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含CAD图纸+文档 麻家梁 煤矿 10.0 Mta 设计 CAD 图纸 文档

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专 题 部 分 第29页厚表土超大断面井筒施工与支护技术摘要：麻家梁煤矿主立井井筒净直径9.0 m，副立井井筒净直径9.3 m，为国内罕见大断面井筒。井筒穿过280 m左右的表土层，表土层段矿井涌水量较大。表土段和基岩段采用综合机械化配套的立井混合作业施工方案进行施工，为解决矿井涌水，表土段使用了冻结施工技术、井壁注浆技术，井筒支护采用了高强度高性能混凝土支护。取得了良好的施工速度和效果，具有一定的推广和借鉴价值。关键词：厚表土；超大断面；立井；井筒施工；支护技术Shaft Construction and SupportTechnology of Large Section of The Thick TopsoilAbstract: In MaJialiang coal mine，the net diameter of main shaft diameter is 9.0 m，the net diameter of auxiliary shaft is 9.3 m，is rare large sections shaft at home. the wellbore through the topsoil of about 280 m, topsoil mine discharge has larger mine water. Topsoil segment and the bedrock section Mechanized Shaft mixed operating construction program for the construction, to solve the mine water, freeze the construction process ,borehole wall grouting technology and supporting technology of high performance concrete is used in topsoil segment.Construction speed and good effect had been made, with promotion and reference value.Keywords: Thick topsoil；Large section；Shaft；Shaft construction；Support technology0引言麻家梁井田位于山西省朔州城东南部、朔南矿区南部，距离朔州市20 km。井田南北长约11.9 km，东西宽约8.28 km，面积104.2877 km2。矿井设计可采储量183231.75万吨，矿井设计生产能力为12.0 Mt/t，设计服务年限82年。矿井设计采用立井双水平开拓，布置主立井、副立井、回风立井三个井筒。采用中央并列式通风方式，布置两个生产采区，装备两个综采放顶煤工作面。区内地形平坦开阔，为厚层新生界沉淀物所遮盖，地势西南高、东北低；海拔在+1080+1200 m之间，井田最高点位于本区东南部，海拔+1342 m，最低点位于井田东北部的恢河河床，海拔+1060 m，相对高差270 m。主立井设计：井深602.8 m，井筒净直径9.0 m，表土段276 m，基岩段326.8 m。主立井井架高110 m，重量1438 t，为世界最高、最大井架。井筒工程采用冻结法施工；井筒冻结段井壁设计为双层钢筋混凝土复合井壁。主井外壁壁厚650、800 mm，内壁壁厚700、1000 mm，壁座设计厚度1800 mm。副立井设计：净直径9.3 m，副立井提升绞车功率为3600千瓦，属亚洲最大井筒直径之一，井深562.7 m。表土段采用冻结法施工，冻结深度348 m；基岩段采用普通凿井法施工。基岩段设计单层素砼井壁，壁厚600 mm。井筒自上而下穿过新生界、二迭系、上古生界石炭系及下古生界奥陶系地层，主要由粉砂土、粉砂质粘土、细砂、中砂、粘土、粉质粘土等组成，表土层总厚达280 m。井筒揭露的含水层主要为煤系地层及奥陶系岩溶裂隙含水层，预计矿井正常涌水量304 m3/h，最大涌水量464 m3/h，预测奥灰最大突水量为2087 m3/h。1超大断面立井井筒快速施工技术建井期间，井筒工程量虽然只占全矿井井巷工程量的3.55.0，而其施工工期往往占到全矿井建设总工期的3540或更多。其施工工期直接决定着煤矿建设的周期，历来被施工单位和建设单位所重视。立井施工的快慢决定了矿井投产期的迟早，所以，加快立井井筒的施工速度是矿井建设的重要课题。1.1施工方案根据井筒工程地质情况，井筒掘砌施工表土段稳定岩层和基岩段均采用综合机械化配套的立井混合作业施工方案。该方案井帮围岩爆露时间短，不需临时支护，施工安全，施工工序简单，并能实现工种专业化，有利用工人熟练操作、实现正规循环、保证工程质量和进度。