井雙圈凍結(jié)施工方案優(yōu)化設(shè)計淺析
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摘要：東龐礦新風(fēng)井穿過多個含水層，地下水流速超過5m/天。針對礦井所處邯邢地區(qū)地下水流速大的情況，設(shè)計根據(jù)地層特性，通過分析輔助孔間距確定荒徑距離、凍結(jié)時間等諸多因素，采用“主排孔+防片幫孔”雙圈凍結(jié)方式，加密鉆孔，提高供冷能力，抵抗地下水流對凍結(jié)的影響，施工井筒。凍結(jié)工期共計200天，其中凍結(jié)孔施工50天，溝槽按照10天，開機(jī)至試挖60天，試挖到穿過最下部黏土層80天。項目總造價（含特鑿措施費(fèi)）1378.2萬元。
關(guān)鍵詞：主排孔；防片幫孔；雙圈凍結(jié)方式；強(qiáng)化凍結(jié)施工
1工程背景
東龐礦規(guī)劃的新風(fēng)井需穿過多個含水層，其中：松散巖類孔隙水（第四系砂、卵礫石含水層）層位穩(wěn)定，地層總厚度144.20m，靜水位埋深29.92m，最小降深4.44m，最大降深13.20m，涌水量0.956-1.761L/s，單位涌水量0.1334～0.2158L/（s·m），滲透系數(shù)0.0997-0.1278m/d，富水性中等；2煤以上基巖段碎屑巖類孔隙裂隙水含水層，靜水位埋深45.43m，動水位埋深104.29m，水位降深58.86m，涌水量0.483L/s，單位涌水量0.0082L/（s·m），滲透系數(shù)0.0512m/d，富水性弱。地下水流速較大，超過5m/天。第四系底部礫石含水層段井筒預(yù)計涌水量1209m3/d，2煤底板下基巖段含水層層段井筒涌水量預(yù)測1057.54m3/d。含水層多、地下水流速大等地質(zhì)特性為東龐礦新風(fēng)井的建設(shè)造成了極大困難。采用有針對性的凍結(jié)方式，確定合理的凍結(jié)施工參數(shù)，是本文設(shè)計的關(guān)鍵。
2井筒設(shè)計概況
井筒直徑7m，深度674.1m，表土段采用雙層鋼筋混凝土塑料夾層復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)，采用凍結(jié)法施工，基巖段采用普通法施工。由于壁基由下部圍巖的承載力和側(cè)面圍巖與壁座外緣混凝土的粘結(jié)力來承載，須選擇合適的層位來承托上部井壁重量[1]。要求凍結(jié)段井壁生根壁座或筒形壁座深度，應(yīng)設(shè)在穩(wěn)定性和封水性較好的巖層中。根據(jù)巖性確定壁座底所處位置位于垂深178m處，即最大掘砌深度為178m。該位置是設(shè)置壁基的較好位置：壁基設(shè)置在粗粒砂巖、粉砂巖中，其底部為粉砂巖、中粒砂巖、泥巖。不同段高的混凝土強(qiáng)度等級、內(nèi)外壁厚度、鋼筋等參數(shù)見表1。
3井筒凍結(jié)方案
3.1井筒凍結(jié)方案
方案采用雙圈孔“主排孔+輔排（內(nèi)）孔（防片幫孔）”凍結(jié)方案：主排孔保證凍結(jié)壁厚度、平均溫度達(dá)到設(shè)計要求和保證凍結(jié)壁按時交圈作用；防片幫孔起到防止掘進(jìn)時片幫的作用[2]，同時加強(qiáng)井幫上部地層凍結(jié)、縮短交圈時間，為提前開挖創(chuàng)造條件，還能靈活調(diào)節(jié)地層冷量分配，既可節(jié)約凍結(jié)需冷量，又防止因深部防片幫孔距井幫太近而發(fā)生斷管，實現(xiàn)在保證施工安全的同時最大限度減少凍土進(jìn)入掘進(jìn)斷面厚度，加快掘進(jìn)速度。
3.2井筒凍結(jié)參數(shù)
