深井冻结施工组织设计.docx
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深井冻结施工组织设计
安徽国投新集口孜东矿主、副井井筒冻结工程
施工组织设计与主要技术安全措施
年月
施工组织设计
第一章设计依据和矿井概况
1.1设计依据
(1)《煤矿井巷工程质量检验评定标准》
(2)《矿山井巷工程施工及验收规程》
(3)《煤炭工业建设工程质量技术资料管理规定》
(4)《煤炭工业煤矿井巷工程、建筑安装工程单位工程质量保证资料评级方法》
(5)《建井工程手册》
(6)《中国煤矿建井技术》
(7)安徽国投新集口孜东矿招标文件(编号:
KZ05-01)及相关资料、图纸及答疑
1.2矿井概况
(1)工程概况
国投新集能源股份公司口孜东矿,位于安徽省阜阳市颖东区杨楼镇。
设计年生产能力5.0MT/a,井田地处淮河冲积平原,地势平坦,属全隐伏型煤田,覆盖于煤系地层上的新生界松散层较厚,目前两井施工条件基本具备。
井筒主要技术特征见下表:
序号
项目名称
单位
主井
副井
1
井筒净直径
m
Ф7.5
Ф8.0
2
冲积层厚度
m
568.45
571.95
3
风化带厚度
m
20.15
22.45
4
冻结深度
m
737/608
617
5
井壁最大厚度
m
2.3
2.4
(2)施工条件
建设单位提供10KV电源供施工单位使用,在变电所设备出线端装表计量,费用由施工单位承担。
第二章地质概况
2.1地质概况
口孜东煤矿位于淮南煤田的西部,淮南复向斜中的次级褶曲陈桥背斜的南翼西段,总体为一不完整向斜构造,南翼被F1断层切断。
该矿井地质条件较为复杂,表土层深厚,其中砂砾为309.5m占表土段厚度的54%,粘土为253.7m占表土段厚度的46%。
本井田新生界松散层相应划分为四个含水层(组)和三个隔水层(组)。
1.第一含水层(组)底界埋深在25.5m~26.8m,10m以下均为粘土或砂质粘土,含有砂疆块。
含水层(组)岩性为灰色、土黄色杂浅灰绿色粘土、粉砂、细砂,下部为粘土、砂质粘土,含砂疆,局部受锰质浸染。
一含含水性中等,属潜水~弱承压水,是农业灌溉和居民生活用水源。
第一隔水层(组)底界埋深64.25m~69.00m,均为单一的粘土及砂质粘土,土黄灰绿杂锈黄色,致密,粘韧,可塑,见少量钙质结核。
2.第二含水层(组)顶界埋深64.25~69.00,底界埋深73.30~73.85m,层厚4.30~9.25m。
第二隔水层(组)底界埋深85.00~86.40m,层厚11.15~12.90m,由土黄、灰色杂灰绿色砂质粘土,性粘韧,可塑,局部砂疆,见少量钙质结核。
3.第三含水层(组)底界埋深393.25~394.40m,层厚308.00~308.25m。
三含以砂层为主,砂层累厚219.45~243.90m,占三含总厚72~80%。
三含上部以粘土与砂层频繁互层,颜色以灰绿色为主,杂有锈黄色、灰褐色等。
砂层多以细砂为主,夹中砂和粗砂,成分以石英为主,次为长石,含有暗色矿物、云母片,局部含有泥质团块。
少数含有石英砾石。
粘土层中含粉砂质,砂质分布不均,少数见有锰质浸染,还见有腐朽木化石及碎片,有的已炭化。
该段地下水流向为自北向南,和济河大体垂直,地下水的水力梯度为10/万,自然流速为2.44~7.69×10-3m/d。
第三隔水层(组)底界埋深557.60~564.00m,层厚164.20~169.60m。
土层以砂质粘土为主,浅灰绿色杂锈黄色,少有浅肉红色,局部粘韧,见滑面。
下部有较多厚度较大钙质粘土,浅灰
绿,肉红色,弱固结~固结。
4.第四含水层(组)底界埋深568.45~573.20m,组厚9.20~11.65m。
四含由于受古地形隆起影响,变薄,结构单一,均为2层砂砾层夹薄砂质粘土或含砾粘土,砂砾层有紫红、暗紫红、灰白、灰色组成,砾石成分有石英砂岩、石灰岩等。
据抽水资料,水位标高15.65~19.24m,q=0.00047~0.003781l/s·m,k=0.00153~0.00378m/d,富水性弱,矿化度1.74~1.82g/l,水质类型C1—Ca水,水温20~24℃。
2.2冻土试验结果
