煤矿风井冻结施工组织设计

施工组织设计前言1 编制原则1.1 以确保井筒掘砌施工安全为前提，以技术可靠、经济合理为原则进行冻结施工部署，制定施工方案、方法及技术措施；1.2 工程质量达优良标准；1.3 满足业主对总工期的要求；1.4 采用信息监测系统和信息反馈系统指导施工；1.5 采用新技术、新工艺、新设备组织工程施工。

2 编制依据2.1 规范、规程及其他（见表1）表1 规范、规程及其他2.2 招标资料（见表2）表2 招标资料3 质量、工期、安全、文明目标（见表3）表3 质量、工期、安全、文明目标第一章工程概况1 工程概况（见表1-1）表1-1 工程概况2 矿井设计概况（见表1-2）表1-2 矿井设计概况3 井筒地质3.1 地质依据钻孔揭露地层由老至新依次有：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（K1l）、华池组（K1h）及第四、三系地层（Q+N）。

现由老至新分述如下：1．侏罗系①下侏罗统富县组（J1f）岩性为紫杂色泥岩，泥岩呈团块状，质纯、致密、细腻、松软易破碎，具马蹄状断口，见滑面，与下伏地层假整合接触。

②中侏罗统延安组（J2y）岩性以河沼相砂泥岩为主，底部为铝质泥岩、褐灰色泥岩、砂质泥岩及4煤；中部为灰色泥岩、砾岩；上部为中粗粒砂岩，成分以长石、石英为主，均匀层理。

与富县组假整合接触。

③中侏罗统直罗组（J2z）以灰绿色，灰白色砂岩泥岩为主。

底部为灰绿色泥岩，团块状，质纯、致密、较细腻。

与下伏延安组假整合接触。

④中侏罗统安定组（J2a）为棕红色、紫红色砂质泥岩，夹薄层紫灰色、灰绿色细～粗粒砂岩，底部为泥质粉砂岩，水平层理。

本组地层以干旱气侯平原洪积相沉积为主。

与中侏罗统直罗组假整合接触。

2、白垩系①下白垩统宜君组（K1y）岩性为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30～50mm，最大150mm以上，次棱角-次圆状，分选差，基底式或孔隙式胶结，致密坚硬。

与下侏罗统安定组假整合接触。

②下白垩统洛河组（K1l）岩性为紫红色、棕红色细～粗粒长石石英砂岩，中夹2层中厚层状杂色粗砾岩层。

孔隙式胶结，致密坚硬，为河流相沉积。

③下白垩统华池组（K1h）岩性为紫褐色、褐灰色泥岩，细腻致密，较均匀。

3、第四系及第三系（Q+N）包括第四系中更新统离石黄土和上更新统马兰黄土。

马兰黄土以粉土为主，疏松、具大孔隙，垂直节理发育，透水性好。

离石黄土为亚粘土与古土壤互层，上部结构疏松，具孔隙，含不规则钙质结核；下部致密，孔隙少而小，夹多层钙质结核。

包括第三系红土及第四系下更新统午城黄土。

接近底部有近4m厚的卵石层，松散，粒径一般25～80mm.最大200mm，成份以石英岩、变质岩、灰岩为主。

3.2 构造彬长矿区位于鄂尔多斯盆地南部的彬县—黄陵坳褶带。

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。

本次施工的井筒位置位于庙-彬凹陷内,七里铺-西坡背斜的南翼。

倾角1～4º，岩层较为平缓。

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 1.2～6米的小断层。

3号检查孔附近没有发现断层，属岩层平缓、简单构造类型。

4 水文地质4.1 含水层划分（见表1-3）表1-3 含水层划分表从井筒各含水层段涌水量结果来看，第四、三系含水层的富水性弱—中等，洛河组含水层富水性强，延安组含水层富水性较强—强。

因此建议在井筒施工过程中，应继续观测各含水层的坑口涌水量，如果较大时，根据需要可进行地表疏排水及预注浆工程或采用冻结法施工。

第四、三系含水层水质类型HCO3-Na型，矿化度846.53mg/L；洛河组含水层水质类型SO4•HCO3-Na型，矿化度1179.64mg/L；延安组含水层水质类型型SO4•Cl-Na型，矿化度3178.13mg/L。