1.2机械化作业线及配套设备（1）挖土及凿岩：表土段采用小型挖掘机配合人工挖掘进行掘进，基岩段采用SJZ-6.10型伞型钻架机组凿岩。（2）抓岩（土）：表土段用小型挖掘机配合人工装土，基岩段采用2台HZ-6型中心回转式抓岩机抓岩。（3）提升：采用两套独立的单钩提升系统，其中主提采用2JK-3.5/20型提升机配4 m3吊桶；副提采用XKT-23/20型提升机配3 m3吊桶。（4）排矸：采用钢结构翻矸平台，平台上设两套落地式矸石溜槽，ZL-50F型装载机配合8 m3自卸汽车排矸。（5）混泥土的搅拌及运输：采用混凝土集中搅拌站，配两台带自动计量装置的JS-750强制式搅拌机进行砼搅拌，HTD-2.4型底卸式吊桶运送至井下。（6）砌壁：采用YJM型单缝液压伸缩整体下移式金属模板砌壁。（7）排水：采用DC50-806型卧泵排水。（8）通风：采取压入式通风，选用两台2BKJNO6/44型222kW局扇，配用700 mm胶质阻燃风筒二趟。1.3井筒施工工艺1.3.1井筒表土段施工（1）井筒表土段砂土层时采用短段掘砌，掘砌段高3.6 m，掘进采用YC-35型小挖掘机技术，人工修边，分层进行挖掘，当掘够段高后进行超平找正在底圈梁上组立3.6 m段高金属模板，模板与模板之间用螺杆连接。利用井筒中心线校正固定好模板后，进行混凝土的浇注。（2）井筒表土段风化带掘进采用YT-28型风钻打眼，六角中空钢钻杆，“十”字型合金钻头，钻头直径42 mm,钎杆长2.2 m。当施工到稳定岩层后采用SJZ-6.10型伞钻，配有六台YGZ-70风钻打眼。六角中空钢钻杆，“十”字型合金钻头，钻头直径55 mm，钎杆长4.5 m。装药采用高威力水胶炸药，药卷直径35 mm，I-V段毫秒延期电雷管起爆。放炮采用大并联连线方式，放炮电源采用380V交流电源一次起爆，出碴采用两台中心回转抓岩机，清底采用YC-35型挖掘机配合人工风镐修整。（3）钢筋绑扎采用钢筋滚压直螺纹套筒连接技术，竖筋在地面根据模板段高分段加工好，套丝并安装塑料保护套及连接套。在井下连接钢筋时，先检查丝扣牙型是否完好无损，清洁后把钢筋拧到带连接套的钢筋上，并用力矩扳手按规定的力矩值拧紧。力矩符合相关规定。环筋根据设计要求在地面按所需弧度和搭接要求加工好，采用22#铅丝双股绑扎，钢筋搭接处应在接头两端和中部用铅丝绑扎牢固，接头处每隔200 mm绑扎一道。钢筋的绑扎接头应交错布置，在任一截面内绑扎接头根数不应多于钢筋总数的25%。（4）模板采用YJM型单缝液压伸缩整体下移式金属模板为型钢结构，整个模板仅一条伸缩缝，脱模是靠安装在伸缩缝两侧的数个液压油缸同时向内收缩，带动模板在弹性范围内产生形变，而进行脱模。为确保井壁接茬质量，模板下部设计为45斜面刃脚，模板上部设计接茬模板，进行敞口浇注。考虑到表土段设计为双层钢筋支护，下部刃脚应去掉，在模板落到位置后，进行操平找正工作，在浇筑混凝土以前，模板下部用砂子铺底，铺底形状为斜面，铺底厚度不低于200 mm。接茬为单斜面凸台式接茬，接茬模板直径比井壁内径小200 mm,模板高度超过接茬100 mm,接茬模板安装在整体模板上，接茬时利用模板与井壁之间的空隙浇注砼并捣固，接茬模板高度为为250 mm，接茬凸台在吊盘上人工用风镐刷掉。上下两段井壁之间的接茬高度不大于300 mm。（5）混凝土的搅拌采用在井口附近设置搅拌站，布置两台JS-750强制式搅拌机进行砼搅拌，供井筒浇注砼使用。水、砂子、石子、水泥采用自动计量配比装置上料，外加剂设专人进行计量添加。水泥采用P.O.42.5，砂子选用细度模数大于2.6的中、粗砂，含泥量不大于1.0。石子选用粒径为535 mm连续级配合石灰岩碎石，含泥量不大于0.5；外加剂根据试验室出具的配合比选用级粉煤灰、JQ-B型防裂密实和BR-3型防水剂。混凝土运输采用在搅拌站和井口之间铺设24kg/m、900 mm轨距轨道，搅拌后的混凝土直接流入2.4 m3底卸式吊桶，然后由主、副提升绞车下放到井下。1.3.2井筒基岩段施工采用短掘短砌混合作业方式。掘进选用伞型钻架打眼，4.5 m中深孔光面爆破，5.0 m长脚线毫秒延期电雷管。2台中心回转抓岩机装岩，两套单钩吊桶提升，座钩式自动翻矸，矸石通过翻矸平台溜槽落地，装载机配合自卸汽车排矸。3.5 m段高YJM型液压整体金属模板砌壁，2.4 m3底卸式吊桶下放砼。1）基岩段掘进基岩段采用钻爆法掘进，光面爆破，钻眼采用SJZ-6.10型伞钻，配有六台YGZ-70风钻打眼。六角中空钢钻杆，“十”字型合金钻头，钻头直径55 mm，钎杆长4.5 m。放炮电源采用380V交流电源，一次起爆。炮眼深度为4.2 m，炮眼按同心圆布置，直眼掏槽，周边眼按光面爆破要求设计。装药采用反向集中连续装药,装药前必须用压风吹净炮眼中的岩粉及杂物，清理干净炮眼周围的碎石、杂物等，炸药要装到眼底，药卷间要紧密接触，孔口炮泥要充填好，周边眼炮泥长度不少于500 mm，其它炮眼要充实填满。起爆顺序从中心到周边依次起爆，连线方式采用大并联。钻眼爆破作业严格按爆破设计施工，确保各工序的质量，并根据各岩层的实际情况及时调整爆破参数，提高爆破效果，确保光爆成型。炮眼布置见图1基岩段炮眼布置图，基岩段爆破参数见表1。