1.冻土单轴抗压强度
土层
编号
土层
性质
取样
深度
(m)
-5℃
-10℃
-15℃
抗压强
度(Mpa)
平均值
(Mpa)
抗压强
度(Mpa)
平均值
(Mpa)
抗压强
度(Mpa)
平均值
(Mpa)
第1层
砂质粘土
105.25~
111.45
1.58
1.56
2.30
2.40
3.13
3.28
1.50
2.40
3.45
1.60
2.48
3.27
第2层
砂质粘土
129.75~
140.80
1.39
1.44
2.35
2.53
3.60
3.72
1.46
2.52
3.69
1.47
2.54
3.88
第3层
细中砂
198.40~
210.45
3.96
4.12
6.11
6.17
8.37
8.38
4.18
6.34
8.54
4.22
6.05
8.23
第4层
细砂
232.15~
252.60
3.02
3.32
5.02
5.15
7.06
7.28
3.37
5.00
7.49
3.57
5.42
7.28
第5层
细砂
253.50~
261.70
2.63
2.76
3.75
3.65
5.60
5.54
2.78
3.85
5.49
2.87
3.36
5.53
第6层
细中砂
297.40~
314.10
2.88
2.89
4.59
4.38
6.35
6.67
3.00
4.58
6.95
2.79
3.87
6.70
第7层
细中砂
315.00~
335.40
2.90
3.02
4.48
4.42
6.71
6.62
3.06
4.43
6.49
3.10
4.36
6.65
第8层
砂质粘土
365.20~
370.45
1.41
1.43
2.54
2.51
3.96
3.89
1.50
2.58
3.92
1.38
2.42
3.80
第9层
砂质粘土
400.60~
406.60
1.39
1.48
2.66
2.49
3.68
3.69
1.47
2.22
3.75
1.58
2.59
3.65
第10层
细中砂
426.00~
438.80
2.65
2.70
3.64
3.58
5.29
5.46
2.74
3.56
5.31
2.71
3.55
5.78
第11层
砂质粘土
441.25~
455.50
1.42
1.47
2.42
2.48
3.97
3.89
1.49
2.61
3.93
1.50
2.42
3.78
第12层
砂质粘土
470.15~
480.20
1.46
1.44
2.28
2.32
3.44
3.40
1.39
2.33
3.35
1.47
2.35
3.41
第13层
粘土
480.20~
490.00
1.47
1.51
2.34
2.48
3.82
3.95
1.53
2.49
3.97
1.52
2.60
4.05
第14层
粘土
490.60~
496.55
1.48
1.62
2.48
2.38
3.66
3.65
1.65
2.27
3.79
1.73
2.39
3.51
第15层
钙质粘土
496.55~
519.40
1.33
1.54
2.25
2.51
3.52
3.69
1.58
2.83
3.73
1.71
2.46
3.81
第16层
砂质粘土
519.40~
535.80
1.86
1.90
2.96
2.97
3.85
4.04
1.93
2.84
4.31
1.91
3.12
3.96
第17层
砂质粘土
538.00~
550.00
1.37
1.49
2.34
2.34
3.60
3.57
1.56
2.47
3.67
1.54
2.21
3.45
第18层
钙质粘土
550.00~
560.30
1.48
1.56
2.53
2.54
3.90
3.95
1.60
2.54
3.95
1.59
2.44
4.11
2.冻土冻胀试验结果
土层编号
取样深度(m)
土层性质
冻胀力(MPa)
冻胀率(%)
第1层
105.25~111.45
砂质粘土
0.46
2.32
第2层
129.75~140.80
砂质粘土
0.47
2.85
第8层
365.20~370.45
砂质粘土
