煤矿风井冻结施工组织设计.docx
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煤矿风井冻结施工组织设计
施工组织设计
前言
1编制原则
1.1以确保井筒掘砌施工安全为前提，以技术可靠、经济合理为原则进行冻结施工部署，制定施工方案、方法及技术措施；
1.2工程质量达优良标准；
1.3满足业主对总工期的要求；
1.4采用信息监测系统和信息反馈系统指导施工；
1.5采用新技术、新工艺、新设备组织工程施工。
2编制依据
2.1规范、规程及其他（见表1）
表1规范、规程及其他
序号
名称
编号
1
煤矿井巷工程质量检验评定标准
1995—07—01
2
矿山井巷工程施工及验收规范
GBJ213—Y90
3
煤炭工业建设工程质量技术资料管理规定
4
煤矿安全规程
5
煤炭工业企业设备管理规程
6
氨制冷系统安装工程施工及验收规范
7
工业金属管道工程施工及验收规范
8
现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范
9
压力管道安全管理与监察规定
10
质量管理体系——要求
GB/T19001—2000
11
环境管理体系——要求及使用规范
GB/T24001—2004
12
职业健康安全管理体系——规范
GB/T28001—2001
13
建井工程手册
14
中国煤矿建井技术
2.2招标资料（见表2）
表2招标资料
序号
资料名称
备注
1
孟村矿风井冻结法工程施工投标邀请
2
孟村矿风井冻结法工程施工招标文件
3质量、工期、安全、文明目标（见表3）
表3质量、工期、安全、文明目标
项目名称
目标
备注
质量
为顾客提供优质工程和一流服务，让顾客满意。
工程竣工一次验收合格率100%，矿建工程特殊施工技术保持国内领先水平。
陕西彬长矿业集团有限公司孟村矿风井冻结法工程施工的质量目标为：
优良。
工期
项目
风井
进场准备
造孔工期
沟槽施工工期
开挖前冻结
开挖至停冻
10天
123天
6天
53天
250天
开钻至开挖
182天
安全
杜绝死亡、重伤事故，轻伤事故低于1人/千万元，职业病发病率为零。
环境
执行GB/T24001—2004环境管理体系——要求及使用规范。
文明
按标准化要求施工，达到业主的文明施工标准。
第一章工程概况
1工程概况（见表1-1）
表1-1工程概况
工程名称
孟村矿井风井冻结法工程施工
承包内容
孟村矿风井筒冻结（含冻结钻）工程
隶属单位
陕西彬长矿区开发建设有限公司
设计单位
西安煤矿工业设计研究院
矿井概况
立井开拓，在中央区工业场地内布置风井
矿井生产能力
设计生产能力600万吨/年
工程地理位置
陕西省长武县境内
地形类别
本井田位于彬县与长武交界处泾河西岸阶地的马屋村北
工程地质
自上而下划分为三个层次
质量要求
符合《矿山井巷工程施工及验收规范》、《煤矿安全规程》
及国家现行相关质量标准和规范
2矿井设计概况（见表1-2）
表1-2矿井设计概况
风井概况
井筒设计直径7.5m，掘进荒直径9.6m，深度610m。
3井筒地质
3.1地质
依据钻孔揭露地层由老至新依次有：
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（K1l）、华池组（K1h）及第四、三系地层（Q+N）。
现由老至新分述如下：
1．侏罗系
①下侏罗统富县组（J1f）
岩性为紫杂色泥岩，泥岩呈团块状，质纯、致密、细腻、松软易破碎，具马蹄状断口，见滑面，与下伏地层假整合接触。
②中侏罗统延安组（J2y）
岩性以河沼相砂泥岩为主，底部为铝质泥岩、褐灰色泥岩、砂质泥岩及4煤；中部为灰色泥岩、砾岩；上部为中粗粒砂岩，成分以长石、石英为主，均匀层理。
与富县组假整合接触。
