大贾庄东北回风井冻结施工组织设计修改版.docx
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大贾庄东北回风井冻结施工组织设计修改版
河北钢铁集团矿业有限公司
大贾庄铁矿东北回风井井筒冻结工程
施工组织设计
（冻结部分）
编制人：
杨彦彬
审核人：
刘文昌
总工程师：
谭国良
3.5冻结孔布置圈径5
3.6冻结孔数确定5
6.2.3安全生产管理机构20
6.2.4安全保证体系22
四、施工组织设计
1设计依据
（1）河北钢铁集团矿业有限公司大贾庄铁矿东北回风井掘砌工程施工招标文件（DJZTK-2011-6）；
（2）河北钢铁集团矿业有限公司大贾庄铁矿东北回风井钻孔柱状图（ZYDK-2011-GK-058-1）；
（3）招标文件澄清函；
（4）《煤矿井巷工程施工规范》（GB50511-2010）；
（5）《冶金矿山井巷工程质量检验评定标准》（YBJ218-89）；
（6）《金属非金属矿山安全规程》（GB16423-2006）；
（7）《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ33-2001）；
（8）《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ46-2005）。
2矿井概况
2.1井筒概况
东北回风井井检孔坐标：
X=4388916.19m，Y=393671.11m，H=+17.33m。
井筒净直径6.50m，井深为362.5m，冻结深度276m。
第四系156.3m，支护形式为内外双层钢筋混凝土井壁，支护厚度1300mm，+20.5m至-100m采用C35混凝土支护，-100m至-270m采用C50混凝土支护；基岩段80m，支护形式为素砼支护，采用C30混凝土，厚度450mm。
2.2地理位置及气候
大贾庄铁矿位于河北省滦南县，距唐钢55km，北距京山铁路滦县车站约15.0km，西距迁（安）曹（妃甸）铁路约4.0km，平青大道从矿区东侧通过，交通运输十分便利。
矿区位于滦河流域平原区冲击扇及滦河河漫滩阶地上，地面标高一般为15～20m左右。
滦县地处北温带，属典型的半干旱大陆性气候。
冬夏季较长，冬季多西北风，风沙较大，夏季多东南风，炎热多雨，降雨量集中在6～8月份，历年平均气温10.5℃，最高气温为41.6℃，最低气温－24℃。
历年平均降水量684.6mm，最大一日降雨量259.6mm，蒸发量1495.67mm。
冰期在每年12月～次年3月，最大冻结深度0.8m。
2.3地质概况
矿床上部有第四系覆盖层，其间有三个主要含水层和四个主要隔水层。
含水层主要在第四系中，含水岩性为粗中砂，砂砾卵石。
表2-1井检孔地层结构表
地层
系统
层序号
深度
（m）
层厚
（m）
岩石名称
地层
系统
层序号
深度
（m）
层厚
（m）
岩石名称
Q4a1
1
3.50
3.50
粉土
Ar
26
228.00
31.80
强风化黑云变粒岩
Q3a1+p1
2
5.50
2.00
中砂
27
235.20
7.20
黑云变粒岩
3
24.80
19.30
圆砾
28
240.00
4.80
黑云变粒岩
4
26.70
1.90
中砂
29
261.80
21.80
黑云变粒岩
Q4a1
5
31.60
4.90
粉质粘土
30
269.00
7.20
混合花岗岩
Q3a1+p1
6
61.50
29.90
卵石
31
270.80
1.80
混合花岗岩
7
65.00
3.50
中砂
32
277.20
6.40
混合花岗岩
8
78.60
13.60
卵石
33
284.30
