（m）
245.98
6
支护结构
钢筋砼
7
冻结深度（m）
472
2井筒地质特征（甲方未提供地质资料，要求参考主、副井资料）
2.1地层
依据风井井检孔揭露地层由老至新依次有：
三叠系中统铜川组（T2t），侏罗系下统富县组（J1f）、中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、安定组（J2a），白垩系下统宜君组（K1y）、洛河组（K11）及第三系（N），第四系（Q4）地层岩性情况见表1-2地层结构表。
表1-2地层结构表
地层
单位
层序号
层厚
（m）
深度
（m）
岩石名称
地层
单位
层序号
层厚
（m）
深度
（m）
岩石名称
第四系
1
37.00
37.00
黄土
第三系
16
11.91
245.98
卵石层
2
9.20
46.20
粉质粘土
白垩系
17
106.38
352.36
中粒砂岩
3
13.10
59.30
粘土
18
17.19
369.55
含砾砂岩
4
11.90
71.20
粉质粘土
19
10.46
380.01
中粒砂岩
5
22.10
93.30
粉质粘土
20
7.54
387.55
含砾砂岩
6
24.43
117.73
粘土
21
71.55
459.10
中粒砂岩
7
37.67
155.40
粉质粘土
22
42.02
501.12
粗砾岩
8
9.70
165.10
粘土
侏罗系
23
3.85
504.97
中粒砂岩
9
17.55
182.65
粉质粘土
24
4.17
509.14
泥岩
第三系
10
11.29
193.94
粘土
25
8.66
517.80
细粒砂岩
11
10.94
204.88
粉质粘土
26
2.88
520.68
泥岩
12
3.40
208.28
粘土
27
12.56
533.24
粗粒砂岩
13
3.56
211.84
粉质粘土
28
3.26
536.50
泥岩
14
8.54
220.38
粘土
29
13.50
550.00
泥质粉砂岩
15
13.69
234.07
粉质粘土
现由老至新分述如下：
（1）三叠系中统铜川组（T2t）
岩性为一套灰黑色，质均，质纯，水平层理发育，岩石成熟度较高。
（2）侏罗系
中统侏罗系安定组（J2a）
为棕红色、紫红色砂质泥岩，夹薄层紫灰色、灰绿色中~粗粒砂岩，底部为含砾粗砂岩。
本组地层以干旱气候平原洪积相沉积为主。
与中侏罗统直罗组假整合接触。
（3）白垩系
①下白垩统宜君组（K1Y）
岩性以杂色巨厚层状粗砾岩。
砾石成分主要为花岗岩、变质岩块次为石英岩块。
砾径一般5～15cm，最大25cm以上，次棱角—次圆状，分选差，基底式或空隙式胶结，质密坚硬。
与下侏罗统安定组假整合接触。
②下白垩统洛河组（K11）
岩性为紫红色、棕红色细~粗粒长石砂岩，中夹2层中厚层状杂色粗粒岩层及薄层棕色砂质泥岩。
孔隙式胶结，质密坚硬，为河流相沉积。
（4）第三系
主要以棕红色粘土为主，在下部有一层厚为11.91m的卵石层，成分以石英为主，可见灰岩粒，粒径一般25～80mm，最大200mm。
该层底部为粘土层，与下部地层成冲刷接触。
（5）第四系（Q4）
覆盖于第三系地层之上，为冲积破积层及河床堆积形成的粉质粘土、粘土层等。
2.2构造概述
彬长矿区位于鄂尔多斯盆底南部渭北北缘的彬县—皇陵褶皱带。
总体构造形态为中生界构成的NW缓倾的大型单斜构造。
在此单斜上产生一些宽缓而不连续的褶皱。
施工井筒位于路家—小灵台背斜的南翼，安化相斜的北翼。
路家—小灵台背斜的东端深入井田的南部，轴向N78°E，南翼倾角1～3°，北翼倾向4～8°，两翼跨度7～8公里，起伏幅度南翼80m，北翼150m，在井田内轴向延长约4公里。
井田内断层罕见，但在东南部的水帘矿、火石咀矿、下沟矿的生产矿井见少量断距在1.2~1.6m的小断层。
副井检孔附近没有发现断层，属岩层平缓、简单构造类型。
2.3各含水地层水文地质特征
（1）第四系含水层
