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1、培训讲义第一部分 人工冻土的物理力学性质一、冻土的形成过程冻土的形成过程，就是土中水结冰将固体颗粒胶结成整体的物理力学性质发生质变的过程。土中水的冻结过程可以分为五个阶段，即冷却段、过冷段、突变段、冻结段和冻土继续冷却段。1、地下水对冻结的影响土中的水一般可被分为吸附水、薄膜水和自由水。薄膜水与吸附水组成结合水。吸附水的冰点为-186，呈不流动状态，由此可见在常规冻结中，吸附水不会被冻结。薄膜水的冰点低于0，一般在-20-30时会全部冻结，因此，在冻结法施工中，大部分薄膜水会被冻结。自由水存在于土壤或岩石孔隙中，与普通水相同，在一个大气压中其冰点为0，冻结法凿井在中主要冻结的是自由水。粘土的颗

2、粒小且呈片状，其结合水含量最多，砂土次之，粗砂、砾石或裂隙岩层中结合水可以忽略不计。冻土中未冻水的含量对冻土的强度和热物理性质有着很大的影响。2、地下水水质对冻结的影响水中含有一定盐分时，水溶液的结冰温度就会降低。因此，在海边附近进行冻结工程设计时要充分考虑海水对冻结的影响。同时在冻结过程中，要对地沟槽地面的施工质量格外重视，防止盐水进入地层影响冻结效果。3、地下水流速对冻结的影响除砾石层外，地下水流速一般小于5米/每昼夜，这对冻结效果。如果，地下水流速过大，就必须通过加大盐水流量、缩小冻结孔间距、降水等措施来加强冻结效果。如果地下水流速过大使因为周围水井抽水引起的，就必须停止水井抽水。这种情

3、况常伴随着水文孔水位时升时降、盐水温度降温缓慢且温差大、测温孔个别测点不降温等异常现象发生。二、水分迁移与冻涨现象土层冻结时发生水分向冻结面转移的现象，即所谓水分迁移。水结冰时其体积要增大9%，当这种体积膨胀足以引起图颗粒间的相对位移时，就形成冻土的冻涨，并随之产生巨大的冻涨力。水分迁移和冻涨与土性、水补给条件和冻结温度有密切关系。粘性土层较砂性土层的冻结压力大。三、冻土的物理力学性质1、冻土强度冻土强度（包括抗压强度和抗剪强度0 是由冰和土颗粒胶结后形成的粘结力和内摩擦力组成，与冻土的生成环境和过程、外载的大小和特征、温度、土的含水率、含盐量、土性和土颗粒组成等因素有关。冻土的持久强度约为瞬

4、时强度的1/21/2.5。2、影响冻土强度的影响（1）温度对冻土强度的影响冻土的强度随着温度的降低而增大。在0-25的范围内，冻土强度与温度基本上为线性关系。（2）含水率对冻土强度的影响在土的含水率达到饱和含水率前，冻土的强度随着含水率的增加而提高。含水达到饱和后，由于冰的析出，冻土的强度随着含水率的增加而减小。当含水量大饱和含水量后， 冻土的强度和冰就差不多。建井所通过研究发现，大多数试验中瞬时单轴抗压强度的峰值出现含水量为20%处，含水量大于20%，强度又出现逐步下降。20%的含水量基本上是粘土的塑性含水量。（3）土的颗粒组成对冻土强度的影响 土颗粒成分和大小是影响冻土强度的一个重要因素。

5、实验表明；在其他条件下，土颗粒越粗，冻土强度越高，反之越低。这主要是由于不同颗粒成分造成土中所含结合水的差异所引起。（4）荷载作用时间对冻土强度的影响 由于冻土的流变性，冻土的强度随着荷载作用时间的延长而降低。( 5) 冻结速度对冻土强度的影响冻土的形成的快慢速度直接影响着冰的结构。冻结速度快，冻土中细颗粒冰就多，冻土强度就高。反之则相反。因此，积极冻结期的冻结状况对冻结彼得形成有着重要的意义。为此，在开冻后，必须尽量降低盐水温度，这样不仅是冻土温度低提高强度，同时由于冻结速度快而进一步增加其强度。3、冻结设计选用强度数据一定要了解何种试验条件下的数值建井手册给出的冻土强度数值，其试验方法是不