3.2.1地壓值。取砂礫層上部的砂質(zhì)黏土層作為控制層位，P=1.794MPa。3.2.2凍結(jié)技術(shù)參數(shù)。①積極凍結(jié)期鹽水溫度：-24～-27℃。②井幫溫度（控制層）：Tn=-4℃～-8℃。③有效凍結(jié)壁溫度（控制層）：tc=-5℃～-8℃。④按深度理論計算最大孔間距。表土段最大孔間距Lc=1.812m；基巖孔底最大孔間距Ly=2.052m。⑤凍結(jié)孔允許偏值。沖積層最大孔底間距≤1.812m，基巖層最大孔底間距≤2.052m。⑥凍土瞬時極限抗壓強(qiáng)度：10MPa。⑦凍結(jié)壁厚度。新回風(fēng)井沖積層厚度大于120m且小于400m，適用多姆克公式，將凍結(jié)壁看作無限長的彈塑性厚壁筒，按第三強(qiáng)度理論計算[3]。（1）計算凍結(jié)壁厚度為2.38m，根據(jù)計算結(jié)果和類似地質(zhì)條件井筒凍結(jié)施工案例，確定凍結(jié)壁厚為2.6m。⑧凍結(jié)壁平均溫度。1）單排孔凍結(jié)壁平均溫度計算公式（成冰公式）（2）2）凍結(jié)壁平均溫度tc=toc+0.25tn（3）計算tc=－7.646℃，根據(jù)計算結(jié)果和目前國內(nèi)已施工同類型深厚表土凍結(jié)井實際凍結(jié)情況，控制層凍結(jié)壁平均溫度tc=-8℃。⑨凍結(jié)深度。1）《煤礦井巷工程施工規(guī)范》（GB50511-2010）第5.2.2條：立井井筒的凍結(jié)深度，應(yīng)根據(jù)底層埋藏條件及井筒掘砌深度確定，并應(yīng)深入穩(wěn)定的不透水基巖10m以上?；鶐r段涌水量較大時，應(yīng)延長凍結(jié)深度。輔助凍結(jié)孔深度應(yīng)穿過沖積層深入基巖風(fēng)化帶5m以上；第5.2.26條：主凍結(jié)孔設(shè)計深度應(yīng)深于凍結(jié)段井筒的掘砌深度，根據(jù)規(guī)定沖積層厚度在≤200m時，應(yīng)比井筒掘砌深度深7m[4]。2）《礦山立井凍結(jié)法施工及質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51277-2018）第4.4.1條：井筒凍結(jié)深度應(yīng)穿過沖積層、風(fēng)氧化帶深至穩(wěn)定基巖10m以上[5]。3）《煤礦凍結(jié)法開鑿立井工程技術(shù)規(guī)范》（MT/T1124-2011）9.2.1條、9.5.1條規(guī)定：凍結(jié)段最深的掘砌（進(jìn)）位置必須淺于凍結(jié)深度5~8m[6]。4）《煤礦安全規(guī)程》第四十五條：采用凍結(jié)法開鑿立井井筒時，應(yīng)當(dāng)遵守下列規(guī)定：凍結(jié)深度應(yīng)當(dāng)穿過風(fēng)化帶延深至穩(wěn)定的基巖10m以上。基巖段涌水較大時，應(yīng)當(dāng)加深凍結(jié)深度[7]。綜合上述因素，確定主凍結(jié)孔凍結(jié)深度為190m，防片幫孔深度為154m。⑩凍結(jié)孔圈徑。表土段凍結(jié)圈徑D表土=13.002m。11凍結(jié)孔數(shù)。主凍結(jié)孔圈徑13.002m，主排凍結(jié)孔33個，開孔間距1.236m；防片幫凍結(jié)孔圈徑11.306m，防片幫孔17個，開孔間距2.077m。凍結(jié)孔合計50個。12凍結(jié)管。凍結(jié)管采用φ140×5mm、20#優(yōu)質(zhì)低碳鋼無縫管，外管箍焊接連接，主凍結(jié)管、防片幫長度分別為190、154m。管箍采用φ152×5mm、20#優(yōu)質(zhì)低碳鋼無縫管制作，每個長度150mm。底隔板選用10mm鋼板加工，底錐采用8mm鋼板壓制。供液管采用聚乙稀塑料軟管，內(nèi)直徑75×6mm。13測溫孔布置。1#、2#、3#測溫孔深度均為190m，測溫孔1布置在水流上方凍結(jié)孔外側(cè)主面上；測溫孔2布置在水流下方凍結(jié)孔外側(cè)較大界面上；測溫孔3布置在凍結(jié)孔最大間距處（具體位置應(yīng)根據(jù)實際施工中偏斜情況確定）。測溫孔均布置在離主凍結(jié)圈徑外側(cè)1.5m處。測溫孔采用φ127×5mm優(yōu)質(zhì)低碳鋼無縫管。14水文孔布置。1#水文孔深度22m，2#水文孔深度144m。隔水地層設(shè)置海帶止水段。水文管規(guī)格：φ108×4.5mm優(yōu)質(zhì)低碳鋼無縫管，外管箍連接。15凍結(jié)壁交圈時間。凍結(jié)壁交圈時間估算為T1=52天。