抽水试验涌水量Q：
0.062（l/s），单位涌水量q：
0.045255（l/s·m），渗透系数K：
0.101（m/d），富水性弱，矿化度1.425（g/l），水质类型SO4·Cl—Na型。
（2）洛河组砂砾岩含水层
抽水试验涌水量Q：
4.767（l/s），单位涌水量q：
0.128873（l/s·m），渗透系数K：
0.07915（m/d），富水性中等—较强，水质类型SO4·Cl—Na型。
（3）宜君组砾岩弱含水层
据邻区井田钻孔抽水试验：
单位涌水量q：
0.0088～0.2206（l/s·m），渗透系数K：
0.020～0.861（m/d），属富水性不均一的弱含水层，矿化度2.59～5.39（g/l），水质类型Cl·SO4—Na型、SO4—Na型。
（4）安定组砂泥岩极弱含水层
据井田外围钻孔抽水试验：
单位涌水量q：
0～0.000076（l/s·m），富水性极弱，可视为煤系与上覆白垩系含水层之间的稳定隔水层。
（5）直罗组砂泥岩微弱含水层
据井田内钻孔抽水试验：
单位涌水量q：
0.0026（l/s·m），渗透系数K：
0.0164（m/d），富水性微弱含水层，水质类型SO4—Na型。
（6）延安组砂岩含水层
抽水试验涌水量Q：
0.054（l/s），单位涌水量q：
0.0003551（l/s·m），渗透系数K：
0.00042474（m/d），富水性弱，水质类型Cl·SO4—Na型。
（7）富县组、三叠系胡家河组泥岩隔水层
以泥岩、砂质泥岩等隔水性岩石为主，埋藏深为相对隔水层。
表1-3抽水试验参数成果表
项目
孔号
层位
试段深度
（m）
水位降低次数
单位涌
水量q
（l/s·m）
水位降低
S（m）
稳定
时间
（小时）
水位误差
（%）
流量误差
（%）
Q—S
曲线
质量评价
渗透系数K
（m/d）
影响半径
R（m）
副立井
井检孔
Q
0~13.40
1
0.045255
1.37
33
0.4
0
正常
合格
0.101
3.19
K1L
13.60~
189.20
3
0.128873
36.99
14.5
0.9
0.9
正常
合格
0.07915
275.80
0.127467
26.14
8
0.5
0
0.06736
179.80
0.127877
12.34
9
0.6
0
0.04635
70.41
J2y
313.47~
384.86
1
0.0003551
152.08
33
0.4
0
正常
合格
0.00042474
31.34
2.4地下水化学类型
本次化验结果：
第四系含水层水质类型SO4·Cl—Na型，矿化度1424.78mg/L；洛河组含水层水质类型SO4·Cl—Na型，矿化度3948.98mg/L；延安组含水层水质类型Cl·SO4—Na型，矿化度4330.51mg/L。
3岩石工程地质特征
3.1井筒岩石物理学性质
副井检孔各组段均采取了岩石物理学实验样，对土样测试内容为：
容重、密度、湿度、孔隙度、可塑性、内摩擦角、内聚力、抗压强度、膨胀性。
采取的基岩样测试项目为：
容重、密度、湿度、孔隙度、内摩擦角、抗压强度、泊松比、含水率、软化系数等。
3.2岩土工程地质评述
（1）层组
根据钻孔揭露及采样测试，土类层组可分为粉质粘土、细沙土及碎石土三个层组。
①粉质粘土：
0～8.20m，厚8.20m。
浅黄褐色，上部0.6m为灰褐色耕土，含植物根系，偶见小砾石，较均匀；下部为黄褐色粉质粘土，稍湿、中密、坚硬。
②砂砾石
砂砾石：
8.20～8.70m厚0.50m。
松散，未固结，黄褐色，稍湿、密实，易坍塌。
③碎石土
碎石土：
8.70～13.60m，厚4.90m。
褐色，粒度大于1cm，易坍塌，位于潜水位之下。
（2）岩组
①岩石质量及完整性
根据钻孔工程地质编录所确定的岩石RQD值，按GB12719-91中规定的评价方法。
②岩组工程地质分述
1）洛河砂岩岩组：
浅棕红色中粒砂岩夹浅灰绿色中粗粒砂岩和杂色砾岩薄层，分选较好，磨圆中等，泥质基质～孔隙式胶结，具斜层理。
