张集矿副井冻结施工方案审后改 精品推荐.docx
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张集矿副井冻结施工方案审后改精品推荐
单县丰源实业有限公司
张集矿副井井筒冻结工程
施工组织设计
天地科技股份有限公司
2009年1月
附表1副井冻结设计技术参数汇总表
附表2副井地层分布表
附图1副井冻结孔平面布置图
附图2副井灰土盘施工图
附图3副井冻结站位置图
附图4副井冻结环形沟槽图
附图5副井冻结设备布置图
附图6副井冻结站供电系统图
1工程概况
1.1井田简述
张集井田位于单县煤田东部，行政区划属张集镇管辖。
单县地处苏鲁豫皖四省结合部，国道、省道纵横交错，井田西距105国道20公里，菏泽通往江苏丰县的S349在井田南侧通过，井田中心距单县县城22km，距京九铁路曹县站约70km，西北距京九铁路菏泽站约80km，交通条件良好（见交通位置图）。
本区位于黄河下游冲积平原，地势平坦，地面标高一般为+38～+40m。
区内无大的河流，一条主要小河为惠河，自井田西南部向东北部流经本井田注入东鱼河。
表1-1张集矿副井井筒设计参数表
序号
名称
单位
副井
1
井口设计标高
m
+41.200
2
井口自然地坪
m
+39.396
3
井底标高
m
-630.000
4
井筒深度
m
671.2
5
冻结深度（从自然地坪）
m
615
6
井筒直径（净）
m
Ф6.5
7
开挖荒径
㎜
Ф8500～Ф10500
本区属暖温带大陆性季风气候，阳光充足，降水集中，四季分明。
冬季寒冷，夏季炎热多雨。
年平均气温13.9℃，1月份平均温度-0.9℃，7月份平均温度27.1℃，极端高温41.8℃，极端低温-20.6℃，全年无霜期平均213天。
年降水量平均为739.9mm，但降水集中，分配不均。
6—8月平均降水量449.2mm，12月至翌年2月平均降水量37.3mm，春、秋降水量一般为120～130mm，分别占全年降水量的61%、5%和34%。
1.2井田开拓方式
井田的开拓方式为立井＋暗斜井开拓。
中央并列式通风。
初期开凿主井、副井两个井筒，主井井筒净直径5.5m，副井井筒净直径6.5m。
矿井设计生产能力为1.20Mt/a，服务年限：
51.2a。
井筒设计参数见下表。
1.3地质条件
1.3.1地质构造
标书提供的地质勘察孔未发现明显断层破碎现象，与三维地震勘探成果相符合。
1.3.2水文地质条件
单县煤田位于鲁西南断陷区水文地质单元的西部，单元边界北起郓城断层和长沟断层，南至凫山断层，西起嘉祥断层，东至峄山断层。
边界断层中，嘉样断层和凫山断层与奥陶系、寒武系石灰岩接触，构成侧向补给边界，郓城断层和峄山断层封闭良好，构成隔水边界。
区域构造对岩溶水起着明显的控制作用，控制了含水构造的形成和水文地质单元的划分。
区域内各井田开采煤层为2、3煤层及16、17煤层，3煤层顶板砂岩裂隙含水层（段）是开采2、3煤层主要直接充水含水层，三灰岩溶裂隙含水层是主要间接充水含水层；十下灰和十一灰是l6、17煤层开采时的直接充水含水层。
故矿井开采上组煤时，属于以砂岩裂隙充水为主的水文地质条件简单的矿井；开采下组煤时，属于以岩溶充水为主的水文地质条件中等～复杂的矿井。
本井田位于黄河下游冲积平原，地势平坦，地面标高一般为38～40m左右，地面标高差约3m。
井田内无大的河流，一条主要小河为惠河，自西南部向东北部流经本井田，小的沟渠较多，水量受大气降水控制，雨季水位较高，秋冬旱季水位较低，甚至干涸，一般起排涝和灌溉作用。
地表水对煤矿开采无影响。
井检孔所揭露的主要含水层有新生界松散含水层、古近系砾岩含水层、基岩风化带裂隙含水层、3煤层顶底板砂岩裂隙含水层、太原组石灰岩（三）岩溶裂隙含水层等。