0.44
2.10
第9层
400.60~406.60
砂质粘土
0.58
2.73
第11层
441.25~455.50
砂质粘土
0.45
2.46
第12层
470.15~480.20
砂质粘土
0.50
2.78
第13层
480.20~490.00
粘土
0.48
2.74
第14层
490.60~496.55
粘土
0.53
2.97
第15层
496.55~519.40
钙质粘土
0.42
1.99
第16层
519.40~535.80
砂质粘土
0.54
2.97
第17层
538.00~550.00
砂质粘土
0.48
2.83
第18层
550.00~560.30
钙质粘土
0.57
3.06
3.冻结温度试验结果
土层编号
取样深度(m)
土层性质
冻结温度(℃)
备注
第1层
105.25~111.45
砂质粘土
-1.4
第2层
129.75~140.80
砂质粘土
-1.2
第8层
365.20~370.45
砂质粘土
-1.7
第9层
400.60~406.60
砂质粘土
-1.3
第11层
441.25~455.50
砂质粘土
-1.2
第12层
470.15~480.20
砂质粘土
-1.2
第13层
480.20~490.00
粘土
-1.5
第14层
490.60~496.55
粘土
-1.8
第15层
496.55~519.40
钙质粘土
-2.4
第16层
519.40~535.80
砂质粘土
-1.6
第17层
538.00~550.00
砂质粘土
-2.7
第18层
550.00~560.30
钙质粘土
-2.8
4.冻土导热系数测定结果
土层编号
取样深度(m)
土层性质
表面温度(℃)
导热系数w/(m·k)
备注
-5
-10
-15
第1层
105.25~111.45
砂质粘土
1.66
1.80
1.92
第2层
129.75~140.80
砂质粘土
1.62
1.69
1.80
第8层
365.20~370.45
砂质粘土
1.51
1.68
1.72
第9层
400.60~406.60
砂质粘土
1.60
1.75
1.85
第11层
441.25~455.50
砂质粘土
1.69
1.76
1.81
第12层
470.15~480.20
砂质粘土
1.47
1.56
1.69
第13层
480.20~490.00
粘土
1.72
1.83
2.11
第14层
490.60~496.55
粘土
1.68
1.80
1.99
第15层
496.55~519.40
钙质粘土
1.63
1.68
1.82
第16层
519.40~535.80
砂质粘土
1.55
1.62
1.75
第17层
538.00~550.00
砂质粘土
1.66
1.75
1.82
第18层
550.00~560.30
钙质粘土
1.62
1.79
1.92
5.冻结粘土比热容测定结果
土层编号
取样深度(m)
土层性质
比热J/(g·k)
备注
第1层
105.25~111.45
砂质粘土
1.2973
第2层
129.75~140.80
砂质粘土
1.4479
第8层
365.20~370.45
砂质粘土
1.5376
第9层
400.60~406.60
砂质粘土
1.5673
第11层
441.25~455.50
砂质粘土
1.6245
第12层
470.15~480.20
砂质粘土
1.4871
第13层
480.20~490.00
粘土
1.4559
第14层
490.60~496.55
粘土
1.4746
第15层
496.55~519.40
钙质粘土
1.4961
第16层
519.40~535.80
砂质粘土
1.5776
第17层
538.00~550.00
砂质粘土
1.5963
第18层
550.00~560.30
钙质粘土
1.5889
6.冻土蠕变试验结果
试样
编号
土性
温度
(℃)
应力
(MPa)
应变与时间关系
备注
a
b
第一组
砂质粘土
-15
1.08
0.56445
0.16815
ε=0.44093σ1.62095t0.21651
1.80
1.16268
0.2011