4.2 井筒涌水量（见表1-4）表1-4 井筒涌水量计算结果一览表5 工程特点5.1 地质特点5.1.1 岩层均为软岩，强度低，不稳定～弱稳定；5.1.2 岩层遇水易软化甚至溶解、强度亦会大幅度降低；5.1.3 自上而下岩层强度及稳定性呈上升趋势。

5.2 水文地质特点含水层数量较多，井筒涌水量较大。

5.3 解决井筒施工问题的关键封水——冻结封水是最佳选择。

第二章冻结方案设计1 设计原则1.1 方案安全可靠、工期科学合理，能确保本工程达到煤矿井巷工程优良质量标准。

1.2 针对本工程的特殊性，做到技术可靠，经济合理，可控性好、可操作性强、关键点清晰、预防及应急措施齐全可靠。

2 设计思路2.1 冻结壁设计冻结壁厚度及强度的大小，直接影响井筒掘砌的安全，同时也是其他冻结参数设计的基础。

结合相关施工经验及本工程的特点，冻结壁的设计采用解析计算与工程施工类比相结合的方法综合确定。

2.2 冻结孔布置设计以满足冻结壁设计的温度场要求和力学模型要求为原则，并结合工期、工艺要求布置冻结孔。

3 冻结深度设计设计井筒全深冻结。

结合冻结施工规范等要求，冻结深度比井筒深度深10m，进入泥岩。

从自然地坪算起风井冻深620m。

4 设计内容4.1 冻结壁设计4.1.1 冻结壁厚度设计⑴冻结壁设计基本参数风井筒设计净直径7.5m，最大掘进荒直径9.6m；积极冻结期盐水温度： t y=-28～-30℃；设计控制层冻结壁平均温度：-8℃⑵冻结壁厚度设计之地层条件优、劣（与表土层比）分析（见表2-1）。

表2-1 地层条件优劣分析表4.1.2 冻结壁厚度设计计算公式的选择不同的设计理念会选择不同的计算公式，而不同的计算公式所计算出的结果相差较大。

合理的计算公式决定冻结壁厚度是否是安全和经济的有机统一。

我方在认真参照孟村地质及水文地质资料、摸清工程特点的基础上，并组织专家组论证后确定选用维亚洛夫——扎列茨基公式（有限长极限强度理论公式）计算冻结壁厚度。

维亚洛夫——扎列茨基公式：()[]δξPh KE -=1[]1.15 MP MP P 风=K K a mh a mE 安全系数—冻土允许抗压强度—掘砌段高—地压—固约系数—冻结壁计算厚度—δξ4.1.3 冻结壁设计控制层位的选择近25m 厚的煤层其饱和抗压强度和内摩擦角相对最小，同时靠近井筒底部，是井筒施工中的最薄弱环节。

因此，本方案确定将该煤层作为冻结壁设计控制层。

4.1.4 冻结壁围压P 的确定根据岩土力学理论及国外冻结设计经验，冻结壁围压应由水和悬浮土压两部分组成。

岩层的平均天然容重＜2.5g/cm 3，取其平均湿容重2.6 g/cm 3。

煤层底板深540m 左右。

煤层内摩擦角36°，其侧压力系数=tg 2（45°- 36°/2）=0.21，则：P=1.0×5.4+（1.6×5.4 ）×0.21=7.21Mpa 。

4.1.5 掘砌段高h 的确定较大一些段高有利于提高掘进速度，但亦非越大越好。

对本工程而言，掘进段高在3.5m ～3.8m 较为合适,因此风井选取h=4.0m 进行冻结壁厚度的计算。

4.1.6 冻结壁平均强度的选取地层被冻结-8℃条件下其强度一般大于其天然强度，借鉴国外冻结试验资料（见表2-2），与饱和抗压强度相比，这里取其冻结-8℃时强度提高系数为1.5。