下面主要介绍地层上部含水情况：
新生界松散含水层：
第四系+新近系厚449.00～457.00m，由粘土、砂质粘土与粉砂、细砂及少量中砂相间沉积而成。
含砂层（细砂和中砂）2～9层，累厚17.10～34.15m，砂类地层约占地层总厚的4～8%。
主检孔在该层位做了流速、流向测井，其中260m处流速为1.166m/h，280m处1.231m/h，流向均为西北向（磁方位角315°）。
古近系砾岩含水层：
砾岩以灰色为主夹灰紫色，砂砾状结构，以石灰岩为主，次为石英岩及少量砂岩、燧石等组成，砂泥质胶结，分选性较差，磨圆度中等，砾径2～40mm。
间夹薄层状粉砂岩、细粒砂岩，透水性较差。
主检孔抽取了基岩混合水，并进行了流量测井，测得该含水层静止水位标高19.174m，涌水量0.09999L/s，渗透系数0.004415m/d。
根据补充勘探的第三系砾岩抽水试验资料，ZK10-1号孔对第三系底砾岩进行了抽水试验，其静止水位标高为-38.61m，单位涌水量0.00049L/s.m，渗透系数为0.00359m/d。
抽水试验结束后含水层水位很难达到原静止水位，说明抽水试验已消耗了含水层的静储量，含水层补给条件较差，富水性弱。
基岩风化带裂隙含水层：
基岩风化带自山西组顶界开始，厚40～50m。
主要由灰黄、绿灰色粉砂岩、细、中粒砂岩和砂质泥岩组成，裂隙发育裂面铁质浸染。
该含水层与3煤顶底板砂岩有重合。
副检孔基岩风化带抽水试验中，抽水3小时即被抽干，说明该含水层富水性弱。
1.4现场施工条件
供电：
工广内有南北向布设的10KV农用架空线一路，该线出自张集35/10KV变电站，该线可提供3000KW负荷，可满足主、副井打钻需要。
冻结站运转后，有10KV电源，临时“T”接线路可提供14000KW负荷，满足副井冻结10KV接线需要。
供水：
工业广场内已有施工用水源井。
打钻期间，生产用水可取自工业广场内农用水井，但冻结期间由于水源井距井口太近，需要另找水源。
2井筒冻结设计
2.1冻结方案设计要点
2.1.1施工特点
根据招标文件提供的主、副井井筒地质报告和所能提供的冻结施工条件，本工程施工有以下特点：
1）根据井筒检查孔该地层地下水流速不大、地温正常，属于常规地层。
但表土层较厚达450m以上，表土主要为砂层和粘土，分别占总厚度的12.7%和85.7%。
在掘进第一个月中会遇到二个厚度分别为11.2m和6.15m的粉砂层，在开挖时要做好防片帮的准备。
表2-1副井冻结段岩层分类表
岩层名称
冻结段岩层
累厚（m）
比例（%）
无芯
6.95
1.16
各种砂层
57.20
9.53
各种土层
385.54
64.25
风化岩
强风化带
29.75
4.96
弱风化带
21.17
3.53
岩石
114.39
16.56
合计
615
100
2）井筒穿过冲积层较厚，需要的冻结壁厚度较大，冻结孔应距井帮较远，同时由于地层浅部有砂层又要求冻结孔距井帮近。
3）由于表土层厚，对冻结造孔精度要求高，冻结壁厚度较大，有少部分孔（大概6个左右）与井架基础冲突，施工中应采取相应的技术措施，在保证冻结质量的前提下不影响井架施工。
4）为了缩短冻结施工工期，确保冻结施工安全，并给掘进创造良好开挖条件，要求冻结钻孔精度高、偏斜小。
2.1.2主要对策
针对以上工程特点，结合我公司的冻结施工经验和科研成果，本设计采取冻结孔三圈孔布置、大流量低温盐水循环、快速冻结方案和监控信息化施工技术并拟用可视化模拟进行施工，其要点如下：
工期方面
由于井筒浅部有二层较厚的砂层为保证按业主要求工期开挖，防片帮孔采用插花布置，既起到浅部防片帮的作用、又可降低深部粘土层冻结壁的平均温度。