图1 基岩段炮眼布置图2）基岩段井筒砌壁井筒基岩段砌壁壁厚为650 mm，采用整体金属刃脚下移模板，整体模板由地面四台JZ-10/600A型稳车悬吊，地面集中与单个控制相结合实现支模工作机械化。砌壁前要安装上整体模板的下刃脚，并留座底炮，以调整砌壁段高和有利于下循环打眼。混凝土的浇注同表土段。表1 井筒基岩段爆破参数眼号炮眼名称眼数/个圈径/mm眼深/mm眼距/mm装药量起爆顺序Kg/眼Kg/圈1中空眼1200027掏槽眼6180042009004.527820辅助眼13350040008382.532.52138辅助眼18550040009553543963辅助眼257500400094037564103辅助眼40920040007222.5100103183周边眼601010040005291.590合计163378.51.4劳动组织1.4.1劳动组织采用综合施工队形式，按专业化班组配备，井筒掘砌施工采用滚班作业，辅助人员“三八”制作业。机电班设立大抓、伞钻、压风、水泵、运转包机组，进行设备的动态检修，确保设备完好运行。劳动组织安排见表2。表2 劳动组织安排表班组工种人数合计打眼班副队长1人班长1人信号把钩6人副班长1人打眼工12人21出碴班抓岩机司机2人班长1人信号把钩8人副班长2人掘进工13人24清底班抓岩机司机2人班长1人信号把钩6人副班长2人掘进工13人24打砼班副队长1人班长1人信号把钩6人搅拌机司机2人振捣工4人副班长1人上料工6人混凝土下放工4人看分灰器4人29机电班机电副队长1人班长1人大抓维修工4人伞钻维修工3人绞车维修工4人副班长2人稳车维修工4人电气焊工2人其他机电工9人30合计128人1.4.2正规循环作业根据机械化配备施工特点，采用4个专业化班组滚班作业方式，表土段29小时完成3.6m段高掘砌循环作业，基岩段21小时完成3.6段高掘砌循环作业。1.5工艺分析（1）出渣采用了两台中心回转抓岩机，大大加快了井筒出渣速度。（2）在清底过程中，采用了小挖掘机配合人工风镐，节省了清底时间。（3）在混凝土浇注过程中，采用双搅拌机，主副提同时下灰，加快了混凝土浇注的速度。（4）在机械维修方面，配备了专人包机维修，维修中转时错开了打眼，出渣，清底时间，在打砼时间进行，绞车维修在打眼期间进行，减少了辅助系统的影响。（5）在管理上采取了小班奖的措施，设有正规循环完成奖和提前完成奖，调动了工人的积极性和创造性。2井筒厚表土层冻结技术2.1冻结方案设计2.1.1冻结深度的确定适宜的冻结深度（Hs）应等于筒形壁座底板深度（HG）+安全施工最小延深值（HZ），或等于风化带往下30 m范围内含水量较大的含水岩层底板深度（HD）+进入不透水基岩的最小深度（Hmin）见表3，麻家梁矿主、副、井适宜的冻结深度应分别为386 m、348 m见表4。表3 麻家梁矿主冻结孔应深入不透水基岩的最小深度序号影响筒形壁座深度的主要因素主井副井1冲积层厚度/m275.9276.482冻结孔应进入不透水基岩的最小深度Hmin/m地质检查孔提供的基岩风化带深度与井筒横断面穿过的风化带最大深度之差3.017.63.017.63由于钻孔偏斜或钻杆弯曲、泥浆沉淀等因素造成的钻孔深度与下管深度之差(按风化带深度的1%选取)2.82.84冻结段深部采用爆破法破碎冻土时的松动圈影响范围1.81.85按照矿山井巷工程施工及验收规范第4.2.2条规定：井筒冻结深度，必须深入不透水的稳定岩层10m以上。1010表4 麻家梁矿适宜的冻结深度分析方案影响适宜冻结深度的主要因素主井副井按冻结段井筒的掘砌深度确定适宜的冻结深度Hs /m冻结段筒形壁座底板深度(HG)（含过渡段）378340规范规定冻结深度应比冻结段掘砌深度的增大值(HZ）5858小计3833863453482.1.2冻结壁厚度计算1）计算公式根据多年的实践探索：按多姆克公式计算砂性土控制层位的冻结壁厚度和维亚洛夫-扎列茨基公式计算粘性土控制层位的掘进段高的设计体系是安全可靠的和较为接近实际的。采用多姆克公式计算砂性土层的冻结壁厚度在多个矿区冻结设计和施工应用中取得良好的效果。按多姆克的无限长弹塑性厚壁筒公式计算砂性土层的冻结壁厚度E： （1）式中：E按强度条件计算的冻结壁厚度，m；R井筒掘进半径，m；主井R=6.325 m、副井R=6.475 m；P计算水平的地压，MPa；K砂性土层的冻土计算强度，MPa。2） 设计基本参数的优选（1）冻结壁厚度设计控制层位和地压计算根据麻家梁矿主、副井检孔冲积层的埋藏条件和土层组成特点分析，确定主井深270.7271.9 m的粉砂层、副井深267.18269 m的中砂层分别作为主、副井冻结壁厚度设计控制层位。如表5所示。表5 麻家梁矿冻结设计控制层位及地压井筒主井副井地压(P地)/MPa悬浮体理论P地=0.013H（h=深度/m）冻结壁强度计算地层粉砂/中砂中砂埋深/m271.9269地压/MPa3.5353.497（2）冻结盐水温度麻家梁矿主、副井冲积层深度分别为275.9 m、276.48 m、250.4 m，主、副井冲积层中粘性土层的厚度比例分别为59.84%、72.61%、75.44%，主井有1层超过20m厚度的粘性土层，副井有4层超过20 m厚度的粘性土层。