7.10
混合岩
Q2a1
9
79.60
1.00
粉土
34
289.30
5.00
混合岩
Q2a1+p1
10
84.00
4.40
卵石
35
300.30
11.00
混合岩
Q2a1
11
87.60
3.60
粉质粘土
36
307.30
7.00
混合岩
Q2a1+p1
12
88.90
1.30
卵石
37
309.60
2.30
混合花岗岩
13
106.00
17.10
中砂
38
322.80
13.20
混合岩
Q2e1
14
112.50
6.50
粉质粘土
39
327.40
4.60
混合岩
15
117.50
5.00
粗砾砂
40
343.50
16.10
破碎带
16
129.70
12.20
粉质粘土
41
350.30
6.80
混合岩
17
131.10
1.40
中砂
42
353.30
3.00
黑云变粒岩
18
135.10
4.00
粉质粘土
43
361.60
8.30
混合岩
19
138.90
3.80
粗砂
44
367.20
5.60
破碎带
20
140.90
2.00
粉质粘土
45
376.80
9.60
混合花岗岩
21
141.60
0.70
中砂
46
381.40
4.60
混合岩
22
146.20
4.60
粗砾砂
47
393.80
12.40
混合岩
23
149.50
3.30
粉质粘土
48
398.70
4.90
混合岩
24
156.30
6.80
砂质粘土
49
410.00
11.30
破碎带
Ar
25
196.20
39.90
全风化黑云变粒岩
50
415.60
5.60
混合岩
2.4涌水量
井筒特殊段（+20.5m～-242m）依据招标文件，涌水量均为20m3/h。
3施工技术方案
3.1冻结方式
针对井筒的地质特点，冻结方案以“安全第一、优质高效、少挖冻土”为原则，以确保井筒施工安全为目的，方案设计要点如下：
（1）采用单圈孔插花差异的冻结方式，以确保不同地层所需的冻结壁强度和厚度；
（2）低温大流量冻结，积极冻结期盐水温度为-28～-30℃，维护冻结期盐水温度为-24～-26℃，各冻结管内盐水流量均不小于10m3/h；
（3）采用信息化管理，实时监测冻结壁的发展情况，既保证施工安全，又确保少挖冻土。
3.2冻结深度的确定
依据招标文件P81工程量清单所确定的内容及专家意见，冻结深度为276m。
3.3冻结壁厚度计算
根据井筒工程地质条件，冻结参数确定如下：
（1）盐水温度
冻结期盐水温度为-28～-30℃；
（2）冻结壁厚度设计
根据地质条件，为了求得安全、合理的冻结壁，设计时依据了我单位类似地质条件下的施工经验。
采用有限长塑性厚壁筒强度极限状态下计算冻结壁厚度，冻结壁计算公式：
，计算参数及结果见表3-1。
表3-1冻结壁计算参数表
序号
名称
单位
参数
1
控制层底板埋深
m
276
2
地压值
Mpa
3.588
3
冻结壁平均温度
℃
-8
4
冻土极限抗压强度
Mpa
12.25
5
冻土允许抗压强度
Mpa
5.57
6
安全系数
2.2
7
安全掘进段高
m
3
8
冻结壁厚度
m
2.79
根据计算结果并参考国内类似条件下的冻结施工经验，确定东北回风井井筒冻结壁厚度为3.00m。
3.4冻结孔布置
钻孔布置参数见表3-2及钻孔平面布置图及剖面图。
表3-2冻结钻孔布置主要参数
序号
项目
单位
参数
1
冻
结
孔
布孔圈径
m
12.9
2
孔数
个
32
3
开孔间距
m
1.264
4
深度
m
200/276
5
冻结孔工程量
m
7616
6
测温孔
个/m
1/2001/270
7
水文孔
个/m
1/75
8