这样设计冻结孔可以有效的提高冻结壁交圈速度和保证一定的冻结壁强度。
在满足快速交圈的条件下，还能保证整个冻结段的施工安全。
同时，本方案采取低温大流量的盐水方案也进一步加强了快速冻结设计思想，为施工成功做了最充分的准备。
即：
（1）三圈插花布置冻结孔：
在有效缩短冻结壁交圈时间的同时可以保证冻结壁的厚度，使快速施工与工程安全完美结合。
（2）低温盐水：
由于冻土的强度与冻土温度成正相关关系，盐水温度的高低直接影响冻土的强度，所以在保证冻结壁度的同时，设计掘到掘控制制层时冻结盐水温度取-32℃，以保证冻结壁足够的强度。
（3）平均单孔盐水流量取14m3/h，在防片孔达到设计要求后可将流量分至辅助孔加强下部粘土层的冻结壁强度，这样可进一步加快冻结速度。
（4）由于此地层造孔精度是个关键，因此在冻结钻孔施工时，安装钻进能力大的钻机（TBJ-2000），以提高造孔质量和缩短冻结孔施工工期。
安全方面
除了采取常规的安全技术措施和建立、实施完善的安保体系，在本工程中拟安装我公司自行开发的一线总线可视监测、监控系统（见图2-1），可实时监测冻结制冷系统运转参数、盐水流量、盐水温度和测温孔温度，发现不利工况可及时报警、调控，并可实现冻结系统运转和冻结壁形成的可视化和监测数据的远程通讯，便于有关方面及时、准确、直观地获取工程施工信息，以加强监督管理。
此外，在冻结壁交圈过程中,对水文孔水位、水温、冒水量变化进行全面监测，在开挖过程中，对冻结壁井帮温度和井帮位移进行监测,并采用信息化施工技术，通过对监测数据的分析、反馈，指导施工。
从而，提高施工的安全性和可靠性。
在施工过程中，采用我公司自行研究的可视化模拟程序对井筒的冻结过程和掘砌过程进行模拟，直观、有效的将地下施工情况展示出来（见图2-2）。
图2-1冻结监测系统界面示意图
图2-2可视化模拟程序图
质量方面
通过严格贯彻执行ISO9001质量体系标准，采取前述加快冻结的技术措施和对冻结施工过程的全面监测和控制，有利于确保本工程的施工质量满足国家规范和设计的要求。
此外，将重点在以下几个方面采取措施以进一步提高施工质量：
1）采用本公司提出的冻结孔靶域钻进指标体系，运用先进的冻结孔测斜、纠偏技术，严格控制冻结孔偏斜，尤其是控制钻孔向井心的偏斜和最大成孔间距，以保证冻结壁的形成质量。
2）运用动态冻结设计方法，通过合理设计和在施工过程中调整冻结施工参数，使冻结壁形成与掘进施工相协调，在确保施工安全的前提下为快速掘进创造条件。
3）确保防片孔不得向井心方向偏斜，在冻结基岩段进行放炮作业时,炮眼与冻结管的距离满足规范要求。
4）安装盐水箱水位监测报警装置，发现盐水漏失等不正常情况，及时报警并处理。
2.2主要冻结施工参数与冻结壁设计
2.2.1冻结设计基础参数与设计计算方法
1）冻结方式
采用三圈孔，防片孔采用插花布置冻结孔的冻结方式，外圈冻结孔分为长短腿。
2）冻结深度
根据业主意见：
冻结深度由595m改为615m（见表2-2）。
冻结孔施工时，第一个孔在副井检查孔对面钻进，并测井验证，如地质情况有变，应会同业主、监理共同商定施工方案。
表2-2副井冻结深度表
名称
冻结孔深m
防片孔
132/447
中圈孔
454
外圈孔（长孔/短孔）
615／454
3）冻结管
冻结管主要采用159×6mm、159×7mm的优质20号低碳钢无缝钢管，浅防片帮孔采用127×5mm的优质20号低碳钢无缝钢管。
4）盐水温度和盐水流量
按快速强化冻结要求，并考虑合理提高冻结效率，逐级降低盐水温度。
设计要求冻结15d盐水温度降到-20℃以下，开挖时达到-30℃。
开始套内壁后转入维护冻结，盐水温度控制在-20℃～-22℃之间。