6、与国际接轨的。现在北京建井所是采用了国际地层冻结协会推荐的式样方法。冻土单轴抗压强度试验采用恒应变速率控制加载形式对试样进行轴向加载（加载速率为0.8%/min）,另外，试验试样为61.8150mm圆柱体（并非505050mm正方体）。因此，试验结果与建井手册的瞬时抗压强度不同。采用国际试验试验结果时，将本试验结果乘以（1.71.9）的系数进行换算，作为设计手册中的瞬时抗压强度值。第二部分 冻结工程设计一、冻结工程设计所需要的基本资料1、冻结工程招标文件（或者其他关于本项目的资料）；2、钻孔柱状图；3、井壁结构图；4、检查孔地质报告；5、检查孔冻土力学性能试验报告；6、平面布置图；7、供电方式

7、及电压等级；二、冻结施工方案的设计1、冻结深度的确定 一般的原则，井筒冻结深度应穿过基岩风化带，进入稳定不透水基岩510m（矿山井巷工程施工及验收规范GBJ213-90有明确规定）。2、常用的几种冻结方式 一次冻全深、差异冻结、局部冻结、分期分段冻结3、冻结壁厚度计算 拉麦公式 ：适用于冲积层深度小于150m的情况多姆克公式：E=Ra0.29（P/K）+2.3(P/k)2 适用冲积层深度大于150m的情况下；有限段高公式：E=31/2（1-）Phk/ 用冲积层深度大于150m的情况下；4、 基本参数的确定（1）盐水温度 盐水温度是影响冻结技术经济效果的主要参数。设计层位盐水温度的选取可参考下表

8、： 设计层位的盐水温度参考值冲积层深度（米）100100200200300300盐水设计温度（）井筒净直径6米-18-20-20-25-25-30-30-33井筒净直径6米-20-22-22-27-27-30备注冻结含盐地层和原始温度超过25的地层，应适当降低盐水温度 （2）钻孔偏斜率和终孔间距 在以往冻结工程中，钻孔偏斜率：在冲积层控制在3以内，基岩段控制在5以内。目前，深井冻结工程设计中一般采用偏斜率与靶域半径相结合的控制办法，上部偏斜率控制在2以内，下部靶域半径控制在0.81.2m之间。 ( 3)设计冻结壁平均温度浅井（冲积层埋深200米）冻结壁平均温度一般取-8-12。深井（冲积层埋深

9、200米）冻结壁平均温度可以参考以下：冻结壁厚度在8米以内，设计冻结壁平均温度可在-15-17；冻结壁厚度在911.5米之间，设计冻结壁平均温度可在-17-20；冻结壁厚度在11.513.0米之间，设计冻结壁平均温度可在-20-22；三、冻结孔、水文孔和测温孔的设计1、单圈孔冻结 当井筒冲积层较浅，所需冻结壁厚度不大（冻结壁厚度小于3.03.5米）时可以采用单圈孔冻结。 单圈孔布孔圈径: D=D11.2E2H 考虑到井筒放炮安全距离，布孔圈径一般距离井筒掘进荒径1.41.8米之间。冻结孔开孔间距一般在1.21.3米。 单圈孔冻结的冻结方式可以采取一次冻全深或差异冻结。短腿深度一般穿过冲积层或穿

10、过基岩风化带。2、多圈孔冻结 由于深井冻结工程的增多，目前已有过去的单圈孔冻结发展到双圈孔、三圈孔和多圈孔冻结。多圈孔冻结冻结可参考以下： （1）外圈冻结孔向外发展最大为2.52.8米，一般不会超过3.0米。因此，外圈冻结孔的布孔圈径可以采用以下经验公式： D=Dh2（E0.5）2.5D：外圈孔布孔圈径；DH: 精通最大掘进荒径；E：冻结壁的厚度；（2）主冻结孔一般确定为最外圈或中圈孔，主冻结孔的开孔间距一般在1.3米左右； （3）各圈冻结孔圈径的距离一般情况下2.53.0米之间，最好不要超过3.5米。这是为了有效释放冻土的冻涨力。（4）防片帮冻结孔圈径一般布置在距离井筒上部井帮1.5米左右，