钻孔总工程量
ｍ
8161
3.5冻结孔布置圈直径的确定
冻结孔布置圈直径计算，按基岩段中采用钻爆法施工：
式中：
D1′—冲积层和基岩中井筒最大掘进直径，m；
Qf′—冲积层、基岩段的冻结孔允许偏斜率；
h0—井筒冻结深度，m。
计算结果：
D0=9.1+2×（1.2+0.0025×276）
=12.88m
依据计算结果，冻结孔布置圈径直径取值：
12.9m。
3.6冻结孔孔数的确定
式中：
Ls—冻结孔开孔间距，当冻结深度小于300m时，采用1.00～1.30m。
计算结果：
N=π×12.9/（1.20～1.30）（依据施工经验，孔间距取1.20～1.30m之间）
=32.062
依据计算结果，冻结孔孔数取值：
32个。
冻结孔开孔间距为1.264m。
3.7冻结管结构设计
冻结孔均下置φ127×6mm无缝钢管，采用外接箍连接，接箍规格为φ140×5.5mm无缝钢管，接箍长度均为100mm。
3.6测温孔设计
测温管选用φ108×5mm无缝钢管，外接箍连接，接箍规格为φ121×6mm无缝钢管，接箍长度为100mm。
为了准确掌握冻结温度场变化情况，每个冻结孔要做纵向测温；另设计测温孔2个，测1#孔布置在地下水流上方冻结孔外侧主面上，孔深为270m，距布孔圈径1.00m；测2#孔布置在冻结孔孔间距最大处外侧界面上，孔深为200m，距布孔圈径1.00m。
3.7水文孔设计
为了准确报导冻结壁交圈情况，设计水文孔1个。
水文管选用φ108×5mm无缝钢管，外接箍连接，接箍规格为φ121×6mm无缝钢管。
3.7.1滤水位置
水文孔孔深为75m，在-71m～-74m、-50m～-53m布置花管。
3.7.2封止水位置
水文管参考深度在26m～31m段进行封止水，封止水材料为海带粘土。
重新核对隔水层深度，并以核对后的深度为准。
3.8冻结壁形成预测
3.8.1主要含水层冻结壁交圈时间
主要含水层（75m以上）冻结孔最大孔间距按1.80m计算，参考类似地层的冻土发展速度，主要含水层冻结壁交圈时间约为43天。
3.8.2井筒开挖标准
（1）水文管冒水后证实主要含水层冻结壁已交圈；
（2）根据测温资料分析，井筒掘砌至各水平时，冻结壁能够满足井筒安全掘进施工需要。
3.8.3井筒试挖时间
依据井筒掘砌速度（单层掘砌45m/月，二次复壁10m/天），考虑冻结段冻结壁所需要的厚度和强度，开冻至试挖时间为50天。
3.8.4冻结壁形成预测
表3-3冻结壁形成预测表
冻结时间（d）
预计掘进深度（m）
地层岩性
掘进半径（m）
冻结壁有效厚度（m）
68
30
泥岩
4.55
1.40
86
60
砂质泥岩
4.55
1.60
104
90
粉砂岩
4.55
1.80
128
130
砂质泥岩
4.55
2.10
158
180
裂隙发育带
4.55
2.30
170
200
粉砂岩
4.55
2.60
3.9冻结系统设计
3.9.1氟系统设计
（1）参数选取
①冻结管散热系数：
250kcal/m2•h
②冷量损失系数：
1.15
（2）井筒需冷量见下表。
表3-4井筒冷量计算表
项目
单位
参数
冻结管散热能力
万kcal/ｈ
79.16
井筒冻结需冷量
万kcal/ｈ
91.03
（3）冷冻机选型及数量
设计积极冻结期盐水温度为-28~-30℃，维护冻结期盐水温度为-24~-26℃，盐水比重取1.26。
表3-5冻结站冷冻机配备表
项目
单位
台数
JZKF220型螺杆冷冻机
台
6
JZKF216型螺杆冷冻机
台
1
总装标准制冷能力
万kcal/ｈ
281.7
（4）辅属设备选型
经计算选用DBNL3-250型冷却塔4台，电机功率17kw。
3.9.2盐水系统设计
