论文部分内容阅读
摘要：文章说明了巴彦高勒井田冻结施工的设计原则、思路与冻结深度，研究了冻结壁设计、冻结孔设计、冻结时间估算等设计技术问题。
关键词：冻结壁；冻结孔；冻结时间
Bayan gol mine to freeze construction design
Songbo
Abstract: This paper describes the construction of Bayan-gol Ida frozen design principles, ideas and freezing depth study of the freeze wall design, freezing hole design, design techniques such as freezing time estimation problem.
Keywords: frozen wall; freezing hole; freezing time
巴彦高勒井田位于呼吉尔特勘查区的南部，向西南距乌审旗政府所在地达布察克镇约12km，行政区划属鄂尔多斯市乌审旗呼吉尔特乡和图克镇管辖。巴彦高勒矿井的设计生产能力为4.00--10.00Mt/a。工程地质特点为主立井表土厚109.17m；岩层均为软岩，强度低，不稳定～弱稳定；岩层在无水条件下自稳性较好、强度较高，但遇水易软化甚至溶解、强度亦会大幅度降低；水文地质特点为含水层的富水性弱。由于没有较好的隔水层，所以与上、下部含水层均有一定的水力联系。
一、设计原则、思路与冻结深度
设计原则要求方案安全可靠、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。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。
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。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、工艺要求及该地区立井（尤其是姆杜柴登矿井）冻结施工经验和教训布置冻结孔。
冻结深度设计井筒全深冻结，冻深596m。
二、冻结壁设计
1、冻结壁厚度设计
主立井井筒设计净直径Ф8.2m，最大掘进荒直径12.8m；积极冻结期盐水温度： ty=-28～-30℃；设计控制层冻结壁平均温度：-8℃。
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。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。
3、冻结壁设计控制层位的选择
该井冻结应主要以封水为主，故以最底部含水层位置为控制层为，即主立井以582.1m粗粒砂岩作为冻结壁设计控制层。
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/cm3，取其平均湿容重2.6 g/cm3。主立井控制层底板深582.1m左右。
根据经验，摩擦系数f取值为：砾岩、粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩采用0.4，粉砂岩、泥岩采用0.3。计算结果主立井：P=1.0×5.821+（1.45×5.821）×0.4=9.20Mpa
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,因此这里选取h=3.5m进行冻结壁厚度的计算。
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，与饱和抗压强度相比，这里取其冻结-8℃时强度提高系数为1.6。
冻结控制层位为细粒砂岩，其饱和单轴抗压强度4.95～24.35Mpa，平均15.28Mpa，取其最小值4.95Mpa，则-8℃时其抗压强度为4.95×1.6=7.92MPa。安全系数取1.4，7.92÷1.4=5.7MPa
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=0.3。
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，并结合我公司多年来的施工经验，确定冻结壁厚度E主=4.5m。
三、冻结孔设计
1、冻结孔布置圈直径
影响冻结孔布置圈直径设计的几个因素：井筒掘进至设计控制层位时，该水平冻结壁外侧有效厚度不小于2.5m；鉆孔偏斜同时采用靶域和内偏值控制，钻孔靶域半径≤1.2m；内偏值≤0.7m；大段高钻爆法施工时，应有足够的放炮安全距离。综合以上因素确定：D主 =17.6m。
2、冻结孔布置
主立井开孔间距取1.49m，开孔个数37个；深度596m。
3、防片帮孔布置
依据姆杜柴登矿井主、副、风三井冻结施工经验，为了保证井筒顺利提前开挖，特布置上部防片帮孔。
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，钻孔靶域半径≤1.2m，内偏值≤0.7m；0～200m最大相邻孔间距≤2.2m，200～400m最大相邻孔间距≤3.2m，400～596m最大相邻孔间距≤3.5m。
四、冻结时间估算
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2.2m，含水层冻结发展速度25mm/d。则水文孔冒水时间为：t0=2.2÷（0.025×2）=44d。
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 =50d；井筒开挖后冻结时间T2=187d。
作者简介：宋波 就职于中煤三建冻结工程处
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：冻结壁；冻结孔；冻结时间
Bayan gol mine to freeze construction design
Songbo
Abstract: This paper describes the construction of Bayan-gol Ida frozen design principles, ideas and freezing depth study of the freeze wall design, freezing hole design, design techniques such as freezing time estimation problem.
