冻结设计说明书.docx
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冻结设计说明书
山东省汶上县义能煤矿
主、副井井筒冻结工程施工组织设计
说
明
书
山东华新建工集团
二00五年二月
目录
前言------------------------------------------3
1．井筒特征及地质、水文地质概况--------------------------4
2．井筒冻结施工方案-------------------------------------5
3．冻结制冷参数设计-------------------------------------5
4．制冷系统施工设计------------------------------------9
5．盐水系统设计----------------------------------------10
6．清水系统施工设计------------------------------------12
7．供电系统设计----------------------------------------12
8．隔热层施工设计及井筒开挖条件------------------------12
9．工期排队及劳动组织----------------------------------13
10．冻结施工主要技术措施-------------------------------15
11．质量保证体系---------------------------------------16
12．环保要求-------------------------------------------17
13．主要施工设备---------------------------------------17
14．井筒冻结主要施工图---------------------------------17
前言
义能煤矿位于山东省汶上县东南部，北距汶上县城15km，南距济宁市25km。
矿井东西长约7.2km，南北宽约6.5km，面积32.1km2；煤层厚度较大，煤质好，储量丰富，具有良好的开发前景。
本区以南10km处日菏高速公路自东而西通过，以南25km处兖新铁路自东而西通过，以西10km有105国道，以东20km有104国道，区内乡级公路四通八达，交通十分便利。
井田采用立井（主、副井）开拓方式，井筒表土及基岩风化带均采用冻结法施工。
为了优质、快速、高效完成本工程的施工任务，特编制«山东省汶上县义能煤矿主、副井井筒冻结工程施工组织设计»。
1.井筒特征及地质、水文地质概况
1.1井筒特征
井筒主要技术特征见表1.1.1。
表1.1.1主、副井井筒主要技术特征表
序号
项目
单位
主井
副井
备注
1
井筒净直径
m
φ5.0
φ5.0
2
第四系地层厚度
m
229.9
229.8
以自然地坪+46.71m计算
3
基岩风氧化带深
m
252
247.8
4
冻结段井壁深度
m
276
276
5
井壁厚度
冻结段
mm
1000
1000
基岩段
mm
400
400
1.2地质及水文地质概况
1.2.1地质概况
根据《井筒检查孔地质报告》提供资料，义能煤矿井筒冻结段穿过的地层，自上而下为第四系（Q）及部分侏罗系地层。
第四系（Q）：
主、副井厚分别为229.9m和229.8m，平均229.85m；上部主要由土黄、褐黄、棕黄色的砂质粘土、含粒粗砂、中、细砂及少量粘土组成，砂层富水性较小，下部主要由棕褐、棕黄、浅灰色砂质粘土及绿灰、褐灰色中、细砂及粘土质砂组成；底部由浅灰绿、浅黄绿色粘土、砂质粘土组成，阻断了第四系与基岩的水力联系。
二叠系上石盒子组：
主、副井揭露厚度分别为432.6和433.2m,平均432.9m。
主要由灰~灰绿色中、细砂岩及灰色、灰绿色、灰紫色等杂质泥岩、粉砂岩组成，上部受风化，岩石黄褐色，与下覆地层呈整合接触。
1.2.2水文地质概况
根据《井筒检查孔地质报告》提供资料，井筒冻结段穿过的主要含水层为第四系地层的三个含水段及风化基岩含水层。
风化基岩含水层：
主、副井厚分别为22.1m和18.0m。
