小庄煤矿措施井井筒冻结工程施工组织设计.docx

1、小庄煤矿措施井井筒冻结工程施工组织设计陕西彬长矿区开发建设有限责任公司小庄矿井措施井井筒冻结工程施工组织设计中煤第一建设公司特殊凿井处二一年十月十日施工组织设计编写人员表工程名称陕西彬长矿区开发建设有限责任公司小庄矿井措施井井筒冻结工程编制日期2011年8月编写人打 字校对审核印制份数：40份施工组织设计会审人员表工程技术科机电科机电处长安监处长生产处长总工程师处 长前 言陕西彬长矿区开发建设有限责任公司小庄矿井措施井采用立井开拓方式，因其地质及水文地质条件复杂，采用普通法施工难以通过，为加快矿井建设速度，确定采用冻结法施工。我处承担了措施井井筒冻结工程的施工，编制了措施井井筒冻结工程施工组织

2、设计。编制设计的主要依据是：(1) 陕西省彬长矿区开发建设有限责任公司小庄矿井主、副井井筒检查勘察地质报告；(2) 陕西彬长矿业集团有限公司小庄矿井措施井井壁结构； (3) 陕西彬长矿业集团有限公司小庄矿井回风立井井筒检查钻孔柱状图；(4)矿山井巷工程施工及验收规范(GBJ213-90)；(5)煤矿井巷工程施工质量评定标准(MT5009-94)；(6)煤矿安全规程。 第一章 工程概况1 矿井概况小庄矿井是陕西彬长矿业集团有限公司的建设项目之一，由北京华宇工程有限公司设计。 表1-1 措施井井筒特征表序号项 目参 数1井筒中心坐标（m）X=3886087.000m Y=498123.000m2井

3、口设计标高（m）Z=+1107.300m3井筒净直径（m）6.54最大掘进荒径（m）11.7(含壁座)5表土段深度（m）245.986支护结构钢筋砼7冻结深度(m)5332 井筒地质特征甲方未提供地质资料，要求参照回风立井地质柱状图，措施井距回风立井125m.。2.1地层依据回风立井井检孔和主、副井地质报告，地层由老至新依次有：三叠系中统铜川组(T2t)，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(K11)及第三系(N)，第四系(Q4)地层岩性情况见表1-2地层结构表。表1-2 地层结构表地层单位层序号层厚(m)深度

4、(m)岩石名称地层单位层序号层厚(m)深度(m)岩石名称第四系137.0037.00黄土第三系1611.91245.98卵石层29.2046.20粉质粘土白垩系17106.38352.36中粒砂岩313.1059.30粘土1817.19369.55含砾砂岩411.9071.20粉质粘土1910.46380.01中粒砂岩522.1093.30粉质粘土207.54387.55含砾砂岩624.43117.73粘土2171.55459.10中粒砂岩737.67155.40粉质粘土2242.02501.12粗砾岩89.70165.10粘土侏罗系233.85504.97中粒砂岩917.55182.65粉质

5、粘土244.17509.14泥岩第三系1011.29193.94粘土258.66517.80细粒砂岩1110.94204.88粉质粘土262.88520.68泥岩123.40208.28粘土2712.56533.24粗粒砂岩133.56211.84粉质粘土283.26536.50泥岩148.54220.38粘土2913.50550.00泥质粉砂岩1513.69234.07粉质粘土现由老至新分述如下：(1) 三叠系中统铜川组(T2t)岩性为一套灰黑色，质均，质纯，水平层理发育，岩石成熟度较高。(2) 侏罗系中统侏罗系安定组(J2a)为棕红色、紫红色砂质泥岩，夹薄层紫灰色、灰绿色中粗粒砂岩，底部为

6、含砾粗砂岩。本组地层以干旱气候平原洪积相沉积为主。与中侏罗统直罗组假整合接触。(3) 白垩系 下白垩统宜君组(K1Y)岩性以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515cm，最大25cm以上，次棱角次圆状，分选差，基底式或空隙式胶结，质密坚硬。与下侏罗统安定组假整合接触。 下白垩统洛河组(K11)岩性为紫红色、棕红色细粗粒长石砂岩，中夹2层中厚层状杂色粗粒岩层及薄层棕色砂质泥岩。孔隙式胶结，质密坚硬，为河流相沉积。(4) 第三系主要以棕红色粘土为主，在下部有一层厚为11.91m的卵石层，成分以石英为主，可见灰岩粒，粒径一般2580mm，最大200mm。该层底部