该类土层冻土扩展速度慢，冻结强度低，蠕变特性显著，设计冻结盐水温度取-30。（3）冻结孔偏率与偏值矿山井巷工程施工及验收规范第4.2.4条规定冻结孔的偏斜率：位于冲积层的钻孔不宜大于0.3%，但相邻两个钻孔终孔的间距不得大于3.0 m；位于风化带及含水基岩的钻孔，不宜大于0.5%，但相邻两个钻孔终孔的间距不得大于5 m。当相邻两个钻孔的偏斜值超过上述规定时，应补孔。应当指出，随着钻孔装备和工艺的不断完善，规范第4.2.4条对冲积层冻结孔偏斜率0.3%和基岩中两相邻冻结孔终孔间距5 m的规定要求显得偏低，上述两个指标应作必要的调整。根据最近几年深厚冲积层冻结孔垂直度状况分析，在采用钻、测、纠相结合的钻进工艺和靶域钻进措施的条件下，麻家梁煤矿主、副井在冲积层和基岩中的主冻结孔允许偏斜率、径向偏值、两相邻冻结孔终孔间距分别控制在0.2%、0.5 m和0.5%、0.6 m以内是可行的，见表6所示。表6 麻家梁煤矿对冻结孔偏率与偏值的要求序号深度/m外圈主冻结孔内圈防片冻结孔轴面两侧/径向内侧/径向外侧的允许偏值/m轴面两侧/径向内侧/径向外侧的允许偏值/m11000.25/0.25/0.250.25/0.25/0.2522000.35/0.4/0.40.35/0.4/0.433000.5/0.5/0.50.5/0.5/0.543860.6/0.6/0.60.65/0.6/0.6备注1、靶域半径：冲积层中0.5 m；基岩中1.0 m2、钻孔偏率：冲积层中0.2%；基岩中0.5%（4）冻结壁平均温度冻结壁平均温度是确定冻土强度和冻结壁强度、稳定性的基本参数。它主要取决于冻结壁厚度、盐水温度、冻结孔间距、井帮温度、冻结孔至井帮距离及冻结孔布置方式等因素，要精确计算是相当困难的。从工程实际出发，一般取最大地压水平或冻结设计控制层位的冻结孔最大间距处的主、界面平均温度的平均值作为冻结壁设计计算的依据。国内从1987年开始，基本上采用成冰根据冻结壁温度场物理模型试验、工程实测、理论计算综合分析得出的单圈孔冻结壁平均温度计算公式。随着冻结壁设计厚度和冻结孔布置圈直径的增大，成冰又在20世纪90年代中期提出在主冻结孔内侧增设辅助冻结孔、防片冻结孔的冻结壁平均温度计算公式。.单圈孔冻结部位冻结壁有效厚度的平均温度等于按冻结壁0边界计算的平均温度值与井帮温度对平均温度的影响值之和。 （2） （3） （4）.主冻结孔内侧增设辅助孔（含防片孔）冻结部位的冻结壁有效厚度的平均温度，是在成冰单圈孔冻结壁平均温度计算公式的基础上，增加主冻结孔与辅助冻结孔之间部位对平均温度的影响值。 （5）或 （6）式中： tc按冻结壁有效厚度计算的平均温度，；t0c按冻结壁0边界计算的平均温度，； te井帮冻土温度对冻结壁有效厚度的平均温度影响值，； tb冻结盐水温度，； L计算水平的冻结孔最大间距，m； E冻结壁有效厚度，m； tn计算水平的井帮冻土温度；控制层位的井帮温度取-5；井帮冻土温度每升高或降低1对冻结壁有效厚度的平均温度影响系数=0.250.3，根据实践经验取=0.3的计算结果与按实测温度作图法求得的冻结壁平均温度值较为吻合；tcf主冻结孔内侧增设辅助冻结孔（含防片冻结孔）的冻结壁有效厚度平均温度，； tfn主冻结孔与内侧辅助孔之间部位对冻结壁有效厚度平均温度的影响值，；ts主冻结孔内侧与辅助孔（含防片孔）之间部位冻结壁平均温度，；麻家梁矿取-18。 S辅助孔圈（含防片冻结孔）与主孔圈之间的距离，m； E1主冻结孔（外圈孔）外侧冻结壁有效厚度，m； E2辅助孔（含防片孔）内侧冻结壁有效厚度，m。（5）砂性冻土计算强度冻土计算强度（K）可直接按持久强度（s）选取或按极限抗压强度（c）除以安全系数（m0）求得。在缺少冻土持久强度试验资料的情况下，按的方法选取计算强度较为符合实际，一般砂性土层m0取2.02.2，粘性土层取2.32.5。麻家梁矿砂性冻土设计强度，按国内已建深厚冲积层冻结井设计实际采用的冻土计算强度（K）与冻结壁有效厚度平均温度（tc）的综合曲线选取见图2。（6）计算基本参数优选结果见表7，冻结壁厚度计算结果见表8。表7 麻家梁煤矿冻结壁厚度计算基本参数优选结果基本参数单位井 筒主井副井砂性土控制层位土层名称粉砂中砂埋深m270.7271.9267.18269地压MPa3.5353.497主冻结孔冲积层段终孔允许间距m2.42.2冻结盐水温度C-30-30砂性土层控制层位的井帮温度C-5.0-5.0冻结壁平均温度C-13-13砂性土冻土计算强度MPa7.07.0平均温度()1237,85694图2 国内已建冻结井砂性冻土计算强度（K）与冻结壁平均温度（tc）的关系1潘二南风井；2冷泉副井；3谢桥主井；4谢桥副井；5陈四楼主井；6陈四楼副井；7潘三东风井；8城郊副井；9祁南副井；表8 麻家梁矿冻结壁厚度计算结果井 筒主 井副 井冻结壁厚度/m计算值4.695.44设计取值4.75.452.1.3冻结钻孔布置1）冻结孔布置方式冲积层厚度、冻结壁设计厚度的增大加剧了冻结与掘砌的矛盾，为协调二者的关系，冻结孔布置方式逐渐由单圈冻结孔发展为主冻结孔内侧增设防片或辅助冻结孔、主冻结孔内侧增设辅助及防片冻结孔和主冻结孔外侧增设增强冻结孔等3种布置方式。