主要由泥岩、细砂岩、粉砂岩组成，裂隙发育，冲洗液消耗量为0～0.12m3/h，本层未进行抽水试验。
地下水流方向为东南，即磁方位150°左右，流速为0.58m/h。
2．井筒冻结施工方案
根据主、副井井壁结构图，结合附近井筒冻结经验，确定主、副井井筒均采用长、短腿差异冻结方案，短腿深度均过强风化带，均为252m；长腿深入稳定岩层10m以上，为283m，同时为了防止井筒初期开挖引起片帮，主、副井井筒均在主冻结孔内侧增加一圈辅助冻结孔，深度均为180m。
3．冻结制冷参数设计
3.1最大地压
井筒最大地压值按表土层最深部作为控制层位，埋深为H主=229.9m，
H副=229.8m。
最大地压值P=0.013H，经计算最大地压值为：
P主=2.99Mpa、
P副=2.99Mpa。
3.2冻土允许抗压强度
冻结壁平均温度取-8℃，冻土允许抗压强度为：
〔σ〕=5MPa
3.3冻结壁厚度计算
选用多姆克公式计算：
E=R｛0.29×P÷〔σ〕+2.3×（P÷〔σ〕）2｝
式中R为井筒掘进半径，R主=R副=3.55m，其余符号意义同前，经计算冻结壁厚度分别为E主=E副=3.54m。
3.4冻结孔布置圈径
1）主冻结孔布置圈径D=D1+1.1E+2a
式中D1——井筒掘进最大荒径，D1主=D1副=7.1m；
a——冻结孔允许向井中偏斜最大值，主、副井均取a=0.4m。
经计算主、副井井筒主冻结孔布置圈径为：
D主=D副=11.8m。
2）辅助冻结孔布置圈径Df=D1+2×（0.3×En+θHf）
式中En——主冻结孔距井帮的距离，En主=En副=2.35m；
Hf——辅助冻结孔深度，Hf=180m；其余符号意义同前，经计算两个井筒辅助冻结孔布置圈径分别为Df主=Df副=9.3m。
为有效防止井筒提前开挖引起片帮，辅助冻结孔布置圈径取值不宜过大，根据实际经验，主、副井井筒辅助冻结孔布置圈径均取Df主=Df副=9.1m。
3.5冻结孔布置个数
L-----主冻结孔开孔间距，预取L=1.15m。
经计算主、副井孔数n=32.2（个）,取n=32（个），实际开孔间距经计算为L=1.158m；
Lf-----辅助冻结孔开孔间距，预取Lf=2.8m。
经计算主、副井辅助冻结孔孔数nf=10.2（个）,取nf=10（个），实际开孔间距经计算为Ln=2.859m。
3.6测温孔深度与数量
根据钻孔柱状图以及验收规范要求，主、副井井筒内均设置3个测温孔。
主冻结孔内侧孔各1个，外侧孔各2个；深度：
内侧孔主、副井均为230m，外侧孔主、副井均为276m，均要求布置在较大孔间距的界面上。
主井热电偶测温点位置分别为：
14m、25m、40m、69m、92m、115m、149m、177m、204m、220m、264m、274m。
副井热电偶测温点位置分别为：
14m、24m、40m、60m、96m、120m、158m、186m、194m、215m、260m、275m。
3.7水文孔布置
主、副井均各设置2个水文孔，浅孔深度分别为112m、111m；深孔深度均为225m。
主井浅孔分别在24～27m、35～44m、66～82m、85～96m、107～110m五个部位设置花管；副井浅孔分别在20～27m、33～51m、72～98m、104～109m四个部位设置花管。
主井深孔分别在119～144m、153～168m、173～190m、199～223m四个部位设置花管；副井深孔分别在134～149m、166～190m、199～223m三个部位设置花管。
水文管结构详见水文管加工图。
3.8管材选择
主、副井主冻结管和辅助冻结管分别选用Φ127×6mm和Φ127×５mm低碳钢无缝钢管，净用量分别为17120m和3600m；测温管、水文管均选用Φ108×4.5mm低碳钢无缝钢管，净用量为2135m。
3.9积极冻结期估算
1）冻结孔偏斜率表土段≤2.5‰；基岩段≤4‰；表土段冻结孔向井
中偏值≤400mm。
第四系最大孔底距≤2.0m，基岩最大孔底距≤4.0m。
冻结壁交圈半径R土=1.0m，冻结壁达到设计厚度时冻土扩展半径r
r=√（E/2）2+R2
式中符号意义同前，经计算冻土扩展半径为r主=r副=2.08m。
冻土平均扩展速度砂层取V=0.024m/天、粘土取V=0.018m/天