2.53
1.80477
0.32581
第二组
砂质粘土
-15
1.53
1.27243
0.11338
ε=0.703169σ1.16676t0.14607
2.56
1.95238
0.15531
3.54
2.86264
0.37309
第三组
砂质粘土
-15
2.30
2.26064
0.15203
ε=0.454454σ1.69172t0.23971
3.83
4.67347
0.21589
5.37
5.82616
0.63616
2.3工程特点
1.表土特深厚,由于目前国内尚无550m以上表土冻结井竣工先例,故施工技术难度较大。
2.该区粘土层冻土单轴抗压强度偏低,设计及施工时应注意此层位总冻结壁的强度和稳定性。
3.试验土层的冻结温度较低,平均为-1.7℃,最低达-2.8℃。
5.试验各个土层最大冻胀力平均为0.58Mpa,土层最大冻胀率平均为3.06%。
6.埋深在470.15~480.20m的土层,蠕变量较大,施工时应注意蠕变产生的工程地质问题,设计冻结壁时,尽量从单轴蠕变应变与时间的关系曲线中获取冻结蠕变量与时间的关系。
7.该矿区地温较高,根据淮南地区长观资料,恒温带深度为30.0m,温度为16.8℃。
经校正,主、副、风井地温中性点的深度为:
720m、630m、610m,中性点的温度为:
31.4℃、29.4℃、29.2℃。
主、副、风井井底岩温分别为40.2℃(1010m)、43.4℃(1110m)、41.2℃(1020m),地温梯度2.4℃/100m、2.46℃/100m、2.5℃/100m。
第三章冻结方案设计
3.1方案设计原则
1.确保本工程冻结壁满足招标文件安全要求、质量要求、工期要求和煤矿井巷工程优良质量标准。
2.技术可靠,经济合理,可操作性强。
3.2方案设计思路
1.冻结壁设计
冻结壁厚度及强度的大小,直接影响井筒掘砌的安全,同时也是其他冻结参数设计的基础。
针对口孜东矿井工程特点,冻结壁的设计采用国内成熟的深井冻结设计经验,采用解析计算并进行工程类比的方法综合确定。
2.冻结孔布置设计
以满足冻结壁冻结设计参数要求为原则,并结合工期、工艺要求进行冻结孔布置。
3.3冻结技术方案设计
1.冻结壁设计基本参数
主井净直径φ7.5m,井壁最大厚度2.3m,最大掘进荒直径12.25m;副井净直径φ8.0m,井壁最大厚度2.4m,最大掘进荒直径12.95m。
①积极期冻结盐水温度:
ty=-34~-36℃
②控制层位冻土平均温度:
-16~-18℃
冻土抗压强度:
按冻土试验参数选取,t0=-15℃,
④冻结井帮温度:
400m以上-8℃以下,400m以下-12℃以下
⑤主排冻结孔冲积层最大孔间距≤2.8m。
2.冻结壁厚度设计
(1)解析计算
按里别尔曼公式
h=2.5m;KL=1.2;γ=20KN/m3
E主=11.38m,E副=12.37m
按维亚洛夫---扎列茨基公式计算
当上端固定,下端固定不好时:
段高取2.5m时,冻结壁厚度分别为:
E主=10.73m,E副=12.06m
按《煤矿冻结法凿井技术规程》中强度公式计算
式中:
k=1.3;掘进段高h=2.5m;ξ=0.20
E主=11.16m,E副=11.64m
按国内经验公式计算冻结壁厚度
我国对冻结法施工的立井井筒冻结壁厚度进行了统计分析,得到公式如下:
E=0.04×a×H0.61
式中:
a---井筒掘进半径;H---计算深度
E主=11.6m,E副=12.35m
(2)工程类比
根据以往深井冻结施工经验,在进行冻结壁厚度确定时,成功的深井冻结参数是以后深井冻结施工的重要参考,目前施工成功的深冻结井技术参数见下表:
序号
井筒名称
冲积层
深(m)
冻结深度
(m)
净直径
(m)
井壁厚
(m)
冻结壁厚(m)
1
陈四楼主井
369
423
5.0
1.4
4.8
2
陈四楼副井
374.5
435
6.5
1.8
6.3
3
祁东主井
370.2
400
5.0
1.5
5.76
4
祁东副井
368.8
396
6.0
1.65
6.64
5
潘三东风井
358.5
415
6.5
1.2
5.5
6
济西主井
457.78