7、为粘土层，与下部地层成冲刷接触。(5) 第四系 (Q4)覆盖于第三系地层之上，为冲积破积层及河床堆积形成的粉质粘土、粘土层等。2.2 构造概述彬长矿区位于鄂尔多斯盆底南部渭北北缘的彬县皇陵褶皱带。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。施工井筒位于路家小灵台背斜的南翼，安化相斜的北翼。路家小灵台背斜的东端深入井田的南部，轴向N78E，南翼倾角13，北翼倾向48，两翼跨度78公里，起伏幅度南翼80m，北翼150m，在井田内轴向延长约4公里。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1.21.6m的小断层。副井检孔附近

8、没有发现断层，属岩层平缓、简单构造类型。2.3 各含水地层水文地质特征(1) 第四系含水层抽水试验涌水量Q：0.062(l/s)，单位涌水量q：0.045255(l/sm)，渗透系数K：0.101(m/d)，富水性弱，矿化度1.425(g/l)，水质类型SO4ClNa型。(2) 洛河组砂砾岩含水层抽水试验涌水量Q：4.767(l/s)，单位涌水量q：0.128873(l/sm)，渗透系数K：0.07915(m/d)，富水性中等较强，水质类型SO4ClNa型。(3) 宜君组砾岩弱含水层据邻区井田钻孔抽水试验：单位涌水量q：0.00880.2206(l/sm)，渗透系数K：0.0200.861(m

9、/d)，属富水性不均一的弱含水层，矿化度2.595.39(g/l)，水质类型ClSO4Na型、SO4Na型。(4) 安定组砂泥岩极弱含水层据井田外围钻孔抽水试验：单位涌水量q：00.000076(l/sm)，富水性极弱，可视为煤系与上覆白垩系含水层之间的稳定隔水层。(5) 直罗组砂泥岩微弱含水层据井田内钻孔抽水试验：单位涌水量q：0.0026(l/sm)，渗透系数K：0.0164(m/d)，富水性微弱含水层，水质类型SO4Na型。(6) 延安组砂岩含水层抽水试验涌水量Q：0.054(l/s)，单位涌水量q：0.0003551(l/sm)，渗透系数K：0.00042474(m/d)，富水性弱，水

10、质类型ClSO4Na型。(7) 富县组、三叠系胡家河组泥岩隔水层以泥岩、砂质泥岩等隔水性岩石为主，埋藏深为相对隔水层。表1-3 抽水试验参数成果表 项目孔号层位试段深度(m)水位降低次数单位涌水量q(l/sm)水位降低S(m)稳定时间(小时)水位误差(%)流量误差(%)QS曲线质量评价渗透系数K(m/d)影响半径R(m)副立井井检孔Q013.4010.0452551.37330.40正常合格0.1013.19K1L13.60189.2030.12887336.9914.50.90.9正常合格0.07915275.800.12746726.1480.500.06736179.800.127877

11、12.3490.600.0463570.41J2y313.47384.8610.0003551152.08330.40正常合格0.0004247431.342.4 地下水化学类型本次化验结果：第四系含水层水质类型SO4ClNa型，矿化度1424.78mg/L；洛河组含水层水质类型SO4ClNa型，矿化度3948.98mg/L；延安组含水层水质类型ClSO4Na型，矿化度4330.51mg/L。3 岩石工程地质特征3.1 井筒岩石物理学性质副井检孔各组段均采取了岩石物理学实验样，对土样测试内容为：容重、密度、湿度、孔隙度、可塑性、内摩擦角、内聚力、抗压强度、膨胀性。采取的基岩样测试项目为：容重、