预计主、副井筒冻结壁交圈时间均为42天，达到试挖条件的冻结时间均为50天，冻结壁达到设计厚度的冻结时间：
主、副井均为87天。
主、副井冻结主要技术参数详见下表3-1。
表3-1主、副井井筒冻结主要技术参数表
序号
参数名称
单位
主井
副井
备 注
1
井筒净直径
m
φ5.0
φ5.0
2
井壁最大厚度
m
1.0
1.0
3
井筒最大荒径
m
φ7.１
φ7.１
4
第四系表土层深度
m
229.9
229.8
5
盐水温度
℃
-28~-30
-28~-30
6
砂层冻结壁平均温度
℃
-8
-8
7
冻结深度（浅/深）
m
252/283
252/283
8
需要冻结壁厚度
m
3.54
3.54
9
主冻结孔
布置圈直径
m
Φ11.8
Φ11.8
10
孔数
个
16/16
16/16
11
开孔间距
m
1.158
1.158
12
冻结管规格
mm
Φ127×6
Φ127×6
13
辅助冻结孔
深度
m
180
180
14
布置圈直径
m
Φ9.1
Φ9.1
15
孔数
个
10
10
16
开孔间距
m
2.859
2.859
17
冻结管规格
mm
Φ127×5
Φ127×5
18
测温孔
孔数
个
1/2
1/2
19
深度
m
230/276
230/276
20
规格
m
Φ108×4.5
Φ108×4.5
21
水文孔
孔数
个
1/1
1/1
22
深度
m
112/229
111/229
23
规格（外管/内管）
m
Φ108×4.5
Φ108×4.5
24
冻结需冷量
万kcal/h
106.1
106.1
25
冷冻站需冷量
万kcal/h
229.2
26
冷冻站装机标准制冷量
万kcal/h
600
注：
深度以自然地坪标高为+0计算。
4.制冷系统施工设计
经方案优化，选用YS18LG20CF2B型二次进气式螺杆冷冻机组制冷冻结，主、副井共用一个冷冻站，盐水系统能相互调节。
4.1冻结管散热能力QT
QT=πdHnK
d――冻结管外径；
H――冻结深度；
n――冻结管个数；
K――冻结管散热系数，表土段K土=250kcal/hm2，基岩段
K岩=350kcal/hm2
经计算冻结管散热能力为：
Q主=Q副=106.1万kcal/h
4.2冷冻站需要制冷能力Q2
根据合同工期，副井滞后主井30天开机冻结，则冷冻站最大制冷能力需按主井维护冻结，副井积极冻结，同时装有一定备用系数。
Q站==1.2×（0.8Q主+Q副）=229.2万kcal/h
4.3制冷设计参数选用
制冷系统选用二次进气螺杆冷冻机组
盐水去路温度：
积极冻结期：
-28℃；
掘砌至控制层位（180m以下）时：
-30℃
制冷剂蒸发温度-35℃
冷却水进水温度+25℃
制冷剂冷凝温度+34℃
4.4冷冻站实际制冷能力
根据以上制冷参数，查螺杆冷冻机组的工作性能曲线，计算出需安装YS18LG20CF2B型螺杆冷冻机组共12组，实际制冷能力为238万kcal/h。
满足主、副井冻结需要。
4.5制冷剂、冷冻机油用量计算
（1）制冷剂用量
冷冻机的制冷剂首次充加用量约4T,加上后期的消耗补充，计算出需要氟里昂6T。
（2）冷冻机油用量
冷冻机油选用46#，首次加油量3吨，预计需用量5吨。
5．盐水系统设计
5.1盐水主要技术参数选用
盐水选CaCL2水容液；去路最低温度tr=-30℃
盐水比重r=1270kg/m3；波美度为30.8°Be
5.2盐水总循环量Wbr
QCO
Wbr=------------
r.Cbr.△t
式中：
QCO----冷冻站制冷能力，QCO主=QCO副=119万kal/h。
Cbr----盐水比热Cbr=0.655kal/kg℃
△t----去回路盐水温差，△t=3.5℃
经计算主、副井最大盐水流量分别为Wbr主=Wbr副=408m3/h。
5.3盐水管路直径计算
（1）供液管直径
dg=√Wbr/2830ω´brn´
式中ωˊbr-----供液管内盐水流速，ωˊbr=1.5m/s
nˊ-----供液管数量，nˊ主=nˊ副==32+10个，
经计算dg主=dg副=0.048m
主、副井的主冻结孔供液管均选用外径Φ76mm，壁厚为6mm的聚乙烯塑料软管，正循环供液；三个井筒的辅助冻结孔供液管均选用外径Φ60mm，壁厚为5mm的聚乙烯塑料软管，正循环供液。