11、开孔间距在2.02.5米，一般在3.0米以内。防片帮冻结深度应确保井筒连续施工，不能出现过防片孔后井帮温度突然升高的现象，同时要考虑井壁变断面位置。建议其深度一般以穿过井壁第一次变断面，控制在第二次变断面之内为宜。3、冻结管规格设计目前，冻结管规格长选用直径为127mm、133mm 、140mm和159mm等几种规格。直径为108mm的冻结管目前已很少再采用。3、水文孔设计水文孔应报道井筒主要含水层，不要将不同的含水层混合报道。如果冲积层最下部的含水层于基岩含水层有水力联系，该含水层不宜报道。一般水文孔设计23个即可。4、测温孔设计单圈孔冻结一般设计2个测温孔，测温孔深度为冻结深度，布置原则一

12、个为水流上方布孔圈径外侧主面上，一个在终孔孔间距最大处外侧界面上，距布孔圈径一般在1.0米；多圈孔冻结一般设计34个测温孔，具体布置要根据井筒冻结方案而定。第三部分 冻结制冷系统设计1 氨系统设计（1）参数选取1）冻结管散热能力：250kcal/ m2h2） 冷量损失系数：1.15（2）冻结管最大散热能力计算QT=3.14dnHKQT：冻结管散热能力，kcal/ m2h；d : 冻结管外径，m；n：冻结管数量，个；H: 冻结管深度，m；3）冷冻站最大需冷量Q=1.15QT2、冷冻机选型及数量3、辅属设备选型4、盐水系统设计（1）盐水浓度的确定 (2) 氯化钙用量计算计算盐水总体积：Vbr=V1

13、V2V3固体氯化钙用量：Gca=1.2gbrVBR(3) 盐水干管及集配液圈选择（4）盐水泵的选型及数量5、冷却水系统设计6、施工工期的确定第四部分 井筒冻结工程实例前 言 南任矿采用立井开拓，由于地质及水文地质条件较复杂，采用普通法施工难以通过，为加快矿井建设速度，甲方确定采用冻结法施工。编制本设计的主要依据是：1、南任矿井冻结工程施工合同；2、主井柱状图；3、矿山井巷工程施工及验收规范（GB213-90）；4、煤矿井巷工程质量检验评定标准（MT5009-94）。由于时间仓促，加之设计所需资料欠缺，设计中难免有不足之处，请有关单位在审定时给予指正。目 录 第一章 概况4 一、矿井概况4 二、

14、地理位置及交通4 第二章 地质及水文地质4 第三章 冻结设计4 一、冻结方案4 二、冻结深度5 三、冻结壁厚度计算5 四、钻孔布置5 第四章 冻结站制冷设计6 一、冷量计算6 二、盐水系统6 三、冷却水系统6 四、氯化钙用量7 第五章 冻结钻孔施工7 一、冻结孔施工主要技术要求7 二、冻结检查孔9 三水文孔.9 四、钻进施工.9 五、冻结孔施工应提交资料.10 第六章 冻结站安装和冻结施工.10 一、冻结站安装.10 二、冻结施工.11 第七章 供配电设计.12第八章 施工工期及劳动组织.15 一、施工工期.15二、劳动组织.16 附：打钻、冻结工程主要设备表 第一章 概况 一、矿井概况 南任

15、矿井采用立井开拓，主井井筒净直径为4.2m，冻结段井壁厚度为0.60m；副井井筒净直径为4.5m，冻结段井壁厚度为0.60m；风井井筒净直径为4.2m，冻结段井壁厚度为0.60m。二、地理位置与交通该矿位于昌邑市卞庄镇境内,有公路相通，交通便利。第二章 地质条件 根据主井柱状图冲积层和基岩.冲积地层累计厚度40.2m,其中粘土类地层累计厚度34.12m,占冲积地层总厚度的84.88%，砂类地层累计厚度6.08m，冲积地层总厚度的15.12%。井筒冻结段穿过的基岩厚度为29.8 m。第三章 冻结设计 一、冻结方式 根据井筒地质特征，为了保证冻结壁的有效厚度过强度，实现井筒尽快开挖，经过对冻结壁形

16、成及井筒掘砌情况进行动态分析，以井筒掘至各水平时，冻结壁能够保证井筒连续安全掘砌为原则，主、副、风井均采用梅花形布孔方式。 二、冻结深度 合同确定主、副、风井冻结深度均为70m，实际冻结深度待每井第一个冻结孔作为冻检孔，取芯核实地层结构后，最终确定冻结深度。 三、冻结壁厚度计算由于地质及水文地质资料较少，根据以往施工经验，冻结壁厚度取：主、风井为0.7m；副井为0.8m(冻结壁平均温度取-10)。 四、钻孔布置(一) 钻孔布置参数见下表。 钻孔布置参数表名 称单 位主 井副 井风 井冻结孔布孔圈径外孔m7.88.17.8内孔m7.07.37.0孔数外孔个141514内孔个141514孔深外孔m