根据实践经验，冻结孔采取以下布置方式有利于缓解深厚冲积层冻结与掘进的矛盾：A.当冻结壁设计厚度5.0 m或冻结孔距井帮3.3 m时，适宜采用在主冻结孔内侧增设防片冻结孔的布置方式；C.当冻结壁设计厚度7.0 m时，适宜采用在主冻结孔内侧增设辅助、防片冻结孔的布置方式。无论采用上述何种冻结孔布置方式，主冻结孔深度都应穿过冲积层和基岩风化带并进入不透水稳定基岩10 m以上，辅助冻结孔深度宜穿过冲积层进入强风化带5 m以上，防片冻结孔深度取冲积层厚度的1/23/4为宜。冻结孔的这种布置方式既可节约冻结需冷量，又可防止因防片孔或辅助孔距井帮太近而发生断管。麻家梁矿主、副井最大掘进半径分别为6.325 m、6.475 m，冻结壁的设计厚度为3.85.45 m，经分析认为采用主冻结孔内侧增设防片冻结孔的布孔方式较为经济合理；麻家梁煤矿建设单位从安全稳妥考虑选择了采用主冻结孔内侧增设辅助冻结孔的布孔方式。2）冻结孔布置圈直径与孔数计算根据近年对冲积层温度场的研究和工程实践经验总结，目前多圈孔冻结孔的布置直径和孔数主要按以下公式计算。 （7） （8） （9） （10）式中：y外圈冻结孔的布置圈直径，m；f辅助冻结孔的布置圈直径，m；E冻结壁计算厚度，m；Ey外圈冻结孔外侧的冻结壁有效厚度，m；a外圈冻结孔靶域钻进的内侧径向偏斜控制值，m；mf比例系数，分别取0.4；ly、lf外圈、内圈冻结孔的开孔间距，m；Ny、Nf外圈、内圈冻结孔的数量，个。3）冻结孔布置圈直径计算结果和施工方案根据以往工程测试、冻结施工经验，按上述公式计算圈经时，首先要分析控制层位施工过程外圈冻结孔外侧的冻结壁有效厚度（Ey）和冻结孔的径向偏斜值，并根据已施工冻结工程的经验加以调整，得出主冻结布置圈径计算结果，见表9；麻家梁煤矿各冻结施工单位根据自己的计算和经验对主冻结布置圈径作如下调整，表10。表9 冻结孔布置圈直径计算结果和施工方案条件冻结孔布置方式主冻结孔布置圈径(m)主井副井计算结果主冻结孔内侧增设防片冻结孔y=18.9y=19.4施工方案选用值主冻结孔内侧增设辅助冻结孔y=18.0y=19.8表10 麻家梁煤矿冻结施工方案主要技术指标序号项 目单 位主井副井1井筒净直径m9.009.32冻结段井壁最大厚度m1.801.83井 筒 最 大 荒 径m12.6512.954冲积层厚度m275.90276.485冻结深度m3863486砂性土层控制层位m271.92697冻结壁厚度m4.705.458冻结孔冲积层段允许径向偏值m0.50.59主冻结孔孔 数个22/2224/2410深 度m386/310348/29511布置 圈 径m18.019.612开 孔 间 距m1.2841.29613冲积层最大孔间距m2.42.214辅助冻结孔孔 数个171815深 度m27928816布置 圈 径m15.215.817开 孔 间 距m2.7962.758麻家梁矿立井冻结钻孔布置图分别见图3、4。图3 麻家梁矿主井冻结钻孔布置图1、主冻结孔44个，布置圈径18.0 m，差异冻结，深度为386 m/310 m；2、辅助冻结孔17个，布置圈径15.2 m，冻结深度为279 m；3、水位观测孔2个，W1/153 m，W2/265 m；4、温度观测孔3个，T1/386 m、T2/386 m、T3/279 m。图4 麻家梁矿副井冻结钻孔布置图1、主冻结孔48个，布置圈径19.8 m，差异冻结，深度为348 m/295 m；2、辅助冻结孔18个，布置圈径15.8 m，冻结深度为288 m；3、水位观测孔2个，W1/148 m，W2/271 m；4、温度观测孔3个，T1/345 m、T2/345 m、T3/287 m。4）冻结管的规格根据各孔圈冻结管的作用和施工规范的有关规格分析，主井、副井各孔圈冻结管规格见表11。主井冻结管采用外接箍连接方式，副井冻结管采用内接箍连接方式。表11 麻家梁矿主井、副井冻结管规格选用结果井筒主井副井冻结管规格/mm外圈管200 m段为1335200 m段为1336200 m段为1406200 m段为1407内圈管12762.1.4冻结主要技术指标冻结主要技术指标见表12所示。2.2冻结方案施工措施施工筹备人员进驻现场后，在计划准备期内完成组织准备、物资准备、技术准备。按照施工平面布置完成冻结施工的钻场基础、泥浆泵房、测斜室、供、排浆系统施工、冻结施工的冻结站、配电室等生产大临工程和生活临建工程，以及供水、供电等，为冻结工程施工创造条件，满足施工要求。2.2.1冻结钻孔施工技术措施（1）主井：选用DZJ-500/1000型冻注两用钻机5台同时施工，配备泥浆泵TBW-850/50型5台。