表2-2 加拿大设计一个冻深700米的井筒岩石不同温度下的抗压强度煤层的饱和抗压强度6.5MPa，则-8℃时其抗压强度为6.5×1.5=9.75 MPa。

安全系数取1.4，δ=9.75÷1.4=6.96MPa4.1.7 固约系数的确定当一端固定、另一端不固定时ξ=0；两端都固定时ξ=0.5。

这里选取ξ=0.2。

4.1.8 冻结壁厚度计算结果E=3.8m根据计算结果，综合考虑井筒开挖荒径的大小，开挖前冻结时间要求及开挖速度要求，并结合我公司胡家河主副井的冻结施工经验，确定孟村风井冻结壁厚度如下:E风=4.0m4.2 冻结孔设计4.2.1 冻结孔布置直径计算D=D0+1.1E+2A则：D=15.0。

风4.2.2 冻结孔布置风井开孔间距取1.345m，开孔个数35个。

4.2.3防片帮孔布置依据胡家河矿井主、副、风三井冻结施工经验，特布置上部防片帮孔。

4.2.4钻孔质量控制冻结钻孔偏斜：防片帮孔：内外偏值≤0.3m；主排孔：内偏值≤0.7m，外偏值≤1.5m，终孔间距≤3.5m。

表2-3孟村煤矿井筒冻结方案参数表4.3 冻结时间估算4.3.1 冻结壁交圈冒水时间估算及开挖前冻结时间的确定设计水文孔报导范围的最大相临孔间距 2.3m，含水层冻结发展速度25mm/d。

则水文孔冒水时间为：t0=2.3÷（0.025×2）=46d根据冒水前冻结时间、相关规范的要求，确定井筒开挖前冻结时间为：T1 =53d；设计开挖后冻结时间为：风井250天。

第三章关键部位优化施工设计本工程基本为遇水软化的全软岩地层，这与深厚第三、四系地层和深厚基岩层有着显著的甚至本质上的差异。

依据胡家河主、副、风井施工经验，就本工程而言，除了根据施工经验解决好一些常规的细节问题以外，还必须解决好以下几个细节问题，因为这些细节对以往冻结井而言是无关紧要的，但对本工程却是非常关键的。

1 钻孔施工防塌孔缩径1.1.钻孔施工严禁清水钻进，必须采用大比重优质化学泥浆护壁，以防止砂岩溶解塌孔、避免多含水层之间串水而扰动原始地层和减少缩径量，从而有利于提高钻进速度和钻孔质量（垂直度）。

1.2.钻孔时，用大钻头开孔，上部下套管固孔，防止塌孔及上部碎石脱落引起卡钻等事故，为下部钻孔施工提供便利条件，整体上提高钻孔质量和缩短钻孔工期。

2增设防片帮孔防片帮孔在施工中可起到对上部回填层和松散层的注浆充填效果，同时有效防止上部片帮。

3 选用大管径冻结管采用Ф140mm冻结管，加大盐水流量，可进一步加快冻土发展速度，保证冻结壁的强度和厚度；井筒采用爆破掘进，一旦冻结管被破坏，Ф140mm管内可以下套管继续维持冻结。

4 适当放大开孔间距本区由于钻孔施工速度缓慢，适当放大冻结孔开孔间距，并减小布置圈径，减少冻结孔数，可缩短钻孔工期，而对冻结交圈时间影响较小，从而缩短了总工期。

5 严控内偏在冻结孔施工中，煤层顶、底板20m范围内严格控制冻结孔的内偏，适当外偏，以进一步确保冻结圈外冻土的延伸发展，保证顺利过煤层。

6 合理布置冻结圈径冻结孔距离荒径在2.7m以上，在确保冻结壁厚度的同时，有利于混凝土井壁的养护。

7 水泥浆置换泥浆钻孔成孔后、冻结管下放前，需用水泥浆（加缓凝剂）置换泥浆、可使过巷道及相关硐室的冻结管在巷道硐室上下50m范围内与孔壁之间得以充分充填。

8 冻结管穿过马头门等硐室的处理对穿过硐室的冻结管如不加以有效处理，解冻后冻结管在自重作用下对硐室结构极为不利。