矿井井筒冻结施工.docx

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矿井井筒冻结施工

井筒冻结工程

一、冻结方案

由于本矿井主、副、风井井筒净直径均较大，且冻结深度大，根据其实际地质情况并参照附近龙固、赵楼等矿井冻结设计、施工情况，三个井筒均采用三圈孔加辅助孔冻结方案。

其主要优点为冻结效率高，综合工期短，适于早日开挖、快速施工，且安全可靠。

二、冻结设计

1、冻结深度的确定

本矿井井筒冻结深度分别为：

主井井筒894m，副井井筒840m，风井井筒840m。

2、冻结壁设计

（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，因为砂层冻结壁由于冻砂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，因为对于粘土层最终决定冻结壁厚度的是必须满足变形条件，在隔水粘土层中不会涌砂冒水，但过大的变形会导致冻结管断裂，从而影响冻结壁安全。

（2）基本设计计算参数

冻结壁基本设计计算参数见表3-2-1。

表3-2-1冻结壁基本设计计算参数表

注：

※掘砌荒半径不含壁后泡沫塑料板厚。

（3）冻结壁厚度设计

根据现有公式计算、有限元分析及经验工程类比并结合万福实际工程情况，确定万福矿井各控制层冻结壁厚度见表3-2-6。

表3-2-6万福矿井主、副、风井各控制层冻结壁厚度表

（4）冻结壁（强度）平均温度校核

结合国内现有冻结制冷工艺，立足现实，在确保安全运转的前提下，盐水温度在-30～-37℃之间较为合适，在龙固、丁集等矿井已经实现-36℃的盐水温度，若达到-40℃不但制冷设备的效率大大降低，由此带来的冻结管及制冷系统的管道材质问题将很难解决，即便解决费用也难以承受。

因此计算最低盐水温度按-36℃。

多圈孔冻结施工国外及国内均没有现成的公式可以计算，冻结壁平均温度计算采用四种方法计算：

①采用单排孔冻结壁平均温度计算公式——成冰公式，加修正值；②采用作图法计算；③采用有限元分析方法；④工程类比法。

冻结壁平均温度计算结果见表3-2-7。

表3-2-7万福矿井冻结壁平均温度计算结果表

经过校核可知，冻结壁平均温度均能达到设计要求，强度可以满足施工安全。

3、冻结孔的布置

（1）冻结孔布置形式

万福冻结孔布置综合考虑龙固、郭屯及其它矿井的布置经验，根据增大冻结壁厚度不如在厚度一定的情况下，提高冻结壁强度的原则，加强内圈孔的布置，通过内圈孔、防片孔先交圈，为防止夹层水及减少冻结装机量，中圈孔、外圈孔依次开冻。

为保证冻结壁强度能提高上去，将冻结孔在施工工艺满足的情况下尽可能均匀布置，即将中圈孔分开布置。

（2）冻结孔布置方案

根据万福实际地质情况和冻结壁设计厚度和平均温度，在一定冻结壁厚度下，通过冻结孔的布置，即能达到设计的冻结壁厚度，又能降低冻结壁平均温度、提高冻结壁强度来保证冻结壁的安全。

根据以上设计理念进行冻结孔布置，选择合理的冻结方案。

①冻结孔深度

a.外圈孔深度

外圈孔的作用是保证冲积层下部冻结壁设计厚度及强度，所以外圈孔冻结深度穿过新近系和强风化带即可。

冲积层深度主井、风井753.95m，副井749m。

主井、风井强风化带底板深度为773.31m，弱风化带底板深度781.52m；副井强风化带底板深度为773.5m，弱风化带底板深度776.88m。

因此确定外圈孔冻结深度主井、风井、副井均为775m。

由于上部需要的冻结壁较薄，为节省冷量，外圈孔可采用局部冻结，300m以上不冻或少冻，重点冻结300m以下。

b.中圈孔深度

中圈孔设置目的：

一是中、上部与内圈孔、防片孔一起形成有效的冻结壁，且保证上部冻结壁厚度和强度；二是保证冲积层中下部及风化带的冻结壁强度；三是部分冻结孔深到所需冻结深度，确保基岩段冻结。