表12 麻家梁矿冻结设计主要技术参数表项 目单位主井副井井筒净直径m9.009.3冻结段井壁最大厚度m1.801.8井筒最大直径m12.6512.95冲积层厚度m275.90276.48积极冻结期盐水温度-30-30维护冻结期盐水温度-24-24冻结深度m386348砂性土层控制层位m271.90269.00冻结壁平均温度-13-13冻结壁厚度m4.705.45冲积层冻结孔径向偏值m0.50.5主冻结孔孔数个22/2224/24深度m386/310348/295布置圈径m18.019.6开孔间距m1.2841.296冲积层最大孔间距m2.42.2冻结管规格（200m上/200m下）mm1335/13361406/1407辅助冻结孔孔数个1718深度m279288布置圈径m15.215.8开孔间距m2.7962.758冻结管规格（200 m上/200 m下）mm1335/13361276测温孔孔数个m1/11/1/1深度386/279345/345/287规格mm10851085水位孔孔数个m1/11/1深度153/265148/271规格mm10851085钻孔工程量m22152422012冻结钻孔工程量m22005520616冻结管散热能力Kcal/h209.5104221.4104冻结需冷量Kcal/h251.4104265.7104冻结标准需冷量Kcal/h718.25104759.06104冷冻站装机标准制冷量Kcal/h775.71104819.78104新水补充量m3/h25.426.9（2）回风立井：选用DZJ-500/1000型冻注两用钻机4台同时施工，配备泥浆泵TBW-850/50型4台。两井钻孔测斜采用JDT-5型陀螺仪，实现不提钻测斜。采用JDT-3K型陀螺仪定向，随钻可提式导向器和YL-127型螺杆钻纠斜。（3）钻场施工：以井筒中心位置量出场地范围平整场地，分层铺设夯实三七灰土，厚350 mm，三七灰土上部浇注混凝土厚200 mm，并预留钻孔位置和砌筑泥浆循环沟槽。（4）确定孔位：以井筒中心为基准，测定孔位。钻孔孔位采用钉桩法设立明显标志。（5）钻机安装：按设备的安装要求进行，并配套好泥浆设施。接通水、电、安装夜间照明，检查钻具。做好各项准备工作。（6）钻孔：钻机采用89 mm钻杆，146 mm加重杆，190.5 mm、171.4 mm牙轮钻头组成的加重钻具，回转式钻进泥浆护壁的方法，分班连续作业方式。2.2.2冻结施工技术措施（1）基础施工：根据平面布置图测量放线，按基础图规格、尺寸要求施工。（2）冻结站安装：冻结站安装形式为高、低压双级压缩系统。安装前对所有的设备、阀门进行检修，各种管路清理干净，所用的机具准备齐全，做好设备就位、找平、找正工作。（3）试压、保温：制冷三大循环系统安装完毕后，严格按矿山井巷工程施工及验收规范（GBJ213-90）要求进行压力试验和真空试漏。试压合格后对冷冻机低压管路和盐水系统管路、盐水箱、中冷器等低温管道、设备、阀门等隔热保温包扎，确保隔热性能，减少冷量损失。（4）充氨、试运转：试运转前先按设计比重配制氯化钙溶液（盐水冷媒剂），在冷却水系统、盐水系统工作正常后进行充氨试运转工作。试运转正常即可开始积极冻结运转。（5）温度测试：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、水温统一检测一遍，并做好原始记录。积极冻结期间要对测温孔温度每天进行一次检测，维护冻结期间每二天进行一次，所测资料阶段性上报处有关部门。（6）冻结器运转初期和中期要检测各冻结器盐水流量,并观测冻结器结霜情况，确保每个冻结孔畅通且流量基本均匀。（7）加强车间管理，使盐水温度尽快达到设计要求。（8）在冻结期间，冻结井周围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。（9）井筒开挖：通过测温孔、水文孔数据计算，分析冻结壁发展状况，综合分析确认冻结壁已满足开挖条件后，才能开挖。开挖过程中，继续加强井帮温度等各项检测工作。根据冻土发展状况和冻结壁温度，在冻结壁已满足井筒掘砌施工安全的前提下，适时减少开机台数和供冷量，转入维护冻结。（10）应按“规程”和设计要求，根据不同地层严格控制掘进段高。（11）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。（12）冻结施工人员严格按各项规程施工，认真执行ISO9001质量体系，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。2.2.3施工顺序（1）冻结钻孔施工顺序施工准备（钻场基础施工、临建施工）钻机安装及定位调制泥浆正常钻进测斜、纠斜、测深下管试压钻孔验收。（2）制冷冻结施工顺序施工准备基础施工设备就位及管路和地沟槽安装试压保温包扎配制盐水清水、盐水系统试运行充氨、试运转冻结正常运转监测、监控试挖正式掘砌维护冻结停机冻结验收。2.2.4施工安全保证措施为保证主立井、回风立井能够及早开挖，并安全、顺利通过冻结段，在冻结施工中将采取如下安全措施。安全保证措施。制定和实施安全生产责任制，建立健全各项规章制度，并严格执行。建立安全生产保证体系，做到管理有力、保障运行。项目施工的全体人员上岗前必须进行安全教育，特殊工种必须持证上岗。建立安全检查制度，实行安全生产奖罚制，及时消除事故隐患。坚持做到班组日检、项目部旬检、企业月检的安全检查。项目部每周、企业每月召开一次安全会议，班组每日班前会上要进行安全交底。设备使用期间要加强维修和保养，保证设备的安全运转。加强对设备和管路的巡查，杜绝氨、盐水、油等的跑、冒、滴、漏现象，各种压力容器按规定进行压力试验。