（2）集配液管干管内直径dm=√Wbr/2830ω〃
ω〃----干管集配液圈内盐水流速，ω〃=2.5m/S
经计算：
dm主=dm副=0.24m；
主、副井干管及集配液圈均选用Φ273×8mm无缝钢管。
（3）冻结管环形空间盐水流速
Wbr
ωbr主=ωbr副=---------------=0.33m/s。
2830（d´t2-dt2）nt
5.4盐水泵选型
经计算主、副井盐水泵扬程均需大于48.4m，水泵电机大于111.6kw；每井均选用2台10Sh-6型双吸泵作盐水泵，一台运转，一台备用。
该泵单台流量为486m3/h，扬程为65.1m，配用电机135kw。
5.5氯化钙用量计算
（1）盐水溶液体积V=V1+V2+V3
V1-----冻结管内盐水体积，V1主=V1副=99m3
V2-----盐水干管及集配液管内体积，V2主=V2副25m3
V3-----盐水箱内盐水体积，V3主=V3副=13.2m3，
经计算V主=V副=137.2m3
固体氯化钙用量G
G=1.2aV/ρ
a-----每立方盐水溶液中固体氯化钙含量a=360.7kg/m3
ρ-----无水氯化钙纯度ρ=96%
经计算G主≈G副≈62吨，补充氯化钙需16吨，共需无水氯化钙140吨。
6.清水系统施工设计
（1）冷却水用量计算
螺杆冷冻机组每台需冷却水流量分别为120ｍ3/h，根据积极冻结高峰运转台数，冷冻机冷却用水量W2=1440ｍ3/h。
（2）清水泵选用
清水泵选用10sh-19型4台，主、副井同时冻结运转3台，另一台备用，满足冷却水量要求，循环水总管选用Ф375×8mm钢管。
该泵单台流量为486m3/h，扬程为14m，配用电机30kw。
另外安装四台BL-300型玻璃钢冷却塔，用来降低冷却水温度。
新鲜冷却水用量50m3/h，取自矿方提供的水源。
水源井布置在地下水上游，抽水影响半径以外。
使用1台流量50m3/h的深井潜水泵，扬程32m，功率22w。
7．供电系统设计
本工程施工期间在工广内建冻结站变电所，所内安装HXG（F）高压开关柜5台，S9-1600/6/0.4型电力变压器两台（并列运行）,S9-560/6/0.4型电力变压器一台；BSL-1型低压开关柜12台，PGL-01型低压电容自动补偿器2台。
自建设单位6KV变电所敷设两路YJV-3×70/6KV电缆做为主电源进线（两路并联运行，当一路出现故障另一路能作为备用电源使用）。
工程总装机容量为3499KVA，运行容量为3499KVA，同时运行最大负荷为3389.6KW。
详见供电系统图。
8．隔热层施工设计及井筒开挖条件
8.1隔热层施工设计
制冷系统隔热效果好坏将直接影响井筒冻结效果，本设计选聚苯乙烯泡沫塑料为主材作低温设备及管路的隔热层。
盐水箱四周均选用厚为σ50mm的泡沫塑料板，总用量为120m2，盐水箱顶面需用σ30mm板材30m2、油毛毡30m2覆盖保温。
盐水箱底用200×200mm方木作垫梁，垫梁中间充填泡沫塑料板。
盐水干管集配液管及低温氨管路用厚为50mm的泡沫塑料管材，内外裹两层塑料薄膜，Φ273×373×50需550m，Φ219×319×50需10m，Φ159×259×50需120m，低温阀门等不能用泡沫塑料制品保温的地方采用优质棉絮（6斤/条）共需300条，塑料薄膜总计150Kg。
8.2井筒开挖条件
水文孔内水位已有规律上升并冒出管口7～10天。
经测温资料温度场分析，确定冻结壁已交圈，含水层处冻结壁强度足以抵抗该处的地压，冷冻站各系统运转正常。
凿井施工各系统形成并运转正常，材料供应等准备就绪。
满足上述条件时，井筒就可以试挖。
9．工期排队及劳动组织
9.1工期排队
根据施工合同对施工工期的要求和本工程特点，主、副井自钻机拆除进行沟槽施工至具备开机运转条件、时间均为10天；冷冻开机到具备试挖条件时间均为50天；。
试挖后积极冻结期均为45天；加强冻结期均为30天；维护冻结期均为45天。
冻结运转工期详见表9.1。
9.2劳动组织
现场成立“义能冻结工程项目部”，以项目管理法管理冻结工程施工。
冻结施工人员为专业技术工种，施工按“三、八”制作业，出勤总人数为53人。
具体人员分工详见表9.2.1。
表9.1主、副井井筒冻结施工工期排队表
序号
工程名称及
