新风井双圈冻结施工方案优化设计
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摘要：东庞矿新风井穿过多个含水层，地下水流速超过5m/天。针对矿井所处邯邢地区地下水流速大的情况，设计根据地层特性，通过分析辅助孔间距确定荒径距离、冻结时间等诸多因素，采用“主排孔+防片帮孔”双圈冻结方式，加密钻孔，提高供冷能力，抵抗地下水流对冻结的影响，施工井筒。冻结工期共计200天，其中冻结孔施工50天，沟槽按照10天，开机至试挖60天，试挖到穿过最下部黏土层80天。项目总造价（含特凿措施费）1378.2万元。
关键词：主排孔；防片帮孔；双圈冻结方式；强化冻结施工
1工程背景
东庞矿规划的新风井需穿过多个含水层，其中：松散岩类孔隙水（第四系砂、卵砾石含水层）层位稳定，地层总厚度144.20m，静水位埋深29.92m，最小降深4.44m，最大降深13.20m，涌水量0.956-1.761L/s，单位涌水量0.1334～0.2158L/（s·m），渗透系数0.0997-0.1278m/d，富水性中等；2煤以上基岩段碎屑岩类孔隙裂隙水含水层，静水位埋深45.43m，动水位埋深104.29m，水位降深58.86m，涌水量0.483L/s，单位涌水量0.0082L/（s·m），渗透系数0.0512m/d，富水性弱。地下水流速较大，超过5m/天。第四系底部砾石含水层段井筒预计涌水量1209m3/d，2煤底板下基岩段含水层层段井筒涌水量预测1057.54m3/d。含水层多、地下水流速大等地质特性为东庞矿新风井的建设造成了极大困难。采用有针对性的冻结方式，确定合理的冻结施工参数，是本文设计的关键。
2井筒设计概况
井筒直径7m，深度674.1m，表土段采用双层钢筋混凝土塑料夹层复合井壁结构，采用冻结法施工，基岩段采用普通法施工。由于壁基由下部围岩的承载力和侧面围岩与壁座外缘混凝土的粘结力来承载，须选择合适的层位来承托上部井壁重量[1]。要求冻结段井壁生根壁座或筒形壁座深度，应设在稳定性和封水性较好的岩层中。根据岩性确定壁座底所处位置位于垂深178m处，即最大掘砌深度为178m。该位置是设置壁基的较好位置：壁基设置在粗粒砂岩、粉砂岩中，其底部为粉砂岩、中粒砂岩、泥岩。不同段高的混凝土强度等级、内外壁厚度、钢筋等参数见表1。
3井筒冻结方案
3.1井筒冻结方案
方案采用双圈孔“主排孔+辅排（内）孔（防片帮孔）”冻结方案：主排孔保证冻结壁厚度、平均温度达到设计要求和保证冻结壁按时交圈作用；防片帮孔起到防止掘进时片帮的作用[2]，同时加强井帮上部地层冻结、缩短交圈时间，为提前开挖创造条件，还能灵活调节地层冷量分配，既可节约冻结需冷量，又防止因深部防片帮孔距井帮太近而发生断管，实现在保证施工安全的同时最大限度减少冻土进入掘进断面厚度，加快掘进速度。
3.2井筒冻结参数
3.2.1地压值。取砂砾层上部的砂质黏土层作为控制层位，P=1.794MPa。3.2.2冻结技术参数。①积极冻结期盐水温度：-24～-27℃。②井帮温度（控制层）：Tn=-4℃～-8℃。③有效冻结壁温度（控制层）：tc=-5℃～-8℃。④按深度理论计算最大孔间距。表土段最大孔间距Lc=1.812m；基岩孔底最大孔间距Ly=2.052m。⑤冻结孔允许偏值。冲积层最大孔底间距≤1.812m，基岩层最大孔底间距≤2.052m。⑥冻土瞬时极限抗压强度：10MPa。⑦冻结壁厚度。新回风井冲积层厚度大于120m且小于400m，适用多姆克公式，将冻结壁看作无限长的弹塑性厚壁筒，按第三强度理论计算[3]。（1）计算冻结壁厚度为2.38m，根据计算结果和类似地质条件井筒冻结施工案例，确定冻结壁厚为2.6m。⑧冻结壁平均温度。1）单排孔冻结壁平均温度计算公式（成冰公式）（2）2）冻结壁平均温度tc=toc+0.25tn（3）计算tc=－7.646℃，根据计算结果和目前国内已施工同类型深厚表土冻结井实际冻结情况，控制层冻结壁平均温度tc=-8℃。⑨冻结深度。1）《煤矿井巷工程施工规范》（GB50511-2010）第5.2.2条：立井井筒的冻结深度，应根据底层埋藏条件及井筒掘砌深度确定，并应深入稳定的不透水基岩10m以上。基岩段涌水量较大时，应延长冻结深度。辅助冻结孔深度应穿过冲积层深入基岩风化带5m以上；第5.2.26条：主冻结孔设计深度应深于冻结段井筒的掘砌深度，根据规定冲积层厚度在≤200m时，应比井筒掘砌深度深7m[4]。