加大安全投入，安全警示牌醒目，安全装置完好，满足施工需要。高空作业人员要系安全带，戴安全帽，穿防滑鞋，所用工具要用工具包接送，防止坠物伤人。冻结站要配备足够的防毒面具、橡胶手套等防护用具，生产区和生活区要配备消防器材，不准私自乱接电线，以免发生火灾。严格执行电气安全操作规程，所有电气设备要有漏电保护与接地装置，电缆埋设要有标志，过路要有套管保护。施工人员要熟悉相关机械设备的性能，严禁违章作业。冻结有关人员要经常下井观测井筒冻结状况，发现问题及时采取相应措施。井下观测要有详细记录并认真保存。经常观测盐水箱水位、冻结管工作状态，发现盐水箱漏失盐水、冻结管断裂等现象及时采取应急措施并上报有关部门。2.2.5井筒冻结与掘砌配合措施为确保井筒安全顺利掘砌施工，冻结为掘砌创造如下条件：有足够厚度和强度的冻结圆筒体抵抗外力，封堵流砂，防止井筒偏帮，确保井筒掘砌施工安全。井筒开挖前，积极降低盐水温度，缩短井筒交圈时间，实现麻家梁矿井主立井、回风立井提前开挖。井筒开挖期间，坚持每个段高检测井帮温度，及时了解冻结发展情况，在确保井筒施工安全的情况下尽量减少掘砌单位少挖冻土。下井监测人员要服从掘砌单位的指挥，同时掘砌单位也应为冻结下井人员检测提供有利条件。根据冻结发展情况适时调整冷冻机组开机台数、盐水温度和流量，为掘砌单位创造良好的条件。采用信息化施工，及时收集冻结资料，定期分析冻结发展情况。3新材料RSS-1井壁注浆防治水技术采用冻结法施工的井筒冻结圈解冻以后,井筒井壁或多或少会出现漏水现象,由于井筒外围存在着较厚流沙层,对井筒的安全带来较大隐患,必须对井壁进行注浆堵水。井筒施工中发现副井井筒距地面270 m井壁开裂，呈椭圆状，直径约20 cm，出水量稳定在3 m3/h左右。此出水点外，井壁周围模板接合处有水带压喷出，出水量约17 m3/h（在注浆打眼过程中实测涌水量），出水量为44 m3/h，出水点处于270 m的第三系砂层含水层中，由褐黄色的中砂组成，夹中密松散，含大量砾石，其厚为4.46 m。分析为解冻后井壁出现出水点，现准备对副井井筒进行壁后注浆施工。3.1壁后注浆壁后注浆采用分段下行式，从上往下注，主要对集中出水点和混凝土接茬部位进行注浆封水，注完上一个段高后，再向下注浆，直至将井壁淋水封完为止，最后再从下向上检查复注。共布置四排孔，注浆孔沿井筒井壁均匀布置，共计22个孔，孔间距为1.50 m，孔深1.85-2.00 m，孔径42 mm。注浆顺序从上往下，从外往里。3.2注浆方式3.2.1注浆设备注浆采用2TGZ60/210型注浆泵。该泵具有如下几个特点：（1）注浆压力高，可满足微裂隙注浆对注浆压力要求较高的要求。（2）柱塞的往复次数有四个档速，可根据需要改变排浆量和注浆压力，能有效的扩大浆液的扩散半径，提高堵水效果。（3）根据水压、孔深选择注浆液。钻孔采用YT28风钻进行打眼，钻孔深度1.85-2.00 m。3.2.2注浆设备布置（1）将注浆泵固定在吊盘的上层盘，并放置RSS-1浆液桶、水泥浆液桶和清水桶。（2）吊盘位置放在出水点下方为宜，便于人员操作。（3）进行打孔直至出水裂隙处，然后进行注浆。3.3注浆浆液材料以单液水泥浆为辅，RSS-1浆液为主。长期以来，一直以水泥粘土材料作为注浆堵水的主材料，并配以水玻璃加快凝固的手段来进行注浆堵水，但对于细小的空隙以及地下水压力大、流速快时，用传统的方法起效慢，注浆堵水时间长，本次注浆选用山西安明宏远防水材料有限公司新近研制的RSS-1化学堵水材料进行堵水，并以水泥浆作为配料，根据实际情况交替使用。RSS-1液体封漏堵水剂是一种遇水发生化学反应而形成交联体，不溶于水的聚合体，其堵水效果优于传统的堵水材料。当受注孔段含水层的吸水量小于100升/分时，使用单液水泥浆；当受注孔段的吸水量大于100升/分时使用RSS-1液浆。单液水泥浆：用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比控制在0.5：1-2：1。3.4注浆注意事项（1）根据施工原始记录，注浆前要准确定出壁后出水岩层的位置，将打眼深度控制在裂隙处。（2）注浆结束后，总露水量小于或等于0.5 m3/h,并且不得有集中出水和含砂的水孔。（3）注浆过程中必须有专人负责观察井壁情况，防止注浆过程崩裂井壁。3.5注浆成果由于本次井壁高压喷水的水源为第三纪松散砂砾含水层，水压大，流速高，如采用传统的方法注浆，工期约为1-2个月，水泥用量数百吨，可能上千吨。本次注浆采用新型的注浆材料RSS-1，共用14 t，水泥11 t，工期5天，注浆堵水后，未见明显的出水点。井壁注浆堵水其优点是不影响建井工期，施工速度快，堵水效率高，施工相对安全,可以节省大量的后期维护费用，堵水效果明显，成本低于地面注浆，适宜推广普及；缺点是需用大型钻孔机，钻孔偏斜不易控制，浆液消耗量大，分段止浆工艺较复杂。4高强高性能混凝土井筒冻结段支护技术4.1井筒冻结段支护概况近几年，我国煤炭基本建设出现了一个新的高潮，随着深层煤层的开采，采用冻结法施工的井筒穿过的表土层越来越深，深厚表土层冻结施工对井壁砼的强度和性能提出了更高的要求，普通砼已很难满足井筒设计和施工需要，而高性能砼因其具有良好的物理力学性能、工作性能和耐久性能，在煤矿深厚冻结井井筒支护中被迅速推广应用。