12、密度、湿度、孔隙度、内摩擦角、抗压强度、泊松比、含水率、软化系数等。3.2 岩土工程地质评述(1) 层组根据钻孔揭露及采样测试，土类层组可分为粉质粘土、细沙土及碎石土三个层组。 粉质粘土：08.20m，厚8.20m。浅黄褐色，上部0.6m为灰褐色耕土，含植物根系，偶见小砾石，较均匀；下部为黄褐色粉质粘土，稍湿、中密、坚硬。 砂砾石砂砾石：8.208.70m厚0.50m。松散，未固结，黄褐色，稍湿、密实，易坍塌。 碎石土碎石土：8.7013.60m，厚4.90m。褐色，粒度大于1cm，易坍塌，位于潜水位之下。(2) 岩组 岩石质量及完整性根据钻孔工程地质编录所确定的岩石RQD值，按GB12719

13、-91中规定的评价方法。 岩组工程地质分述1) 洛河砂岩岩组：浅棕红色中粒砂岩夹浅灰绿色中粗粒砂岩和杂色砾岩薄层，分选较好，磨圆中等，泥质基质孔隙式胶结，具斜层理。裂隙较发育。富水性中等。该岩组的工程地质特征为：天然容重2.28(g/cm3)，干容重2.22(g/cm3)，孔隙率9.71%，饱和单轴抗压强度12.34MPa，含水率1.24%，粘聚力1.47MPa，内摩擦角37.48，泊松比0.20，软化系数0.70。本岩组上部风化程度较剧烈，富水性强，岩石松软，易破碎、节理、裂隙较发育，地下水对岩层的软化作用较明显，按围岩稳定性划分标准为弱中等稳定岩层。2) 宜君砾岩组：为蓝灰色块状巨砾岩，钙

14、质胶结，砂质充填，较坚硬，富水性微弱。该岩组工程地质特征为：天然容重2.40(g/cm3)，干容重2.32(g/cm3)，孔隙率10.40%，饱和单轴抗压强度31.08MPa，含水率1.01%，粘聚力3.00MPa，内摩擦角39.80，泊松比0.18，软化系数0.75.按围岩稳定性划分标准为弱中等稳定岩层。3) 安定砂岩泥岩岩组：为灰绿色中粒砂岩泥岩，砂岩成分以石英、长石为主，泥质胶结，疏松，富水性弱。天然容重2.292.31g/cm3，粘聚力1.421.60MPa，内摩擦角37.3737.97，孔隙率9.379.49%，饱和单轴抗压强度13.5714.68MPa，含水率1.171.19%。按

15、围岩稳定性划分标准为弱稳定岩层。4) 直罗砂岩岩组：上部砂质泥岩，夹中细粒砂岩；下部以粗粒砂岩为主，夹薄层粉砂岩。天然容重2.302.38g/cm3，孔隙率9.289.74%，饱和单轴抗压强度小于8.9013.67MPa，粘聚力1.680.95MPa，含水率0.861.23%，内摩擦角36.4537.44，软化系数0.690.72。按围岩稳定性划分标准为弱不稳定岩层。5) 延安组砂质泥岩岩组：由泥岩、砂质泥岩与厚层状中、粗粒砂岩组成，天然容重2.302.37 g/cm3，饱和抗压强度18.8319.83MPa，内摩擦角38.4138.5，泊松比0.19，含水率1.101.18%，软化系数0.7

16、20.73。各岩组为层状结构，层里面明显，砂岩强度及水稳定性较好，泥岩及砂质泥岩易软化。由于岩石组合不同，岩组工程地质变化较大，按围岩稳定性划分标准为属不稳定中等稳定岩层。6) 煤岩组：据本次煤层的物理力学实验资料，煤层饱和抗压强度6.5011.20MPa，平均7.93MPa；孔隙率10.12%，含水率3.60%，软化系数0.68，内聚力0.97MPa，内摩擦角36.05，泊松比0.21，按围岩稳定性划分标准为属若稳定岩组。7) 富县泥岩岩组：主要由泥岩组成，块状、易碎。天然容重2.30 g/cm3，孔隙率8.78%，含水率1.05%，饱和抗压强度21.75MPa，内聚力2.23MPa，内摩擦