施工内容
工期
天
工期排队（天）
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
1
主
井
准备、钻孔施工
60
2
沟槽施工
10
3
开机冻结至开挖
50
4
试挖后积极冻结
45
5
强化冻结
30
6
维护冻结
45
7
副
井
准备、钻孔施工
60
8
沟槽施工
10
9
开机冻结至试挖
50
10
试挖后积极冻结
45
11
强化冻结
30
12
维护冻结
45
13
冷冻站施工
60
14
配电系统施工
45
说明:
1、主井施工总工期240天，其中打钻工期60天，冷冻站运转工期为170天。
2、副井施工总工期240天，其中打钻工期60天，冷冻站运转工期为170天。
3、冷冻站及变电所安装与打钻工程同时施工，不占用冻结工期。
4、副井滞后主井一个月开工，冷冻站总运转工期200天。
表9.2.1冻结劳动组织表
序号
冻结运转
备注
工种名称
出勤人数
1
冷冻机工
6×3
2
班长
3
3
清盐水泵工
6
4
配电值班维修
6
5
机修电焊工
8
冻结运转后，电焊工转为机修工
6
技术员
2
7
材料员、后勤
5
8
项目部
5
合计
53
10．冻结施工主要技术措施
10.1冷冻站安装
按设计要求落实好设备，并对所有设备进行检修，保证设备的完好。
基础的砼强度为C20，施工时采用P.O.32.5R普通硅酸盐水泥，20～40mm的碎石，中砂浇灌，砼配合比为水：
水泥：
砂：
石子=1：
1.6：
3.6，水灰比为0.76，浇灌时要分层振捣，并洒水养护，7天后方能设备就位。
安装前要对所使用的管材进行清除杂质、铁锈等工作，所用阀门必须检修保养。
所有管路的安装禁止强力拉紧和硬扭对中。
使用泡沫塑料板做隔热保温层，隔热层必须接头严密，捆扎牢靠，以不见明显结霜为合格。
10.2冷冻站安全运转规程
（1）操作工人应经培训，合格后持证上岗。
（2）必须建立多项规章制度，严禁“三违”的发生。
（3）冷冻机运转期间，操作人员必须坚守岗位，不得兼管其它工作，以免发生事故。
（4）施工时应做到安全生产、文明施工。
10.3水源井运转
距主、副井井筒500m以内的所有水源井在开机前必须停止使用，防止抽水影响冻结，确保冻结成功。
11.质量保证体系
工程施工实行项目管理制，严格按项目管理法成立项目部。
建立起以项目部经理为首的质量保证体系机构，做到分工明确，责任到人，分别对材料供应控制、设备管理控制、施工过程控制及冻结检测等方面进行质量控制，确保井筒安全通过冻结段。
详见表11.1：
质量保证体系表
11.1材料供应控制
（1）采购员做到详细了解所购材料的生产厂家的生产能力、产品质
量控制情况、现场管理状况等，并记录在册。
（2）材料购买要在申请计划中写清产品名称、类别、型号、规格、性能要求、质量保证要求、供货单位、数量和交货日期等。
（3）所有材料的合格证、质保书、验收合格等质量证明文件齐全，并应包装完整、外观完好，否则不得进场。
（4）材料购买后要经材料组验收合格后方可使用。
11.2设备管理
（1）所有施工设备均建立设备台帐、卡片、技术档案及大型主要施工设备的履历。
（2）建立设备的使用与维护相结合的原则，设备谁使用谁维护，并实行负责制。
（3）主要设备（冷冻机、水泵、变电所等）要建有运行记录和交接班记录。
11.3施工过程控制
（1）冷冻站安装应在施工之前由施工队编写施工技术安全措施，并报上级主管部门审批。
（2）焊缝应100%的进行外观和有效尺寸的检查。
（3）安装完毕后应组织有关人员进行验收，验收合格后方能试运转。
11.4冻结检测
冻结检测是检查井筒冻结质量好坏的最有效手段，是质量保证体系中重要的一环。
冻结检测在全施工过程中是经常、反复，甚至是每天要做的事情。
设计有以下内容：
——冻结孔偏斜检测，采用灯光经-纬仪、陀螺测斜仪。
——冻结孔检漏耐压检测、动压试验2.5Mpa。
——冻土温度检测，采用热电耦方法。
——水文孔水位检测，采用皮尺检测。
——冷却水用量检测，采用供水管上安装的流量计直接读数，经常检测。
——制冷站各系统温度、压力、电流检测，由温度计、压力表
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