裂隙较发育。
富水性中等。
该岩组的工程地质特征为：
天然容重2.28（g/cm3），干容重2.22（g/cm3），孔隙率9.71%，饱和单轴抗压强度12.34MPa，含水率1.24%，粘聚力1.47MPa，内摩擦角37.48°，泊松比0.20，软化系数0.70。
本岩组上部风化程度较剧烈，富水性强，岩石松软，易破碎、节理、裂隙较发育，地下水对岩层的软化作用较明显，按围岩稳定性划分标准为弱~中等稳定岩层。
2）宜君砾岩组：
为蓝灰色块状巨砾岩，钙质胶结，砂质充填，较坚硬，富水性微弱。
该岩组工程地质特征为：
天然容重2.40（g/cm3），干容重2.32（g/cm3），孔隙率10.40%，饱和单轴抗压强度31.08MPa，含水率1.01%，粘聚力3.00MPa，内摩擦角39.80°，泊松比0.18，软化系数0.75.按围岩稳定性划分标准为弱～中等稳定岩层。
3）安定砂岩～泥岩岩组：
为灰绿色中粒砂岩～泥岩，砂岩成分以石英、长石为主，泥质胶结，疏松，富水性弱。
天然容重2.29～2.31g/cm3，粘聚力1.42～1.60MPa，内摩擦角37.37～37.97°，孔隙率9.37～9.49%，饱和单轴抗压强度13.57～14.68MPa，含水率1.17～1.19%。
按围岩稳定性划分标准为弱稳定岩层。
4）直罗砂岩岩组：
上部砂质泥岩，夹中细粒砂岩；下部以粗粒砂岩为主，夹薄层粉砂岩。
天然容重2.30～2.38g/cm3，孔隙率9.28～9.74%，饱和单轴抗压强度小于8.90～13.67MPa，粘聚力1.68～0.95MPa，含水率0.86～1.23%，内摩擦角36.45～37.44°，软化系数0.69～0.72。
按围岩稳定性划分标准为弱～不稳定岩层。
5）延安组砂质泥岩岩组：
由泥岩、砂质泥岩与厚层状中、粗粒砂岩组成，天然容重2.30～2.37g/cm3，饱和抗压强度18.83～19.83MPa，内摩擦角38.41～38.5°，泊松比0.19，含水率1.10～1.18%，软化系数0.72～0.73。
各岩组为层状结构，层里面明显，砂岩强度及水稳定性较好，泥岩及砂质泥岩易软化。
由于岩石组合不同，岩组工程地质变化较大，按围岩稳定性划分标准为属不稳定~中等稳定岩层。
6）煤岩组：
据本次煤层的物理力学实验资料，煤层饱和抗压强度6.50～11.20MPa，平均7.93MPa；孔隙率10.12%，含水率3.60%，软化系数0.68，内聚力0.97MPa，内摩擦角36.05°，泊松比0.21，按围岩稳定性划分标准为属若稳定岩组。
7）富县泥岩岩组：
主要由泥岩组成，块状、易碎。
天然容重2.30g/cm3，孔隙率8.78%，含水率1.05%，饱和抗压强度21.75MPa，内聚力2.23MPa，内摩擦角39.05°，泊松比0.19，按围岩稳定性划分标准为属弱～中等稳定岩层。
第二章工程施工技术方案
1设计要点
针对井筒特征，冻结方案以“安全第一、防断管、少挖冻土、确保按期完成”为原则，确保井筒施工安全为目的，方案设计要点如下：
（1）采取主冻结孔加辅助冻结孔的冻结方式，其中主冻结孔采用一次冻全深的冻结施工方案。
（2）采用信息化施工，实时监测冻结壁的发展情况，确保施工安全。
（3）为了掌握冻结壁温度场及其变化规律，应用OC-1010型计算机测温系统。
（4）根据温度应力场对基岩含水层进行验算，以保证掘进施工的安全。
2冻结方式
根据回风立井井筒掘砌速度100m/月的施工要求，为了保证冻结壁的有效厚度，实现井筒尽快开挖。
经过对冻结壁形成及井筒掘进速度情况进行动态分析，以井筒掘至各水平时，冻结壁能够保证连续安全掘砌施工为原则，采取主冻结孔加辅助冻结孔的冻结方案。
3冻结深度的确定
依据招标文件中确定回风立井冻结深度为472m，终止在粗砾岩中。
冻结孔深度确定如下：
主冻结孔采取一次冻全深的冻结方式，冻结深度为472m；辅助孔冻结深度为250m。
4冻结技术参数的确定