③中侏罗统直罗组（J2z）
以灰绿色，灰白色砂岩泥岩为主。
底部为灰绿色泥岩，团块状，质纯、致密、较细腻。
与下伏延安组假整合接触。
④中侏罗统安定组（J2a）
为棕红色、紫红色砂质泥岩，夹薄层紫灰色、灰绿色细～粗粒砂岩，底部为泥质粉砂岩，水平层理。
本组地层以干旱气侯平原洪积相沉积为主。
与中侏罗统直罗组假整合接触。
2、白垩系
①下白垩统宜君组（K1y）
岩性为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30～50mm，最大150mm以上，次棱角-次圆状，分选差，基底式或孔隙式胶结，致密坚硬。
与下侏罗统安定组假整合接触。
②下白垩统洛河组（K1l）
岩性为紫红色、棕红色细～粗粒长石石英砂岩，中夹2层中厚层状杂色粗砾岩层。
孔隙式胶结，致密坚硬，为河流相沉积。
③下白垩统华池组（K1h）
岩性为紫褐色、褐灰色泥岩，细腻致密，较均匀。
3、第四系及第三系（Q+N）
包括第四系中更新统离石黄土和上更新统马兰黄土。
马兰黄土以粉土为主，疏松、具大孔隙，垂直节理发育，透水性好。
离石黄土为亚粘土与古土壤互层，上部结构疏松，具孔隙，含不规则钙质结核；下部致密，孔隙少而小，夹多层钙质结核。
包括第三系红土及第四系下更新统午城黄土。
接近底部有近4m厚的卵石层，松散，粒径一般25～80mm.最大200mm，成份以石英岩、变质岩、灰岩为主。
3.2构造
彬长矿区位于鄂尔多斯盆地南部的彬县—黄陵坳褶带。
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。
本次施工的井筒位置位于庙-彬凹陷内,七里铺-西坡背斜的南翼。
倾角1～4º，岩层较为平缓。
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1.2～6米的小断层。
3号检查孔附近没有发现断层，属岩层平缓、简单构造类型。
4水文地质
4.1含水层划分（见表1-3）
表1-3含水层划分表
含水层名称
渗透系数
含水层厚度
水柱高度
K（m/d）
M（m）
H（m）
Q+N
0.06008
49.16
49.16
K1l
0.087425
328.00
354.09
J2y
0.010022
69.97
588.81
从井筒各含水层段涌水量结果来看，第四、三系含水层的富水性弱—中等，洛河组含水层富水性强，延安组含水层富水性较强—强。
因此建议在井筒施工过程中，应继续观测各含水层的坑口涌水量，如果较大时，根据需要可进行地表疏排水及预注浆工程或采用冻结法施工。
第四、三系含水层水质类型HCO3-Na型，矿化度846.53mg/L；洛河组含水层水质类型SO4•HCO3-Na型，矿化度1179.64mg/L；延安组含水层水质类型型SO4•Cl-Na型，矿化度3178.13mg/L。
4.2井筒涌水量（见表1-4）
表1-4井筒涌水量计算结果一览表
充水含水层
引用参数
Q+N含水层
K1l含水层
J2y含水层
渗透系数k（m/d）
0.06008
0.087425
0.01002
水柱高度Ｈ（m）
49.16
354.09
588.81
含水层厚度Ｍ（m）
49.16
328.00
69.97
水位降深Ｓ（m）
49.16
354.09
588.81
影响半径Ｒ（m）
168.97
1046.96
589.40
大井引用半径rＯ（m）
3.50
3.50
3.50
引用影响半径ＲＯ（m）
172.47
1050.46
592.90
涌水量Ｑ（m3/d）
269.49
6014.49
1094.48
总涌水量
m3/d
7378.46
m3/h
307.44
5工程特点
5.1地质特点
5.1.1岩层均为软岩，强度低，不稳定～弱稳定；