冻结孔的单孔盐水流量14m3/h。
5）设计冻结壁平均温度、井帮温度
设计冻结壁平均温度取-16℃,设计井帮温度不高于-7℃。
6）地压计算方法
按重液公式计算控制层处地压值，并取冲积层底板深度为地压计算深度。
7）冻土强度与安全系数取值
冻土的单轴极限抗压强度按《建井工程手册》冻结粉砂，冻土温度（冻结壁平均温度）取-16℃。
安全系数取2.2,冻土计算强度为5.53MPa。
8）冻结壁厚度设计计算方法
砂层采用多姆克公式计算冻结壁厚度，粘土层采用扎-维有限段高公式计算。
多姆克公式：
扎-维有限段高公式：
式中E——计算的冻结壁厚度，m；
R——井筒掘进半径，m；
P——计算水平的地压，MPa；
σ——冻土计算强度，MPa。
h——掘进段高
η——工作面系数
9）冻结壁扩展速度预计
根据实测规律和经验，冻结80天时冻结壁可扩展到井帮，冻结壁73天交圈，80天试挖。
掘至底部控制层时冻结时间212天，冻结壁厚度可达8.95m以上，满足设计要求。
10）冻结壁平均温度计算方法：
根据实测规律和经验，冻结壁平均温度在掘进到控制层时可达成-16℃，冻结壁厚度可达8.95m。
有限元计算的温度场见图2-3和图2-4：
图2-3冻结80天时冻结壁温度场云图
图2-4冻结215天时冻结壁温度场云图
11）冻结孔偏斜与孔间距
冻结孔偏斜率不大于0.25%。
冻结孔向井心偏斜浅防片孔为0mm、深防片孔为100mm；其它冻结孔向内偏不得大600mm（深度大于320m）。
在冲积层成孔最大孔间距不大于２.5m，在基岩段不大于4.5m。
12）掘砌工期和维护冻结期
按照标书前四个月外壁速度为120m／Ｍ的速度，四个月以后为８0m／Ｍ。
井筒从开挖到停冻预计工期为235天。
13）冻结管散热系数
冻结管散热系数取250Kcal/m2·h。
14）钻机效率
由于本地区底部有部分砾岩，因此取冻结孔平均钻进效率取3000m/（台·M），布置6台钻机。
2.2.2冻结壁厚度设计
控制层冻结壁厚度计算见表2-3，表中给出了冻结壁厚度计算结果。
据计算结果，确定冻结壁设计厚度为8.5m。
表2-3控制层冻结壁厚度计算表
地层
掘进半径
m
计算深度
m
地压
MPa
冻土计算强度
MPa
冻结壁厚度，m
计算值
确定值
砂层
4.25
280.52
3.65
11.6
6.82
8.5
土层
5.25
449.69
5.85
4.39
7.41
2.2.3冻结孔布置与冻结壁形成预计
2.2.3.1冻结孔布置
冻结孔按以下方式布置。
冻结孔布置外圈圈径23.50m
冻结孔个数（长孔/短孔）29/29个
冻结孔开孔间距1.272m
冻结孔深度615m/454m
冻结孔布置中圈圈径17.50m
冻结孔个数33个
冻结孔开孔间距1.663m
冻结孔深度454m
防片帮冻结孔圈径13.9/10.90m
冻结孔个数（长孔/短孔）16/16个
冻结孔开孔间距2.711/2.126m
冻结孔深度447m/132m
2.2.3.2冻结壁形成预计
按前述冻结壁扩展速度预计和最大冻结孔成孔间距，预计副井冻结壁交圈时间为73d，积极冻结80d可以试挖。
根据积极冻结时间和井筒掘砌速度，预计试挖时冻土刚到井帮附近，掘进到控制层深度时，冻结壁形成状况详见表2-4，表明冻结壁平均温度、井帮温度均满足设计要求。
表2-4冻结壁形成状况预计表
掘进
深度
预计冻
结时间
掘进
直径
冻结壁
有效厚度
井帮温度
冻结壁
平均温度
449.66m
212d
10.5m
8.5m
-7℃
-16.0℃
2.2.4测温孔与水文孔
副井井筒设4个测温孔，在冻结孔布置圈内布置3个，外侧布置1个。
测温管选用127×5mm无缝钢管。
详见副井冻结孔布置平面图。