488
4.5
1.38
7.5
7
济西副井
458.5
488
5.0
1.38
7.6
8
涡北主井
413.9
476
5.5
1.5
6.8
9
涡北副井
410.5
470
6.5
1.95
7.0
10
丁集主井
530.45
552
7.5
2.1
11.0
11
丁集副井
525.25
550
8.0
2.2
12.0
12
丁集风井
528.65
552
7.5
2.1
11.0
13
龙固风井
533.1
650
7.5
2.1
10.5
14
赵固副井
518.0
575
6.5
2.1
9.5
15
顾北主井
464
510
7.6
2.1
10.0
16
顾北副井
462.5
510
8.4
2.2
11.0
17
顾北风井
464.35
510
7.0
2.05
9.5
18
郭屯主井
583.10
702
5.0
2.2
10.0
19
郭屯副井
586.22
702
6.5
2.4
11.0
20
郭屯风井
587.4
702
5.5
2.3
10.5
综合以上各种方法计算的结果,并考虑井筒掘进荒径的大小,确定主、副井冻结壁厚度分别为:
E主=11.5m,E副=12.5m
3.冻结深度确定及冻结孔布置
(1)冻结深度确定
根据招标文件要求,并在认真分析了地质资料及冻土特征、总结国内深井冻结设计经验后,设计采用外排孔+中排孔+内排孔+防片孔冻结方式,冻结深度及冻结方式如下:
主井
外排孔采用局部冻结方式,即362m以上采取隔温措施,362m以下进行冻结,其深度为578m。
中排孔采用差异冻结方式,其长腿深度为737m,短腿深度为608m。
内排孔采用全深冻结,冻结深度为569m。
防片孔采用差异冻结方式,其长腿深度为470m,短腿深度为220m。
副井
外排孔采用局部冻结方式,即360m以上采取保温措施,360m以下进行冻结,其深度为581m。
中排孔采用全深冻结,冻结深度为617m。
内排孔采用全深冻结,冻结深度为572m。
防片孔采用差异冻结方式,其长腿深度为470m,短腿深度为240m。
(2)冻结孔布置方式
局部冻结段以上采用中排孔+内排孔+防片孔冻结方式(国内成熟技术),局部冻结段以下采用外排孔+中排孔+内排孔冻结方式,以满足冻结壁厚度及平均温度的要求。
其中防片孔主要起470m以上防片帮的作用;内排孔起上部降低冻结壁平均温度、470m以下降低井帮温度、防底鼓的作用;外排孔主要起增加冻结壁厚度、降低冻结壁平均温度、增大冻结壁稳定性的作用;中排孔为主冻结孔,主要保证冻结壁厚度,降低冻结壁平均温度的作用,其中主井深孔(737m)起基岩段封水作用。
具体布置如下表所示:
冻结孔名称
主井
副井
备注
外
排
孔
圈径(m)
30.8
33.5
局部冻结,上部采取隔热
孔数(个)
58
63
开孔间距(m)
1.667
1.670
深度(m)
578
581
中
排
孔
圈径(m)
24.5
26.3
主井采取差异冻结,副井采取全深冻结
孔数(个)
54
59
开孔间距(m)
1.425
1.400
深度(m)
608/737
617
内
排
孔
圈径(m)
18.2
19.0
全深冻结
孔数(个)
26
28
开孔间距(m)
2.198
2.131
深度(m)
569
572
防
片
孔
圈径(m)
12.7/14.8
13.4/15.6
梅花型布置,差异冻结
孔数(个)
9/9
9/9
开孔间距(m)
4.431/5.164
4.675/5.443
深度(m)
235/470
240/470
4.冻结孔施工要求
(1)为保证冻结深度达到设计要求,主井深孔(737m)延伸3m至740m,浅孔(608m)延伸2m至610m;副井深孔(617m)延伸3m至620m。
(2)冻结孔施工应采用间隔施工,先施工深孔,如果深孔质量达不到设计要求,则与之相邻的浅孔改为深孔,以保证冻结孔间距符合设计要求,减少补孔。
(3)冻结孔造孔质量事关冻结壁安全,故冻结孔偏斜控制应为300m以上为2‰,300m以
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- 深井 冻结 施工组织设计