5.1.2岩层遇水易软化甚至溶解、强度亦会大幅度降低；
5.1.3自上而下岩层强度及稳定性呈上升趋势。
5.2水文地质特点
含水层数量较多，井筒涌水量较大。
5.3解决井筒施工问题的关键
封水——冻结封水是最佳选择。
第二章冻结方案设计
1设计原则
1.1方案安全可靠、工期科学合理，能确保本工程达到煤矿井巷工程优良质量标准。
1.2针对本工程的特殊性，做到技术可靠，经济合理，可控性好、可操作性强、关键点清晰、预防及应急措施齐全可靠。
2设计思路
2.1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。
结合相关施工经验及本工程的特点，冻结壁的设计采用解析计算与工程施工类比相结合的方法综合确定。
2.2冻结孔布置设计
以满足冻结壁设计的温度场要求和力学模型要求为原则，并结合工期、工艺要求布置冻结孔。
3冻结深度设计
设计井筒全深冻结。
结合冻结施工规范等要求，冻结深度比井筒深度深10m，进入泥岩。
从自然地坪算起风井冻深620m。
4设计内容
4.1冻结壁设计
4.1.1冻结壁厚度设计
冻结壁设计基本参数
风井筒设计净直径7.5m，最大掘进荒直径9.6m；
积极冻结期盐水温度：
ty=-28～-30℃；
设计控制层冻结壁平均温度：
-8℃
冻结壁厚度设计之地层条件优、劣（与表土层比）分析（见表2-1）。
表2-1地层条件优劣分析表
优势
劣势
A、一般情况下，岩层比表土易于冻结；
B、地层稳定性较好，井筒掘进时冻结壁变形量很小；
C、就一个掘进段高（空帮条件）而言，下端对冻土结构的约束力较大；
D、在一定范围内，含水量低的岩层不易于冻结，即冻土发展速度相对较慢，冻结后强度提高幅度较小。
但同时由于受水的影响小，其自身强度较高、接近于干燥抗压强度，既自稳性很好，可保证安全掘进。
反之，当岩层含水量较大时，其自身强度相对较低、稳定性相对较差，但同时冻土扩展速度快、冻结后强度提高幅度较大，亦可确保安全掘进；
E、地层的泊松比较小，即冻结壁受到的水平围岩压力较小，接近于同等深度时的静水压；
F、井筒深度较大。
冻结壁受到的围压随深度的增加而增大。
同时，冻结时间亦随着掘进深度的增加而增加，即冻结壁厚度与强度随掘进深度的增加而增加。
G、地温相对一般（底部36℃左右）。
A、岩层一般采用钻爆法施工，放炮作业对冻结壁和冻结器有一定的不利影响；
B、为保证掘进速度，掘进段高一般相对较大，对冻结壁而言，当其平均强度不变时其厚度与掘进段高成正比；
C、休息室、小壁座等施工对冻结壁有效厚度有一定的削弱。
4.1.2冻结壁厚度设计计算公式的选择
不同的设计理念会选择不同的计算公式，而不同的计算公式所计算出的结果相差较大。
合理的计算公式决定冻结壁厚度是否是安全和经济的有机统一。
我方在认真参照孟村地质及水文地质资料、摸清工程特点的基础上，并组织专家组论证后确定选用维亚洛夫——扎列茨基公式（有限长极限强度理论公式）计算冻结壁厚度。
维亚洛夫——扎列茨基公式：
4.1.3冻结壁设计控制层位的选择
近25m厚的煤层其饱和抗压强度和内摩擦角相对最小，同时靠近井筒底部，是井筒施工中的最薄弱环节。
因此，本方案确定将该煤层作为冻结壁设计控制层。
4.1.4冻结壁围压P的确定
根据岩土力学理论及国外冻结设计经验，冻结壁围压应由水和悬浮土压两部分组成。
岩层的平均天然容重＜2.5g/cm3，取其平均湿容重2.6g/cm3。
煤层底板深540m左右。
煤层内摩擦角36°，其侧压力系数=tg2（45°-36°/2）=0.21，
则：
P=1.0×5.4+（1.6×5.4）×0.21=7.21Mpa。
4.
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