（1）盐水总循环量：
320m3/h（冻结管内流量10m3/h）。
（2）供液管选择：
选用Ф60×5mm聚乙烯塑料供液管。
（3）盐水干管及配集液圈：
选用Ф273×6mm螺旋管。
（4）盐水泵选择：
选用10sh-9型水泵2台（备用1台）。
（Q=486m3/hH=38.5mN=75KW）
3.9.3冷却水系统设计
（1）冷却水总循环量：
600m3/h。
（2）新水补充量：
40m3/h。
（3）清水泵选型：
冻结站选用8sh-9A型水泵2台（备用1台）
（Q=270m3/hH=46mN=55KW）。
3.10供配电设计
3.10.1冻结钻孔施工
冻结钻孔施工供电电源采用10KV单回路供电线路。
冻结钻孔施工选用钻机3台施工，施工设备总装机容量为764KW。
3.10.2冻结制冷施工
冻结制冷施工供电电源采用10KV双电源供电线路。
冻结站设备总装机容量为1784KW，临时变电所低压0.4KV母线上的计算负荷为1709.9KVA，无功补偿后，低压0.4KV母线上的总负荷1533.8KVA。
4施工工艺
冻结工程施工工艺主要包括：
施工准备、钻孔施工工艺、冻结施工工艺、施工顺序等。
在施工工艺上，冻结单位与凿井单位要密切配合，保证冻结和凿井施工安全顺利。
冻结工程施工工艺如下：
4.1施工准备
施工筹备人员进驻现场后，在计划准备期内完成组织准备、物资准备、技术准备。
按照施工平面布置完成冻结施工的钻场基础、泥浆泵房、测斜室、钻孔施工的供、排浆系统、冻结施工的冻结站、配电室等生产大临工程和生活临建工程，以及供水、供电等，为冻结工程施工创造条件，满足施工要求。
4.2钻孔施工工艺
（1）采用DZJ-500/1000型冻注两用钻机3台同时施工，每台钻机配备TBW-850/50型泥浆泵一台。
钻孔测斜采用JDT-6型陀螺仪。
（2）钻场施工：
首先要以井筒中心位置量出场地范围平整场地，分层铺设夯实三七灰土，厚300mm，三七灰土上部浇注混凝土厚250mm，并预留钻孔位置和砌筑泥浆循环沟槽。
（3）确定孔位：
以井筒中心为基准，测定孔位。
钻孔孔位采用钉桩法设立明显标志。
（4）钻机安装：
按设备的安装要求进行，并配套好泥浆设施。
接通水、电、安装夜间照明，检查钻具，做好各项准备工作。
（5）钻孔：
钻具采用φ89mm钻杆，φ159mm加重杆，φ190.5mm、φ171.4mm牙轮钻头组成的加重钻具，回转式钻进泥浆护壁的方法，分班连续作业方式。
4.3冻结施工工艺
（1）冻结站采用JZKF220型螺杆冷冻机压缩机，单级压缩制冷。
以氯化钙盐水溶液为冷媒剂。
采用CW-2型计算机自动温度监测系统，监测冻结壁温度场变化情况和验算冻结壁的厚度。
（2）冻结站安装
冻结站安装包括盐水系统及冷却水系统安装，要求根据冻结站的总体设计，按照先设备后管路的安装程序和施工图的技术要求，将三大循环系统分别进行安装，并按《井巷工程施工及验收规范》要求试压、检查验收。
（3）冻结沟槽施工及冻结器安装
冻结钻孔竣工后，进行冻结沟槽施工和冻结器安装，沟槽底部坡度1%，并在最底处设集水池1个，沟槽门口下部需高出地表0.15米，冻结器安装完毕要对沟槽进行清理，做到沟槽内清洁整齐。
（4）充氟、试运转：
试运转前先按设计比重配制氯化钙溶液（盐水冷媒剂），在冷却水系统、盐水系统工作正常后进行充氨试运转工作。
试运转正常即可开始积极冻结运转。
（5）正常运转、设备检修和检测监控
包括积极冻结期和维护冻结期。
从开机到井筒掘砌到冲积层底板的时间为积极冻结期，井筒基岩段掘砌和内层井壁施工期间为维护冻结期。
冻结期间，要按设计的开机台数控制各项运转参数，并进行水文孔水位、参考井水位、测温孔温度的检测，井筒掘进期间的井帮温度、冻结壁位移的观测等要进行严格的检测监控，为井筒的掘进施工提供可靠的依据。