副井设2个水文孔，深度为131m和280m，主要报道层位为含水中砂层。
水文管用127×5mm无缝钢管加工。
测温孔和水文孔布置见附图，测温孔和水文孔深度见表2-5。
表2-5测温孔和水文孔个数和深度
测温孔
水文孔
内侧
外侧
615m/459m/137m
454m
131m/280m
2.3制冷系统设计
2.3.1冻结站设置
副井设一个冻结站。
2.3.2冻结需冷量计算
由于采用加大冻结管盐水流量等技术措施，使冻结期内冻结管散热能力大大提高，所以本设计冻结管散热系数取为：
250大卡/m2·h，另外，考虑20%的热量损失。
副井冻结最大需冷量为：
Q副=1.2×3.1416×250×（0.159×52555+0.127×2112）=819.2万大卡/h
2.3.3冻结站装机容量与冷冻机选型
按标书要求增加20%设备容量，装备48台JZLG20氨螺杆压缩机组，其中41台使用，7台备用。
在低温工况下（冷却水温度30℃/盐水温度-32℃），每套机组的实际制冷能力为72.3万大卡/h。
配套选用LZL-180型立式蒸发器24台，ZFLA-1500及PMC-360E蒸发式冷凝器共15台。
2.3.4冷却水系统设计
按照冷冻机组产品说明书，副井共需新水补给量约为60m3/h，具体用量根据施工季节确定。
2.3.5盐水系统设计
冻结孔用正循环，盐水比重取1.26。
盐水循环量计算见表2-6。
盐水管路设计见表2-7。
盐水泵计算选型见表2-8。
表2-6盐水循环量计算表
孔别
单孔循环量m3/h
合计m3/h
外圈冻结孔
14
812
中圈冻结孔
14
462
防片孔
14
448
表2-7盐水系统管路设计计算表
管路名称
单位
参数
冻结管
计算内径
mm
≥122
设计规格
mm
φ127×5、φ159×6、φ159×7
供液管
计算内径
mm
57
设计规格
mm
φ75×6
外圈孔盐水
干管
计算内径
mm
≥382
设计规格
mm
φ426×10
其它孔盐水
干管
计算内径
mm
≥372
设计规格
mm
φ426×10
表2-8盐水循环泵计算、选型表
项目
单位
参数
外
圈
孔
盐
水
循
环
泵
盐水循环量
m3
812
干管压头损失
m
1.92
供液管压头损失
m
19.33
冻结管压头损失
m
5.79
盐水泵计算扬程
m
54.16
盐水泵选型
14SH-13A
盐水泵扬程
m
58
盐水泵流量
m3
1260
盐水泵电机功率
KW
220
其
它
孔
盐
水
循
环
泵
盐水循环量
m3
910
干管压头损失
m
1．92
供液管压头损失
m
14.75
冻结管压头损失
m
2.81
盐水泵计算扬程
m
40.23
盐水泵选型
12SH-9
盐水泵扬程
m
42
盐水泵流量
m3
1260
盐水泵电机功率
KW
220
2.4冻结施工
2.4.1施工流程
冻结施工流程见图2-5。
2.4.2施工准备
1、施工场区具备三通一平条件。
2、制作灰土盘和泥浆系统。
3、施工冷冻站房等临时施工用房。
4、安装临时变配电设备。
5、施工设备进场。
6、安装钻机。
2.4.3冻结孔施工
1、冻结管、测温管、水文管和供液管规格：
测温管、水文管、浅防片帮孔为127×5mm的优质20号低碳钢无缝钢管，其余冻结孔300m以上冻结管采用159×6mm的优质20号低碳钢无缝钢管，300m以下冻结管采用159×7mm的优质20号低碳钢无缝钢管。
供液管为ф75×6mm增强塑料管，供液管材应符合低温使用要求。
2、冻结孔施工设备选型
选用TJS-2000型钻机施工冻结孔，布置6台钻机。
冲积层采用三牙轮钻头或三翼刮刀钻头钻进，钻头直径Φ215mm。
基岩用牙轮钻头钻进，钻头直径Φ215mm。