17、707070内孔m424242开孔间距外孔m1.7361.6841.736内孔m1.5581.5181.558内、外孔开孔间距m0.9560.9320.956测温孔m/个70/170/170/1水文孔m/个40/140/140/1（二）钻孔工程量（见下表）钻孔工程量表序号名 称单位主井副井风井1冻结孔m1568168015682测温孔m7070703水文孔m404040合 计m第四章 冻结站制冷设计 一、冷量计算（见下表）冷量计算表项 目单位主井副井风井冻结管散热能力万大卡/小时13.1514.2613.15井筒需冷量万大卡/小时15.1216.4015.12（一） 冻结运转形式及参数冻结站采

18、用单级压缩制冷，积极冻结期盐水温度取-26，维护冻结期盐水温度取-22，盐水比重为1.26。 （三）冷冻机选型经计算，按主、副井顺序作业（副井滞后主井30天），主、副井冻结结束后风井进行冻结。选用YSKF2-20型螺杆冷冻机组1台、YSKF2-16型螺杆冷冻机组2台，冻结站装机标准制冷能力为94万大卡/小时。二、盐水系统1、盐水总循环量 Q主=90m3/h；Q副=100m3/h；Q风=90m3/h 2、主要管路选择 冻结管：选用1085.0mm无缝钢管； 盐水干管及集配液圈：选用1596mm无缝钢管； 供液管：选用605mm聚乙烯塑料供液管； 3、盐水泵：选用10Sh-19型水泵3台(备用1台

19、)。 三、冷却水系统1、冷却水总循环量：300 m3/h2、新水补充量：140m3/h；3、水泵选型：选用10Sh-19型水泵二台（备用一台）。冻结主要参数见“冻结设计主要参数表”。 四、氯化钙用量：31吨冻结设计主要参数表序号项 目单位主井副井风井1井筒净直径m4.24.54.22井壁厚度m0.60.60.64冻结深度m7070705冻结壁平均温度-10-10-106冻结壁厚度m0.70.80.77冻结孔布孔圈径外孔m7.88.17.8内孔m7.07.37.08冻结孔数外孔个141514内孔个1415149开 孔间 距外孔m1.7361.6841.736内孔m1.5581.5181.5581

20、0内、外孔开孔间距m0.9560.9320.95611测温孔m/个70/170/170/112水文孔m/个40/140/140/113钻孔工程量m14井筒需冷量万大卡/h15.1216.4015.1215冻结站总装机容量万大卡/h9416积极期盐水温度-26-26-2617维护期盐水温度-22-22-2218新水补充量m3/h14070第五章 钻孔施工一、冻结孔施工主要技术要求 1、孔位: （1）冻结孔孔位按设计现场定位打桩，施工后进行复测，开孔允许误差，除不得向井心方向位移外，其它方向不得大于50mm。（2）测温孔：布置在外孔孔间距最大处外侧界面上，距冻结孔布孔圈径0.8m处.测温管规格为1

21、084.5mm无缝钢管。（3）水文孔：布置在距井心1.0m处，应躲开井筒主提升线。 2、孔径：使用171mm牙轮钻头钻进，以下置1084.5mm20#低碳无缝钢管。 3、孔深：各类孔必须确保设计深度，不得有负值,不大于设计深度0.5m。4、钻孔偏斜：冻结孔偏斜率控制在3之内,表土层孔间距（内-外孔）不得大于1.2米。终孔间距(外孔)不得大于2.0m。水文孔偏斜率按4控制，各水平落点不得超出井筒净断面。测温孔偏斜率按3控制。 5、下管： 规格：冻结管规格为1084.5mm20#低碳无缝钢管，采用1215.0mm无缝钢管外接箍焊接,要求接箍长度150毫米。 配管：应先清除管内杂物并除锈，然后按各类