根据井筒工程地质条件，冻结参数确定如下：
（1）积极冻结期盐水温度为-30～-32℃，维护冻结期盐水温度为-24～-26℃，盐水比重取1.27。
（2）冻结壁厚度
根据小庄矿井基岩段地层的水文工程地质条件，设计中搜集了我单位在陕西胡家河煤矿风井、内蒙虎豹湾主井等类似地质条件下的冻结施工经验，冻结壁计算采用有限段高公式
计算，计算参数及结果见表2-1。
表2-1冻结壁计算参数表
序号
参数名称
单位
参数
1
控制层底板埋深
m
245.98
2
地压值
Mpa
3.19
3
冻结壁平均温度
℃
-10
4
冻土极限抗压强度
Mpa
5.4
5
冻土允许抗压强度
Mpa
2.75
6
安全系数
2
7
安全掘进段高
m
2.2
8
冻结壁计算厚度
m
4.51
由于回风立井冻结的主要地层为第四系和第三系粘土层及下部白垩系地层，根据计算结果和类似地质条件井筒冻结施工经验，确定冻结壁厚度为4.6m。
5钻孔布置设计
钻孔布置参数见表2-2及钻孔平面布置图及剖面图。
表2-2钻孔布置参数表
序号
项目
单位
参数
1
冻结孔
布孔圈径
主孔
m
16.3
辅助孔
m
12.4
2
冻结孔数
主孔
个
38
辅助孔
个
16
3
冻结孔
开孔间距
主孔
m
1.346（弦长）
辅助孔
m
2.419（弦长）
4
冻结孔
深度
主孔
m
472
辅助孔
m
250
5
冻结孔工程量
m
21936
6
测温孔
个/m
2/4721/250
7
水文孔
个/m
1/250
8
钻孔工程量
ｍ
23380
6冻结管结构设计
冻结孔均下置φ140×5mm无缝钢管（200m以上），φ140×6mm无缝钢管（200~300m），φ140×7mm无缝钢管（300m以下）各类冻结管在250m以上采用内接箍连接方式，250m以下采用外接箍连接。
7测温孔设计
为了准确掌握冻结温度场变化情况，设计3个测温孔。
测1#孔布置在地下水流上方主孔圈径外侧主面上，距布孔圈径1.2m，孔深为472m；测2#孔布置在主孔终孔孔间距最大处圈径外侧界面上，距布孔圈径1.2m,孔深为472m；测3#孔布置在辅孔终孔孔间距最大处圈径内侧界面上，距布孔圈径0.5m，孔深为250m；测温管采用φ108×5mm无缝钢管，外接箍连接。
8水文孔设计
为了准确报导冻结壁交圈情况，根据井检孔资料，设计水文孔1个,采用φ108×5mm无缝钢管，外接箍连接方式。
8.1水文孔滤水管位置
表2-3水文孔滤水管层位表
孔号
孔深（m）
滤水层位（m）
水文孔
250
238~243m、246~249m
8.2封止水位置
水文孔在215～220m段进行封止水，封止水材料为海带粘土。
封止水材料下置后要进行效果检查，不合格应重新下置，直至合格为止。
9冻结壁形成预测
9.1主要含水层冻结壁交圈时间
控制层最大孔间距按2.2m计算，参考胡家河风井冻土发展速度，主要含水层冻结壁交圈时间约为48天。
9.2井筒开挖标准
①水文孔冒水后证实主要含水层冻结壁已交圈；
②根据测温资料分析，井筒掘砌至各水平时，冻结壁能够满足井筒安全掘进施工需要。
9.3井筒开挖时间
依据招标文件提供的井筒综合成井速度，考虑冻结段冻结壁所需要的厚度和强度，开冻至开挖时间为55天。
9.4冻结壁形成预测
表2-4冻结壁形成预测表
冻结时间
（d）
预计掘进
深度（m）
地层
掘进直径
（m）
冻结壁有效厚度（m）
61
20
黄土
8.8
3.8
69
45
粉质粘土
8.8
4.2
84
95
粘土
8.8
4.4
99
145
粉质粘土
8.8
4.5
113
192
粘土
9.3
4.6
118
210
粉质粘土
9.3
4.7
129
245.98
卵石层
10.7
4.7
第三章冻结制冷系统设计
1氨系统设计
1）参数选取
①冻结管散热能力：
250kcal/m2•h
②冷量损失系数：
1.15
2）井筒需冷量见表3-1。
表3-1井筒冷量计算表
项目
单位
参数
冻结管散热能力
万kcal/h
241.20