中圈孔采用差异冻结，长腿深度与冻结深度相同，即主井

894m，副井840m，风井840m。

短腿深度超过风化带即可，即主井、风井短腿深度均为783m、，副井短腿深度为778m。

c.内圈孔深度

内圈孔上部可与防片孔、中圈孔形成冻结壁，并提高冻结壁强度，防片孔深度以下与中圈、外圈共同保证冻结壁厚度与强度，还要降低井帮温度，减少冻结壁内表面位移。

同时还要兼顾风化带的冻结。

内圈孔深度超过风化带即可，即主井、风井内圈孔深度均为783m、，副井内圈孔深度为778m。

d.防片孔深度

深厚冲积层井筒因结构需要，上部井壁与下部井壁厚度相差较大（主井上下相差1.2m，副井上下相差1.55m，风井上下相差1.4m）。

井筒又是自上而下施工，上部冻结时间短，内圈孔上部离荒径较远，上部冻土因动水影响发展速度较慢。

若不设防片孔，上部开挖时易出现片帮、抽帮现象，有时还会发生因周围冻土围抱力不够，已施工井壁“脱裤子”的现象，严重影响井壁质量和施工安全及施工速度，增加工程成本。

借鉴龙固、郭屯矿井冻结经验，万福矿井冻结设防片孔，结合冻结壁强度、井帮温度要求及开挖和掘砌施工进度，防片孔深度要求既要保证防片孔深度以上的井帮温度，还要照顾到过防片孔以后井帮温度要达到设计要求。

因此结合井壁结构设计，防片孔冻结深度穿过井壁变截面，保护变径处的安全，深度分别为：

主井512m、副井482m、风井482m。

②冻结孔偏斜

深厚冲积层冻结井施工中，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及冻结壁厚度和强度的如期达到，根据业主要求及万福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：

a.钻孔垂直度：

0～300m≤2.5‰；300～600m，靶域半径0.7m；600m到新近系底板，靶域半径

0.8m；基岩段靶域半径1.2m；防片孔向内≤0.5m。

b.根据《矿山井巷工程施工验收规范》要求，外圈、中圈、内圈孔相邻两孔最大孔间距：

冲积层≤3.0m，防片孔按偏斜率及靶域半径控制。

中圈孔基岩段≤4.5m。

以上条件必须同时满足。

c.孔位偏值：

径向向外0～25㎜，切向±25㎜。

d.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。

③冻结孔布置

a.冻结圈径

根据龙固、郭屯等矿井冻结壁实际监测资料，冻结壁自外圈孔圈径向外发展，冻结时间超过270天后，冻土向外发展极为缓慢，冷量与外部热量近似达到平衡。

因外圈孔偏斜的不确定性而造成的前期冻结壁向外锋面为锯齿形，后期向外冻结壁锋面也将变得圆滑了，外圈孔间距的影响变得很小。

龙固、郭屯实际监测冲积层下部冻土向外发展（按结冰温度值为冻结壁锋面）均在2.8～3.0m，万福矿井冻结时间将更长，冻结壁自外圈向外发展按2.3～2.5m计算，并结合冻结壁厚度及掘砌荒径推算外圈布置圈径。

因此确定外圈冻结孔布置圈径为：

主井27m、副井31.5m、风井29m。

中圈孔圈径

D中=D荒+2（0.55E’+γH）

考虑外圈孔与中圈孔之间尽可能避免夹层水，距离不宜太大。

因副井、风井井筒净径、冻结壁厚度较大，为保证冻结壁的强度，副井、风井将中圈孔再分开布置，使冻结孔在冻结壁内布置的更加均匀。

确定中圈孔圈径：

主井20.8m、副井22.5/25m、风井21/23m。

内圈孔圈径

D辅=D荒+2（0.3E‘+γH）

考虑偏斜及对井帮温度的要求，内圈孔在保证冻结壁强度和井帮温度情况下，尽量距荒径远一点。

确定内圈孔圈径：

主井15.8m、副井18.0m、风井16.8m。

防片帮孔圈径

根据冻结工期、井帮温度要求及上部冻土发展速度，并尽可能减少造孔工程量，确定防片帮孔圈径：

主井11.7m、副井13.8m、风井12.5m。

根据以上布置，冲积层底部控制层冻结管到荒径距离：

主井：

外圈8.575m、中圈5.475m、内圈孔2.975m。

副井：

外圈9.625m、中圈6.375/5.125m、内圈孔2.875m。

风井：

外圈9.125m、中圈6.125/5.125m、内圈孔3.025m。

b.开孔间距

借鉴龙固、郭屯实际施工经验，内圈开孔间距控制在大于1.5m较为合适。

为保证夹层水能充分释放，中圈孔开冻时间比内圈及防片孔晚，两相邻孔开孔间距应大于内圈孔，小于外圈孔。

L=πD/N

主井：

外圈孔1.84m、中圈孔1.63m、内圈孔1.5m、防片孔2.82m。

副井：

外圈孔1.83m、中圈孔2.71/2.43m（中圈两相临孔间距1.79m）、内圈孔1.52m、防片孔2.88m。

风井：

外圈孔1.82m、中圈孔2.53/2.77m（中圈两相临孔间距1.66m）、内圈孔1.51、防片孔2.8m。

c.冻结孔数

N=πD/L

主井：

外圈孔46个、中圈孔20/20个、内圈孔33个、防片孔13个。

副井：

外圈孔54个、中圈孔29/29个、内圈孔37个、防片孔15个。

风井：

外圈孔50个、中圈孔26/26个、内圈孔35个、防片孔14个。

（3）冻结管、供液管

①冻结管选择

根据已施工深厚冲积层冻结管使用经验，充分考虑钻孔难度、盐水流量、盐水阻力等因素，并结合规范要求，确定冻结管直径如下：

外圈冻结管0～300m采用φ159×6mm20#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。

中圈孔、内圈孔0～290m采用φ159×6mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接，290m以下采用φ159×7mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接。