4.4施工顺序
（1）钻孔施工顺序：
施工准备→（钻场基础施工、临建施工）→钻机安装及定位、调制泥浆→正常钻进→测斜、纠斜、测深→下管→试压→钻孔验收。
（2）冻结施工顺序：
施工准备→基础施工→设备就位及管路和地沟槽安装→试压保温包扎→配制盐水→清水、盐水系统试运行→充氟、试运转→冻结正常运转→监测、监控→试挖→正式掘砌→维护冻结→停机→冻结验收。
附：
钻孔施工工艺流程图
冻结施工工艺流程图
钻孔施工工艺流程图
冻结施工工艺流程图
5主要技术要求
5.1钻孔施工主要技术要求
（1）孔位
①冻结孔:
按设计要求现场打桩，施工后进行复测。
开孔除不得向井心位移外，其它方向不得大于30mm。
底部用缓凝水泥浆封止水，深度100米，浅孔50米。
（12个注浆孔不进行水泥浆封孔，但做压水实验，若发现漏水，进行化学浆处理），12个注浆孔下φ133mm内接箍冻结管。
②测温孔:
为了准确掌握冻结场变化情况，设计测温孔2个，测温孔采用Φ108×5mm无缝钢管，外接箍连接，封止水深度与冻结孔深度相同。
③水文孔:
设计1个水文孔，布置在距井中心1m处，须躲开井筒主提升线。
（2）孔径
使用Φ89mm钻杆，Φ146mm加重杆，Φ190mm牙轮钻头钻进为主。
（3）孔深
各类孔必须确保设计下管深度，不得有负值，不得大于设计深度0.5m。
（4）钻孔偏斜
①冻结孔:
冻结孔按表土段偏斜率（2.5‰）基岩段偏斜率（5‰）控制，不得向井心偏斜；220m以上冻结孔最大孔间距不超过2.30m，终孔最大孔间距不超过3.90m。
②测温孔:
偏斜率按不大于2‰控制。
③水文孔:
各水平落点不超出井筒净断面。
（5）下管
①配管:
应先对冻结管内壁进行除锈及清除杂物,保证管内畅通,然后根据每个孔的深度进行配管,并对管子逐根进行丈量,编号,配组,平做好原始记录。
冻结管的底锥焊接必须是双层,焊接后必须在地面打压合格后,方可使用。
②焊接:
冻结管,测温管和水文管全部采用外接箍连接方式,接箍长度均为150mm。
焊接时要求管材,管箍和焊条必须相,并且要求管端必须对正,保证同心度,焊接要求严格按焊接工艺进行焊接。
③下管：
下管前在孔底用缓凝水泥浆置换出泥浆，固管深度：
深孔100米，浅孔50米。
冻结孔下置Φ127×6mm无缝钢管，水文孔、测温孔下置Φ108×5mm无缝钢管。
所有管材均选用﹙GB/T8163-2008﹚20＃低碳钢无缝钢管，下管前要重新丈量钻具全长和校验孔深，确保下管深度符合设计要求。
下管结束经打压合格后，确保管口加盖封牢固定，孔内管外用泥沙充填转入下一个孔施工。
（6）打压
下管后，对每个孔必须进行动压试漏。
深孔试验压力：
2.50Mpa，浅孔试验压力2.00Mpa。
试压时间为30min内压力不降,或压力下降小于0.05MPa,再延续15min,其压力保持不变为合格.打压必须设专人,并做好原始记录。
（7）水文孔施工
①水文管规格﹙见监测部分﹚。
②滤水管孔径为Φ20mm,孔径横向100mm，梅花形排列，管外焊Φ6mm垫筋，按关径不同分别焊4根，外缠22目铁砂网2层，并用14＃铅丝按5～6mm间距均匀扎紧，并用8＃铅丝固定。
③水文孔底部必须加焊底锥。
④水文孔连接必须焊牢，不渗漏并保证同心度。
⑤水文孔下置后必须进行认真洗孔，以出清水为准，完工后及时盖好管口。
（8）冻结孔施工竣工后提交如下资料
①钻孔施工数据总表；
②钻孔偏斜总平面图；
③冻结检查孔柱状图；
④水文孔施工结构图；
⑤冻结孔施工竣工报告；
⑥各水平冻结壁交圈平面图。
表5-1冻结壁交圈水平
序号
水平（m）