3.3凍結(jié)制冷系統(tǒng)設(shè)計
3.3.1凍結(jié)管吸熱能力凍結(jié)管吸熱能力QT=4.105×106kJ/h。制冷站能力Q′=4.721×106kJ/h。3.3.2制冷站需冷量及制冷設(shè)備選擇井筒凍結(jié)需冷量4.721×106kJ/h，制冷設(shè)備擬選用LG25L20SY型螺桿制冷機(jī)，其-28℃時制冷量2.035×106kJ/h，根據(jù)計算配備該制冷機(jī)3臺，總標(biāo)準(zhǔn)制冷量21.798×106kJ/h。附屬設(shè)備根據(jù)冷凍機(jī)附屬設(shè)備型號及數(shù)量見表2。3.3.3鹽水系統(tǒng)設(shè)計凍結(jié)孔鹽水總流量460.3m3/h，計算凍結(jié)孔單孔流量9.2m3/h。3.3.4供液管規(guī)格供液管選用內(nèi)直徑選用75mm，壁厚6mm的塑料管。3.3.5鹽水干管及集、配液管規(guī)格選用φ325mm×8mm作為鹽水干管及配、集液圈。3.3.6鹽水循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)及設(shè)計①鹽水泵揚(yáng)程計算取值見表3。②鹽水供液管揚(yáng)程計算取值見表4。③凍結(jié)管環(huán)狀空間揚(yáng)程計算取值見表5。鹽水泵揚(yáng)程為16.946m，凍結(jié)需循環(huán)鹽水量500m3/h，泵循環(huán)揚(yáng)程16.946m。選用12sh-9A型水泵為鹽水泵，標(biāo)稱流量720m3/h，水泵有效流量518.4m3/h，揚(yáng)程49m。制冷站選用12sh-9A型水泵2臺，鹽水泵循環(huán)壓力0.214MPa。3.3.7氯化鈣溶液配置氯化鈣溶液采用74%氯化鈣和水配制，見表6。3.3.8冷卻水系統(tǒng)設(shè)計①冷凍站冷卻水用量：制冷站內(nèi)3臺螺桿制冷機(jī)，最大消耗水量45m3/h（單臺耗水量15m3/h）。②清水泵：IS150-125-315型清水泵3臺。③冷卻塔：NBL-250T型冷卻塔3臺。④凍結(jié)主要消耗材料明細(xì)見表7。3.3.9風(fēng)井凍結(jié)工程參數(shù)表新風(fēng)井凍結(jié)工程參數(shù)見表8。3.3.10風(fēng)井凍結(jié)孔平面布置風(fēng)井凍結(jié)孔平面布置見圖1。
4結(jié)束語
東龐礦新風(fēng)井穿過多個含水層，地下水流速超過5m/天。設(shè)計采取強(qiáng)化凍結(jié)措施，即根據(jù)地層特性，通過分析輔助孔間距確定荒徑距離、凍結(jié)時間等諸多因素，針對邯邢地區(qū)地下水流速大的情況，采用加密鉆孔，提高供冷能力，抵抗地下水流對凍結(jié)的影響等非正常地層凍結(jié)措施，采用“主排孔+防片幫孔”雙圈凍結(jié)方式，主排孔深190m，防片幫孔深154m。凍結(jié)工期共計200天，其中凍結(jié)孔施工50天，溝槽按照10天，開機(jī)至試挖60天，試挖到穿過最下部黏土層80天。工程項目總造價（含特鑿措施費(fèi)）1378.2萬元。本文通過探討凍結(jié)法施工與最深掘砌深度的關(guān)系，確定壁基層位，對類似條件下井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計可供參考。
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[7]煤礦安全規(guī)程[S].北京：應(yīng)急管理出版社，2022.
作者:安勇燁 單位:煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計研究院有限公司