17、角39.05，泊松比0.19，按围岩稳定性划分标准为属弱中等稳定岩层。第二章 工程施工技术方案1 设计要点针对井筒特征，冻结方案以“安全第一、防断管、少挖冻土、按期完成”为原则，确保井筒施工安全为目的，方案设计要点如下： (1) 采取主冻结孔加辅助冻结孔的冻结方式，其中主冻结孔采用一次冻全深的施工方式。(2) 采用信息化施工，实时监测冻结壁的发展情况，确保施工安全。 (3) 为了掌握冻结壁温度场及其变化规律，应用OC-1010型计算机测温系统。(4) 根据温度应力场对基岩含水层进行验算，以保证掘进施工的安全。2 冻结方式根据综合成井80m/月的施工速度，为了保证冻结壁的有效厚度，实现井筒尽快开

18、挖。经过对冻结壁形成及井筒掘进速度情况进行动态分析，以井筒掘至各水平时，冻结壁能够保证连续安全掘砌施工为原则，采取主冻结孔加辅助冻结孔的冻结方式。3 冻结深度的确定根据建设单位确定的措施井冻结深度为533m。冻结孔深度确定如下：主冻结孔冻结深度为533m；辅助孔冻结深度为246m。（穿过第四、第三系冲积层，在壁座以上1m处。）4 冻结技术参数的确定根据井筒工程地质条件，冻结参数确定如下：(1) 积极冻结期盐水温度为-30-32，维护冻结期盐水温度为-24-26，盐水比重取1.27。(2) 冻结壁厚度根据小庄矿井基岩段地层的水文工程地质条件，设计中搜集了我单位在陕西小庄矿主、副井等类似地质条件下

19、的冻结施工经验，冻结壁计算采用有限段高公式计算，计算参数及结果见表2-1。表2-1 冻结壁计算参数表序号参数名称单 位参 数1控制层底板埋深m245.982地压值Mpa3.143冻结壁平均温度-104冻土极限抗压强度Mpa5.35冻土允许抗压强度Mpa2.656安全系数27安全掘进段高m2.28冻结壁计算厚度m4.51由于措施井冻结的主要地层为第四系和第三系粘土层及下部白垩系和侏罗系地层，根据计算结果和类似地质条件井筒冻结施工经验，确定冻结壁厚度为4.6m。5 钻孔布置设计钻孔布置参数见表2-2及钻孔平面布置图及剖面图。表2-2 钻孔布置参数表序号项 目单 位参 数1冻结孔布孔圈径主 孔m14

20、.9辅助孔m11.62冻结孔数主 孔个35辅助孔个143冻结孔开孔间距主 孔m1.336(弦长)辅助孔m2.581(弦长)4冻结孔深度主 孔m533辅助孔m2465冻结孔工程量m220996测 温 孔个/m2/533 1/2467水 文 孔个/m1/2428钻孔工程量236536 冻结管结构设计冻结孔均下置1405mm无缝钢管（200m以上），1406mm无缝钢管（200300m），1407mm无缝钢管（300m以下）各类冻结管在250m以上采用内接箍连接方式，250m以下采用外接箍连接。7 测温孔设计为了准确掌握冻结温度场变化情况，设计3个测温孔。测1#孔布置在地下水流上方主孔圈径外侧主面上

21、，距布孔圈径1.2m，孔深为533m；测2#孔布置在主孔终孔孔间距最大处圈径外侧界面上，距布孔圈径1.2m,孔深为533m；测3#孔布置在辅孔终孔孔间距最大处圈径内侧界面上，距布孔圈径0.5m，孔深为246m；测温管采用1085mm无缝钢管，外接箍连接。8 水文孔设计为了准确报导冻结壁交圈情况，根据井检孔资料，设计水文孔1个, 采用1085mm无缝钢管，外接箍连接方式。8.1 水文孔滤水管位置表2-3 水文孔滤水管层位表孔号孔深(m)滤水层位(m)水文孔242236241m8.2 封止水位置水文孔在228233m段进行封止水，封止水材料为海带粘土。9 冻结壁形成预测9.1 主要含水层冻结壁交圈