2）《矿山立井冻结法施工及质量验收标准》（GB/T51277-2018）第4.4.1条：井筒冻结深度应穿过冲积层、风氧化带深至稳定基岩10m以上[5]。3）《煤矿冻结法开凿立井工程技术规范》（MT/T1124-2011）9.2.1条、9.5.1条规定：冻结段最深的掘砌（进）位置必须浅于冻结深度5~8m[6]。4）《煤矿安全规程》第四十五条：采用冻结法开凿立井井筒时，应当遵守下列规定：冻结深度应当穿过风化带延深至稳定的基岩10m以上。基岩段涌水较大时，应当加深冻结深度[7]。综合上述因素，确定主冻结孔冻结深度为190m，防片帮孔深度为154m。⑩冻结孔圈径。表土段冻结圈径D表土=13.002m。11冻结孔数。主冻结孔圈径13.002m，主排冻结孔33个，开孔间距1.236m；防片帮冻结孔圈径11.306m，防片帮孔17个，开孔间距2.077m。冻结孔合计50个。12冻结管。冻结管采用φ140×5mm、20#优质低碳钢无缝管，外管箍焊接连接，主冻结管、防片帮长度分别为190、154m。管箍采用φ152×5mm、20#优质低碳钢无缝管制作，每个长度150mm。底隔板选用10mm钢板加工，底锥采用8mm钢板压制。供液管采用聚乙稀塑料软管，内直径75×6mm。13测温孔布置。1#、2#、3#测温孔深度均为190m，测温孔1布置在水流上方冻结孔外侧主面上；测温孔2布置在水流下方冻结孔外侧较大界面上；测温孔3布置在冻结孔最大间距处（具体位置应根据实际施工中偏斜情况确定）。测温孔均布置在离主冻结圈径外侧1.5m处。测温孔采用φ127×5mm优质低碳钢无缝管。14水文孔布置。1#水文孔深度22m，2#水文孔深度144m。隔水地层设置海带止水段。水文管规格：φ108×4.5mm优质低碳钢无缝管，外管箍连接。15冻结壁交圈时间。冻结壁交圈时间估算为T1=52天。
3.3冻结制冷系统设计
3.3.1冻结管吸热能力冻结管吸热能力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设备选择井筒冻结需冷量4.721×106kJ/h，制冷设备拟选用LG25L20SY型螺杆制冷机，其-28℃时制冷量2.035×106kJ/h，根据计算配备该制冷机3台，总标准制冷量21.798×106kJ/h。附属设备根据冷冻机附属设备型号及数量见表2。3.3.3盐水系统设计冻结孔盐水总流量460.3m3/h，计算冻结孔单孔流量9.2m3/h。3.3.4供液管规格供液管选用内直径选用75mm，壁厚6mm的塑料管。3.3.5盐水干管及集、配液管规格选用φ325mm×8mm作为盐水干管及配、集液圈。3.3.6盐水循环系统参数及设计①盐水泵扬程计算取值见表3。②盐水供液管扬程计算取值见表4。③冻结管环状空间扬程计算取值见表5。④盐水循环系统设计。盐水泵扬程为16.946m，冻结需循环盐水量500m3/h，泵循环扬程16.946m。选用12sh-9A型水泵为盐水泵，标称流量720m3/h，水泵有效流量518.4m3/h，扬程49m。制冷站选用12sh-9A型水泵2台，盐水泵循环压力0.214MPa。3.3.7氯化钙溶液配置氯化钙溶液采用74%氯化钙和水配制，见表6。3.3.8冷却水系统设计①冷冻站冷却水用量：制冷站内3台螺杆制冷机，最大消耗水量45m3/h（单台耗水量15m3/h）。②清水泵：IS150-125-315型清水泵3台。③冷却塔：NBL-250T型冷却塔3台。④冻结主要消耗材料明细见表7。3.3.9风井冻结工程参数表新风井冻结工程参数见表8。3.3.10风井冻结孔平面布置风井冻结孔平面布置见图1。
4结束语
东庞矿新风井穿过多个含水层，地下水流速超过5m/天。设计采取强化冻结措施，即根据地层特性，通过分析辅助孔间距确定荒径距离、冻结时间等诸多因素，针对邯邢地区地下水流速大的情况，采用加密钻孔，提高供冷能力，抵抗地下水流对冻结的影响等非正常地层冻结措施，采用“主排孔+防片帮孔”双圈冻结方式，主排孔深190m，防片帮孔深154m。冻结工期共计200天，其中冻结孔施工50天，沟槽按照10天，开机至试挖60天，试挖到穿过最下部黏土层80天。工程项目总造价（含特凿措施费）1378.2万元。本文通过探讨冻结法施工与最深掘砌深度的关系，确定壁基层位，对类似条件下井壁结构设计可供参考。
作者:安勇烨 单位:煤炭工业石家庄设计研究院有限公司