内圈孔0～280m采用φ159×6mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接，280m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供液管

a.外圈冻结孔采用单根供液管，深度同外圈冻结管深度，规格φ80×7mm聚乙稀塑料软管。

b.中圈冻结孔采用单根供液管，深度同中圈冻结管深度，规格φ80×7mm聚乙稀塑料软管。

c.内圈孔采用单根供液管，深度同内圈冻结管深度，规格φ80×7mm聚乙稀塑料软管。

d.防片孔采用单根供液管，深度同防片孔冻结管深度，规格φ75×7mm聚乙稀塑料软管。

（4）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。

为加强对冻结壁温度场的监测，每井设计7个测温孔。

主井：

894m/2个、880m/1个、775m/2个、755m/2个。

副井：

840m/2个、825m/1个、775m/2个、750m/2个。

风井：

840m/2个、823m/1个、775m/2个、755m/2个。

测温孔具体位置根据冻结孔偏斜情况而定。

测温孔采用φ140×6mm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。

（5）水文孔布置

每井设计四个水文孔，分层报道（花管位置另行设计）。

主井：

160m/1个、450m/1个、600m/1个、753m/1个。

副井：

157m/1个、410m/1个、528m/1个、749m/1个。

风井：

160m/1个、450m/1个、600m/1个、753m/1个。

水文管规格：

φ140×6mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接。

（6）井筒最大需冷量

根据公式计算结果为：

主井：

13412.5kW（1153.5×104kcal/h），副井：

15755.3kW（1355×104kcal/h），风井：

14523.5kW（1249×104kcal/h）。

主、副、风井冻结设计主要参数见表3-2-8。

表3-2-8万福矿井主、副、风井井筒冻结设计主要参数

续表3-2-8万福矿井主、副、风井井筒冻结设计主要参数

三、打钻、冻结主要安全质量要求

1、冻结孔的质量要求

（1）钻孔垂直度：

0-300m≤2.5‰；300-600m，靶域半径0.7m；600m到新近系底板，靶域半径0.8m；基岩段靶域半径1.2m；防片孔向内≤0.5m。

冻结孔偏斜在任何位置不能出现大的拐点，偏斜要平缓。

（2）最大孔间距：

根据《矿山井巷工程施工验收规范》要求，外圈、中圈、内圈孔相邻两孔最大孔间距：

冲积层≤3.0m，防片孔按偏斜率及靶域半径控制。

中圈孔基岩段≤4.5m。

以上条件必须同时满足。

（3）钻孔测斜：

冻结孔、测温孔、水文孔钻进时，每隔20m测斜一次。

严格控制偏斜率不超规范要求，如一旦超过，应及时纠偏，终孔测斜成果应经冻结站技术人员严格校核，确认无误后，方可下冻结管，工程结束后提供钻孔测斜成果图。

（4）冻结管下放之前需经严格检查，丈量编号配组；采用合理的焊接方式，且应经过一定时间的冷却，由技术人员验收合格后方可下入。

（5）冻结管随下随注水，分段（3～5节即40～80m）动力试压试漏，试验压力应满足有关规范要求，终孔打压必须经技术人员验收。

（6）冻结管复核试压时，要由处一级组织技术人员进行现场抽查验收。

（7）水文孔：

设花管位置准确，搞好过滤层包扎，套管隔板焊好、不漏，防止串水，水文孔需冲洗干净。

（8）测温孔要布置在地下水流上方、最大孔间距处，四周兼顾，内外冻土扩展速度都能反映。

测点每20m一个，主要标志层均应设测点。

测温孔虽不打压试漏（千万不能注水），但应严格把好焊接质量关，不能渗漏。

2、冻结工程的质量要求

针对万福矿井部分粘土层含水量低；自由膨胀率、膨胀力大；冻胀量、冻胀力较大；冻结粘土蠕变性较强、蠕变破坏应变较小；地温高等特点采取以下针对性措施：

（1）在冻结孔施工过程中钻至下部厚粘土层时有意识提高泥浆泵压力使尽可能多的水分向粘土层中渗透，提高土层的含水量。

（2）自由膨胀率、膨胀力大的粘土层冻结，根据巨野矿区其它矿井经验，要防止土层膨胀、底鼓，有两种方法：

一是延长冻结时间把井筒冻实；二是采用短段掘砌，快速通过，通过后及时套筑内壁，施工中可把两种方法结合起来。

（3）对冻胀量、冻胀力大的粘土层：

上部由于冻结时间短，使井帮温度控制在冻土结冰温度或最大冻胀率温度点以上，短段掘砌后及时套壁；下部采用大流量、低温盐水、延长冻结时间，降低井帮温度至-18℃以下，将冻胀提前释放，避开-15℃左右时的最大冻胀量阶段。