22、时间控制层主孔最大孔间距按2.2m计算，参考小庄主、副井冻土发展速度，主要含水层冻结壁交圈时间约为48天。9.2 井筒开挖标准 水文孔冒水后证实主要含水层冻结壁已交圈； 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。9.3 井筒开挖时间考虑冻结段冻结壁所需要的厚度和强度，开冻至开挖时间为55天。9.4 冻结壁形成预测表2-4 冻结壁形成预测表冻结时间(d)预计掘进深度(m)地 层掘进直径(m)冻结壁有效厚度(m)6112.6黄土7.653.86743.2粉质粘土7.654.287115粘土7.654.4105180粉质粘土7.654.5112205粘土7.654.6

23、120234粉质粘土7.654.7123245.98卵石层9.34.7 第三章 冻结制冷系统设计1 氨系统设计1) 参数选取 冻结管散热能力：250kcal/ m2h 冷量损失系数：1.152) 井筒需冷量见表3-1。表3-1 井筒冷量计算表项 目单 位参 数冻结管散热能力万kcal/h242.99井筒冻结需冷量万kcal/h279.443) 冷冻机选型及数量设计积极冻结期盐水温度为-30-32，维护冻结期盐水温度为-24-26。冻结站采用新型螺杆压缩机双级压缩制冷，盐水比重取1.27。根据计算，井筒配备机型及数量见表3-2。表3-2 井筒冷冻机配备表项 目单位台 数备注高压机 HLG20DA

24、185台6低压机 HJLG25TA250台6总装机容量万kcal/h1038表3-3 不同冻结时期开机台数冷冻机1140天141255天HLG20DA1851613HJLG25TA25016134) 辅属设备选型经计算辅属设备选型及数量见表3-4。表3-4 辅属设备选型及数量表序号名称型号单位台 数1汽化器LZL-200台112冷凝器EXV-340台73中冷器ZL-8.0台54储液器ZA-5.0台25集油器JY-300台16热虹吸器HZA-3.5台22 盐水系统设计 盐水总循环量：658m3/h（其中主孔冻结器盐水流量为14 m3/h，辅孔冻结器盐水流量为12m3/h）。 供液管选择：选用75

25、6mm聚乙烯塑料供液管。 盐水干管及配集液圈：根据盐水总流量，选用3779mm无缝钢管(一配一集)。 盐水泵选择：选用10Sh-6型盐水泵3台(使用2台，备用1台) (Q=486m3/h H=65.1m N=135KW)3 冷却水系统设计 冷却水总循环量：30m3/h。 新水补充量：15 m3/h。 水泵选型：选用200QJ32-26/2型水泵2台（其中备用1台）(Q=32m3/h H=26m N=4KW)冻结设计参数见表3-5。表3-5 冻结设计技术参数表序号项 目单位参 数1井筒净直径m6.52冻结段最大掘进直径(含壁座)m11.73冲积层厚度m245.984冻结深度m5335冻结壁厚度m

26、4.66最大孔间距主孔245.98m水平m2.2终孔m4.0(向内偏斜0.4m)辅助孔终孔m3.4（向内偏斜0.2m）7冻结孔布置主孔圈 径m14.9孔 数个35开孔间距m1.336(弦长)深 度m533辅助孔圈 径m11.6孔 数个14开孔间距m2.581(弦长)深 度m2468冻结孔工程量m220999水文孔个/m1/24210测温孔个/m2/533 1/24611钻孔工程量m2365312积极冻结期盐水温度-30-3213维护冻结期盐水温度-24-2614开冻至开挖d5515冻结最大需冷量万kcal/h279.4416新水补充量m3/h15第四章 供配电设计1 供电要求及供电方式冻结孔施

27、工和冻结站供电均被列为矿山企业二类负荷，应具有一定的可靠性，只有在特殊情况下才能短时间停电，并且在停电前应通知打钻及冻结站负责人，以便提前做好停电准备工作。供电电压应相对稳定，电压波动值一般不宜超过+5%-10%。根据施工现场情况，冻结孔施工和冻结站临时变电所供电电源采用10KV供电线路。低压设备均采用380伏电压供电。2 供电设计2.1 用电负荷统计冻结孔施工设备总装机容量为1163KW，临时变电所低压0.4KV母线上的计算负荷为679.14KVA 无功补偿后，低压0.4KV母线上的总负荷591.33KVA (打钻设备负荷统计见表4-1)。冻结站设备总装机容量为3329KW，临时变电所低压0.4KV母线上的计算负荷为3388.39KV