Keywords: frozen wall; freezing hole; freezing time
巴彦高勒井田位于呼吉尔特勘查区的南部，向西南距乌审旗政府所在地达布察克镇约12km，行政区划属鄂尔多斯市乌审旗呼吉尔特乡和图克镇管辖。巴彦高勒矿井的设计生产能力为4.00--10.00Mt/a。工程地质特点为主立井表土厚109.17m；岩层均为软岩，强度低，不稳定～弱稳定；岩层在无水条件下自稳性较好、强度较高，但遇水易软化甚至溶解、强度亦会大幅度降低；水文地质特点为含水层的富水性弱。由于没有较好的隔水层，所以与上、下部含水层均有一定的水力联系。
一、设计原则、思路与冻结深度
设计原则要求方案安全可靠、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。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。
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。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、工艺要求及该地区立井（尤其是姆杜柴登矿井）冻结施工经验和教训布置冻结孔。
冻结深度设计井筒全深冻结，冻深596m。
二、冻结壁设计
1、冻结壁厚度设计
主立井井筒设计净直径Ф8.2m，最大掘进荒直径12.8m；积极冻结期盐水温度： ty=-28～-30℃；设计控制层冻结壁平均温度：-8℃。
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。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。
3、冻结壁设计控制层位的选择
该井冻结应主要以封水为主，故以最底部含水层位置为控制层为，即主立井以582.1m粗粒砂岩作为冻结壁设计控制层。
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/cm3，取其平均湿容重2.6 g/cm3。主立井控制层底板深582.1m左右。
根据经验，摩擦系数f取值为：砾岩、粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩采用0.4，粉砂岩、泥岩采用0.3。计算结果主立井：P=1.0×5.821+（1.45×5.821）×0.4=9.20Mpa
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,因此这里选取h=3.5m进行冻结壁厚度的计算。
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，与饱和抗压强度相比，这里取其冻结-8℃时强度提高系数为1.6。
冻结控制层位为细粒砂岩，其饱和单轴抗压强度4.95～24.35Mpa，平均15.28Mpa，取其最小值4.95Mpa，则-8℃时其抗压强度为4.95×1.6=7.92MPa。安全系数取1.4，7.92÷1.4=5.7MPa
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=0.3。
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，并结合我公司多年来的施工经验，确定冻结壁厚度E主=4.5m。
三、冻结孔设计
1、冻结孔布置圈直径
影响冻结孔布置圈直径设计的几个因素：井筒掘进至设计控制层位时，该水平冻结壁外侧有效厚度不小于2.5m；鉆孔偏斜同时采用靶域和内偏值控制，钻孔靶域半径≤1.2m；内偏值≤0.7m；大段高钻爆法施工时，应有足够的放炮安全距离。综合以上因素确定：D主 =17.6m。
2、冻结孔布置
主立井开孔间距取1.49m，开孔个数37个；深度596m。
3、防片帮孔布置
依据姆杜柴登矿井主、副、风三井冻结施工经验，为了保证井筒顺利提前开挖，特布置上部防片帮孔。
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，钻孔靶域半径≤1.2m，内偏值≤0.7m；0～200m最大相邻孔间距≤2.2m，200～400m最大相邻孔间距≤3.2m，400～596m最大相邻孔间距≤3.5m。
四、冻结时间估算
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2.2m，含水层冻结发展速度25mm/d。则水文孔冒水时间为：t0=2.2÷（0.025×2）=44d。
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 =50d；井筒开挖后冻结时间T2=187d。
作者简介：宋波 就职于中煤三建冻结工程处
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。