钻具配置为：
Φ89mm钻杆+Φ168mm钻铤（不少于3立根）+钻头。
3、冻结孔质量要求
冻结孔孔位：
根据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。
孔位偏差不应大于20mm，并不得向井心方向偏斜。
钻孔偏斜控制：
副井井筒冻结孔偏斜率不大于2.5‰（不得向井心偏斜）。
冻结孔成孔间距在冲积层不大于2.5m，在基岩不大于4.5m。
采用JDT-3型陀螺测斜仪测斜。
冻结孔钻进深度和冻结管下放深度：
冻结孔钻进深度应该考虑泥浆沉淀影响，要求冻结管能下到设计深度。
冻结管下放深度不小于设计深度，不超过设计深度0.5m。
冻结管耐压：
冻结管耐压不小于5.0MPa。
供液管下放深度：
供液管下放深度为冻结管深度。
4、冻结孔（测温孔、水文孔）钻进与冻结器安装
1）按钻孔设计方位要求固定钻机。
2）为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。
钻进前50m时，要反复校核、调整钻杆方向，调整钻机位置，并用陀螺仪测斜，无偏斜问题后方可继续钻进。
3）冻结管下入孔内前要先配管，保证冻结管同心度。
下冻结管后，用测斜仪进行测斜，然后复测冻结孔深度。
冻结管长度和偏斜合格后进行打压试漏。
冻结孔试漏压力控制在5MPa，稳定30分钟压力无变化者为试压合格。
4）在冻结管内下入供液管。
供液管底端连接配重管及0.3m长的支架，供液管要下到冻结管底。
5、井架基础处冻结孔的保温
根据反复多次不同方案的模拟计算，要达到较好的效果，应采用以下方案：
井架基础保温数值模拟计算：
1）模型的基本简化和假设
①土层视为均质导热材料。
②由于冻结管在竖直方向的尺寸较水平方向大得多，在竖直方向的热传导相对水平方弱的多，故冻结温度场可简化为平面导热问题，按平面问题建模，划分网格。
③地层冻结降温影响区仅限于冻结壁外锋面半径的三倍范围内。
2）边界条件及载荷
①土体的初始温度为20℃。
②远端边界为固定的20℃。
③冻结管外壁温度按实际的降温曲线附值，见图1。
图1实际降温曲线图
3）保温方案
进行局部保温，计算温度场变化情况。
最外圈：
对W3～W13，W19～W27，W33～W41，W47～W57进行保温处理，共计40根管。
次外圈：
对Z3～Z7，Z12～Z15，Z20～Z23，Z28～Z32进行保温处理，共计18根管。
冻结管的局部保温厚度为5cm。
4）计算结果分析
①温度场云图
冻结时间为30d、60d、120d、210d和360d的温度场见图2～图6。
图2冻结30d温度场云图
图3冻结60d温度场云图
图4冻结120d温度场云图
图5冻结210d温度场云图
图6冻结360d温度场云图
②特征点温度随时间变化
图7特征点布置图
特征点距离最外圈布置孔圈径的距离都为0.7m，具体布置位置及参数见图7。
各特征点温度随时间的变化见图8～图9。
图8内侧特征点温度随时间变化图
图9外侧特征点温度随时间变化图
通过上述模拟计算，可以得出该保温措施可以保证井架基础的安全。
2.4.4冻结制冷系统安装
冻结站设在井口附近。
站内设备主要包括冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵及清水池等，同时设立冻结站专用变电所为冻结施工提供电力。
冻结站主要设备布置见附图。
设备安装按设备使用说明书的要求进行。
盐水和冷却水管路用法兰连接并用管架架设。
冻结站外管路砌沟槽，集配液圈应低于冻结站方向的盐水出口管路
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