22、孔深配管，配管时应对每根管子进行准确丈量、编号和配组，并做好原始记录。 焊接：要求管材、管箍和焊条材质必须相适应，焊接时要求管端要对正，保证轴心一致，每缝焊三遍，必须焊牢，焊缝厚度不低于接箍厚度，不允许有砂眼和裂纹。 冻结管下置长度不得小于设计深度，必须下到孔底，下管结束，终孔测斜，打压合格后密封管口，以防杂物落入管内或泥浆灌入。打压：下管后，对每个冻结管必须进行动压试漏，试验压力为1.5MPa，要求稳压时间30分钟，压力下降不超过0.05MPa，再延续15分钟，其压力保持不变为合格,打压工序必须专人负责，并做好记录。 二、冻结检查孔为核实冻结深度，进一步了解井筒地层情况，每井第一个孔（在地层

23、倾斜下方）作为冻检孔，取芯深度暂定为68-80m，并将岩芯保存完好，检查孔结束后及时提交钻探成果，以便最终确定冻结深度。 三、水文孔每井设计一个水文孔，深均为40米,水文管采用1084.5mm无缝钢管，按规范要求加工滤水管。花管位置:20-40m报导含水层的水位变化情况。成孔下管后，必须认真进行洗孔工作，以确保滤水管的透水效果。水文管连接处必须焊严实。 四、钻进施工 1 、钻孔结构：原则上采用群孔单结构，即171mm牙轮钻头钻进一径到底，以下置1084.5mm冻结管。 2、钻进方法及钻进参数： 钻进方法:全孔采用减压回转钻进，泥浆护壁的钻进方法。3、测斜：钻进中采用陀螺仪测斜, 要求每 20米

24、测斜一次，以指导正常钻进，发现偏斜超限及时纠斜，终孔纠斜处理仍达不到要求的必须补孔，确保钻孔质量。冻结孔每孔成孔下管后绘制冻结孔偏斜总图及不同水平的冻结壁交圈图。 五、冻结孔施工竣工后提交资料 1、冻结孔施工综合成果表； 2、冻结孔测斜成果表及偏斜平面总图； 3、20m、40m、70m水平冻结壁交圈平面图； 4、冻结检查孔柱状图； 5、水文孔施工结构图；6、冻结孔竣工报告。第六章 冻结站安装和冻结施工 一、冻结站安装 1、严格按设计图纸进行安装。 2、所用各种阀门、 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

25、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，材料等物要堆放有序。8、认真执行ISO9002质量体系，搞好工序过程控制，确保施工质量。并在施工中认真做好各种记录。 二、冻结施工 1、设专人进行测温,冻结站开机前要对原始地温、参考井水位、水文孔水位、水温做一普遍检测，做好记录，在积极冻结期间测温工作要每天测一次，所测资料阶段性上报处工程科。 2、冻结器运转初期要检测各孔盐水流量,并观测冻结器结霜情况，确保每个冻结孔畅通。 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

26、围井筒抽水影响半径内的水井一律停止使用，以保证冻结井筒冻结壁按时交圈。 5、井筒开挖初期，应尽量缩小掘进段高和井帮暴露时间，掘进段高不应大于2.0m。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运行。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、冻结施工人员严格按各项规程施工，认真执行ISO9002程序，坚持把好各工序及施工过程质量关，确保冻结工程达到优良标准。8、冻结工程结束后，提交全部施工资料及竣工报告。第七章 供配电设计一、冻结钻孔施工

27、和冻结站施工供电1、供电要求及供电方式据合同约定：甲方提供380V电源至乙方配电室总盘。故使用380V低压作为冻结孔施工配电室和冻结站配电室的电源。 冻结孔施工和冻结站供电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，并且在停电前通知打钻及冻结站负责人，以便提前做好停电工作。供电电压应相对稳定，电压波动值一般不宜超过+5% -10%。2、冻结钻孔施工和冻结站施工供电系统(详见供电系统图)：低压设备均采用380伏单回路供电系统。二、供电设计 1 、用电负荷统计冻结孔打钻工程用电设备装机容量为242KW,低压母线总负荷为167.56KVA(见打钻设备负荷统计表)。进行无功补偿后，低压母线总负荷为121.65KVA。冻结站工程用电设备装机容量为649KW，低压母线总负荷为657.96KVA (见冻结设备负荷统计表)。进行无功补偿后，低压母线总负荷为535.60KVA。2、变压器的选择：据合同约定：打钻、冻结施工由甲方提供两台400KVA变压器供使用。 打钻