井筒冻结需冷量
万kcal/h
277.38
3）冷冻机选型及数量
设计积极冻结期盐水温度为-30～-32℃，维护冻结期盐水温度为-24～-26℃。
冻结站采用新型螺杆压缩机双级压缩制冷，盐水比重取1.27。
根据计算，井筒配备机型及数量见表3-2。
表3-2井筒冷冻机配备表
项目
单位
台数
备注
高压机HLG20ⅢDA185
台
6
低压机HJLG25ⅢTA250
台
6
总装机容量
万kcal/h
1038
表3-3不同冻结时期开机台数
冷冻机
1～140天
141～234天
HLG20ⅢDA185
4~6
1~3
HJLG25ⅢTA250
4~6
1~3
4）辅属设备选型
经计算辅属设备选型及数量见表3-4。
表3-4辅属设备选型及数量表
序号
名称
型号
单位
台数
1
汽化器
LZL-200
台
11
2
冷凝器
EXV-Ⅱ-340
台
7
3
中冷器
ZL-8.0
台
5
4
储液器
ZA-5.0
台
2
5
集油器
JY-300
台
1
6
热虹吸器
HZA-3.5
台
2
2盐水系统设计
①盐水总循环量：
724m3/h（其中主孔冻结器盐水流量为14m3/h，辅孔冻结器盐水流量为12m3/h）。
②供液管选择：
选用Ф75×6mm聚乙烯塑料供液管。
③盐水干管及配集液圈：
根据盐水总流量，选用φ377×9mm无缝钢管（一配一集）。
④盐水泵选择：
选用10Sh-6型盐水泵3台（使用2台，备用1台）
（Q=486m3/hH=65.1mN=135KW）
3冷却水系统设计
①冷却水总循环量：
30m3/h。
②新水补充量：
15m3/h。
③水泵选型：
选用200QJ32-26/2型水泵2台（其中备用1台）
（Q=32m3/hH=26mN=4KW）
冻结设计参数见表3-5。
表3-5冻结设计技术参数表
序号
项目
单位
参数
1
井筒净直径
m
7.5
2
冻结段最大掘进直径
m
10.7
3
冲积层厚度
m
245.98
4
冻结深度
m
472
5
冻结壁厚度
m
4.6
6
最大孔间距
主孔
245.98m水平
m
≦2.2
终孔
m
≦3.6（向内偏斜≦0.4m）
辅助孔终孔
m
3.2
7
冻结孔布置
主孔
圈径
m
16.3
孔数
个
38
开孔间距
m
1.346（弦长）
深度
m
472
辅助孔
圈径
m
12.4
孔数
个
16
开孔间距
m
2.419（弦长）
深度
m
250
8
冻结孔工程量
m
21936
9
水文孔
个/m
1/250
10
测温孔
个/m
2/4721/250
11
钻孔工程量
m
23380
12
积极冻结期盐水温度
℃
-30~-32
13
维护冻结期盐水温度
℃
-24~-26
14
开冻至开挖
d
55
15
冻结最大需冷量
万kcal/h
277.38
16
新水补充量
m3/h
15
第四章供配电设计
1供电要求及供电方式
冻结孔施工和冻结站供电均被列为矿山企业二类负荷，应具有一定的可靠性，只有在特殊情况下才能短时间停电，并且在停电前应通知打钻及冻结站负责人，以便提前做好停电准备工作。
供电电压应相对稳定，电压波动值一般不宜超过+5%～-10%。
根据施工现场情况，冻结孔施工和冻结站临时变电所供电电源采用10KV供电线路。
低压设备均采用380伏电压供电。
2供电设计
2.1用电负荷统计
冻结孔施工设备总装机容量为1380KW，临时变电所低压0.4KV母线上的计算负荷为804.30KVA无功补偿后，低压0.4KV母线上的总负荷700.56KVA（打钻设备负荷统计见表4-1）。
冻结站设备总装机容量为3149KW，临时变电所低压0.4KV母线上的计算负荷为3238.39KVA（冻结设备负荷统计见表4-2），无功补偿后，低压0.4KV母线上的总负荷2892.51KVA。
表4-1打钻设备负荷统计表
设备名称
规格型号
数量
设
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