（4）蠕变性较强、蠕变破坏应变较小的粘土层，采用短段掘砌、降低井帮温度等措施控制冻结壁蠕变变形在要求范围之内。

（5）地温高、热容量大：

采用大管径冻结管（159mm）、大流量、低温盐水、延长冻结时间来提高冻土发展速度，尽快达到所要求的冻结壁厚度和强度。

（6）提前做好各种预案，防止冻结管断裂。

（7）做好信息化施工和计算机模拟预测，为施工提供可靠的理论依据。

3、冻与掘密切配合的要求

（1）冻结应为掘进提供足够厚度和强度的冻结壁圆筒，抵抗外力，封堵动水、流砂，确保掘砌施工安全。

上部冻结壁进入荒径≤200mm，为正式开挖后的快速施工创造条件；冻结段下部应保证冻结壁平均温度达到设计要求，确保冻结壁强度，控制冻土蠕变，防止断管。

（2）掘进应根据冻结壁发展情况，适时调整掘、砌段高，开挖之初防片帮、塌帮；到深部，尤其在厚粘土层、钙质粘土层中施工时，应严格控制段高，冻结壁暴露时间≤24h，冻结管位移量<50mm，谨防来压断管或井壁破坏。

（3）加强冻结的温度监控、测试和冻土壁变形、位移观测。

若有异常现象应立即查明原因，研究采取应急措施。

（4）保护水文孔畅通无阻，不可人为堵塞。

4、冻结孔打钻、下管，冻结站安装、运转及防冻结管温度应力断管等都必须有专门的技术措施，并提前做好各种事故预案，确保工程的顺利实施。

5、冻结钻孔施工结束后，施工用的泥浆可暂时排放于矸石堆放场地（因工广填方，已挖土），其费用已计入冻结造孔费用中。

四、需要说明的问题

1、本设计所选的冻结深度是依据井筒检查孔资料暂定的，最终的冻结深度应在打第一个冻结钻孔时取芯验证后最终确定。

2、井架基础对冻结孔施工的要求：

本矿井三个井筒的冻结圈径都很大，由于主、副井均利用永久井架凿井，因此井架基础与冻结圈径将相互影响。

为避免冻土对井架基础产生不良影响，对井架基础附近的钻孔，打钻时上部应下套管护壁，以防塌孔波及基础下沉，且上部40m范围内应采用局部冻结方案。

3、由于本矿井冻结深度较大，部分冻结管将穿过的硐室。

因此，在冻结设计中，应根据井筒相关硐室的位置提前确定需充充填的冻结孔的数量和范围。

在冻结孔施工结束后，先用掺加缓凝剂的

水泥浆置换冻结孔内的泥浆（缓凝剂的掺量需根据实验确定），然后再下冻结管。

同时，在冻结工程结束后的适当时机，采用射管注浆的方案确保冻结孔的充填效果。

4、冻结管断裂处理措施：

在每个冻结器头部安装冻结管断裂和盐水漏失报警装置，对冻结管进行实时监测。

当发生冻结管断裂时，首先关闭本冻结管的盐水系统，防止过多盐水漏失，然后采用补孔或者下套管的补救措施，保证冻结壁的厚度和强度。

5、冻结管过硐室的处理方法：

冻结站停机后，当施工到井底及硐室附近时，先处理完装载硐室所穿过的冻结管，再进行装载硐室等巷道施工。

首先确定井下装载硐室所穿过的各冻结管；然后利用冻结管内部的供液管，在地面采用压风机将管内盐水压出冻结管口。

沿装载硐室顶部施工到装载硐室所穿过的每根冻结管位置，顺着装载硐室顶部割掉冻结管400mm，待流尽管内盐水后，用闷板焊死。

分别沿着这些冻结管闷板处向上部挖出一定距离，再沿冻结管壁外预埋注浆管，注浆管伸至井下进行工作面。

将挖出的空间底部铺设专业材料在冻结管底部，然后用不小于同地层施工所用混合材料填充挖出的空间待化冻后，用预埋注浆管注射化学浆液。

（注：

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