岩性
序号
水平（m）
岩性
1
30
粉质粘土
5
190
全风化黑云变粒岩
2
75
卵石
6
220
强风化黑云变粒岩
3
115
粗砾砂
7
250
黑云变粒岩
4
160
全风化黑云变粒岩
8
276
混合花钢岩
5.2冻结施工主要技术要求
（1）冻结站安装
①严格按设计图纸进行安装。
②所有各种阀门，管路在使用前要清洗除锈，确保安装质量。
③盐水系统在安装好后按“规范”要求进行打压试漏，为正常运转打下良好的基础。
④室外清水系统安装时要留有消防阀门。
⑤冻结站要设有消防器材，站内要通风良好并备有局扇。
⑥各种“操作规程”要写成牌板挂于车间。
⑦现场要文明施工，安全施工，材料等要堆放有序。
（1）冻结施工
①设专人进行测温，冻结站开机前要队原始低温参考井水位，水文孔水位，水温统一检测一遍，并做好记录。
在积极冻结期间测温工作要每天进行一次，维护冻结期间要两天进行一次，所测资料阶段性上报有关部门。
②冻结器运转初期和中期要检测各冻结器的盐水流量，并观测冻结器结霜情况，确保每个冻结孔畅通且流量基本均匀。
③加强车间管理，使盐水温度尽快达到设计要求。
④在冻结期间，冻结井周围抽水影响内的水井一律停止使用，以确保冻结井筒冻结壁按时交圈。
⑤应按“规程”和设计要求，根据不同地层严格控制掘进段高。
⑥冻结段井筒需放炮施工时，在放炮前，掘进单位应通知冻结站值班人员，以便检测盐水系统是否正常。
冻，掘双方有关人员要密切配合，经常下井观测冻土发展情况及不同地层的井帮温度，做好原始记录，有异常情况双方尽早发现，积极采取措施，确保井筒安全通过冻结段。
⑦冻结工程结束后，提交全部资料及竣工报告。
6主要施工措施
6.1质量目标及质量保证措施
6.1.1质量目标：
工程质量优良。
6.1.2质量保证措施
（1）钻孔施工质量保证措施
采用钻、测、纠相结合的冻结孔钻进技术，严格控制冻结孔向井内偏斜，确保钻孔垂直度，缩小冻结孔间距，加快冻结壁形成速度，为缩短凿井工期创造条件。
①冻结钻孔布置采用经纬仪或钢尺测定孔位，孔位不得随意移动。
②合理选择钻进技术参数，定时测定泥浆指标，根据不同地层及时调整泥浆技术指标，防止孔壁坍蹋掉块，确保泥浆护壁效果。
③提升钻具时，应向孔内注入新浆，防止塌孔、粘钻，终孔用新鲜泥浆循环，把岩粉全部排出。
④预防钻孔偏斜措施：
钻机安装稳定，立轴不旷动。
开孔钻进时应轻压、慢转。
随着钻进深度的不同，随时增减加重钻具。
所有钻具要详细检查，弯曲和磨损过大的钻具严禁使用。
钻进中加尺或更换钻头时，适当提钻具扫孔，但不准将钻具停在一个深度长时间冲孔，减少自然偏斜。
⑤为检验钻孔偏斜情况，按要求间隔深度及时测斜，冲积层每30米测斜一次，风化基岩每20米测斜一次；遇有地层发生较大变化或易偏斜地层加密测点，逐点把关并及时上图校验。
发现偏斜超限立即纠偏。
⑥冻结管下置前要在地面配组，丈量冻结管长度，清除管内杂物，下管后进行复测深度，确保冻结管下置深度符合设计要求。
⑦认真检查冻结管质量，严禁使用弯曲、变形、夹皮、薄厚不均等有缺陷的冻结管。
⑧冻结管焊接时，管端要端正，确保同心度，每道焊缝至少要焊三遍，焊缝厚度不小于管壁厚度。
⑨采用先进的定向纠偏钻具技术，对超偏钻孔进行人工定向纠偏，冻结孔孔间距超过规定时，必须打补孔。
（2）冻结施工质量保证措施
①冻结站安装前对所有的设备、阀门检修完好，各种管路清理干净，所用的机具准备齐全，做好设备就位、找平、找正工作。
②冻结站设备容量要满足井筒需冷量要求，并有一定的数量的备用，安装质量要符合设计要求。
运转过程中要合理
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