而高性能混凝土的施工对原材料的选择和施工工艺提出了更高的要求，如何采取合理的施工工艺和质量控制措施确保混凝土施工能达到设计要求，避免出现各种质量问题，是在冻结井筒中推广和使用高强高性能混凝土的关键。同煤浙能麻家梁矿井，井筒冻结段外壁设计为单层钢筋砼结构，竖筋采用直螺纹连接，环筋采用搭接方式连接，搭接长度35d。内壁设计为双层钢筋砼结构，竖筋、环筋均采用搭接方式连接，搭接长度35d。内外层钢筋保护层厚度100 mm。井筒外壁与冻结壁之间铺设泡沫塑料板，内、外壁之间铺设塑料板夹层。混凝土强度等级为C35、C45、C50，基岩段井壁为单层素混凝土，强度等级C35。4.2井壁混凝土配合比设计麻家梁煤矿三井筒砼配合比设计由中国建筑材料科学研究总院水泥科学与新型建筑材料研究所提供。该砼配合比，针对冻结井筒内、外层井壁设计和施工对混凝土性能的特殊要求，对内、外层井壁混凝土设计了不同的混凝土配合比。设计中采用双掺技术配制C35C50具有低水化热、早强密实防裂的高性能混凝土。外壁通过掺入JQ早强减水剂提高混凝土的早期、后期强度，改善混凝土的施工性能，满足了外壁混凝土防冻、高强和快速施工的要求，内壁通过掺入JQ防裂密实剂来补偿混凝土硬化引起的体积收缩，同时通过掺入粉煤灰来减少水泥的用量，降低水化热提高混凝土的密实性，以防止混凝土出现温度和收缩裂缝，提高内壁混凝土的防水、抗渗、抗冻融、抗炭化及化学侵蚀能力，使混凝土具有良好的耐久性。4.3井筒混凝土施工工艺冻结段外壁掘砌，采用短段掘砌混合作业方式。掘进采用小型挖掘机直接破土装罐配合人工多台风镐、铁锹掘进刷帮。外壁混凝土砌筑采用3.6 m段高YJM型液压整体金属模板砌壁。主、副井内壁砼浇筑采用1.0 m段高组合式金属模板，风井采用1.4 m段高整体式滑动金属模板，自下而上连续进行。采用了铲车机械上料，电子自动计量系统配料、强制搅拌机进行混凝土搅拌、底缷式吊桶运输下料、多口分灰器配合可伸缩溜槽浇注砼、多台高频风动振动棒振捣的混凝土施工工艺，确保了C35C50高强、高性能混凝土的成功施工应用。1）混凝土搅拌和配料系统在井口建立自动化混凝土搅拌站，安装2台JS-750双卧轴强制型搅拌机，每台出料容量750L，生产效率37.542.5 m3/h。安装PL-1200型配料机和PLY型配料控制器一套。石子、砂子由装载机供料入仓，水泥使用散装水泥，配套安装100t水泥罐两座，采用2台螺旋输送机供料入仓。外加剂提前用磅秤计量分装成袋，砂子、石子、水泥均采用电子累计计量方式，配料过程用PLY型配料控制器进行自动化控制。2）混凝土的运输、浇注和振捣在搅拌站和井口之间铺设24Kg/m、900 mm轨距轨道，搅拌后的混凝土直接溜入2.4 m3底卸式吊桶中，利用JD-11.4KW调度绞车牵引运到井口，由主提升绞车直接送入井下。下放到吊盘后，通过分灰器配合可伸缩溜槽溜入模板内。从混凝土出料到混凝土下井入模，整个过程不超过15分钟。3）模板的组立和拆除井筒外壁完成一个段高3.6 m掘进后，铺设泡沫板、绑扎钢筋，经验收合格后，下放单缝液压伸缩整体模板，准备浇注砼。模板由地面三台稳车悬吊，当下放到预定段高位置时，靠液压油缸同时外伸，使模板撑大至设计尺寸，下移到井底后，利用井筒中心线找好尺寸，固定牢固后即可进行浇注作业。内壁砼砌筑采用金属装配式模板，高1.0 m，自下而上一次连续浇注混凝土套砌内壁至井口锁口处。套砌内层井壁的施工顺序为除霜、铺设塑料板夹层、绑扎钢筋、立模、浇注砼。立模时，利用井筒中心线，确定模板立模尺寸，达到设计要求后即可浇注砼。砼由安设在上层吊盘的分灰器入模，人员在下层吊盘进行模板组立、钢筋帮扎和混凝土振捣工作。内壁砌筑时在吊盘下增设一个临时吊盘，以便及时拆除砌筑内壁的模板。4.4高性能混凝土原材料选择和施工质量控制4.4.1施工原材料选择1）水泥的选择用于生产高性能混凝土的硅酸盐水泥必须兼有较高的28天抗压强度和高的流变性一般宜选用强度不低于42.5MPa的普通硅酸盐水泥。选择质量信得过的大厂水泥，以保证水泥质量的稳定性，并应通过试配来确定。2）外加剂的选择因外加剂与水泥之间存在适应性问题，配置高性能混凝土时，必须通过实验选择与所用水泥适应性好的外加剂，并根据内、外井壁对混凝土性能的不同技术要求，由设计单位选择不同品种，其性能指标应符合外加剂技术条件要求。3）砂、石和水的选择砂子选用细度模数大于2.6的中、粗砂，含泥量不大于1.0%。其它性能应符合JGJ52-92普通砼用砂质量标准及检验方法的规定。石子：选用粒径为530 mm（C35、C45混凝土）和525 mm（C50混凝土）连续级配的石灰岩碎石，含泥量不大于0.5%。颗粒中针片状颗粒含量不大于5%，不得混入风化颗粒，其它质量指标应符合JGJ53-92普通砼用碎石或卵石质量标准及检验方法的规定。水：砼搅拌用水为厂区内饮用地下水，其水质应符合JGJ63-89砼拌合用水标准的要求。4.4.2加强原材料的采购、存放和抽检工作（1）施工中采用山西文水吉港水泥有限公司生产的P.O42.5散装水泥，不同批号进场的第一罐车水泥必须提供3天强度实验报告和合格证，由专职材料员和监理共同进行查验和取样后，方可进行卸车装入水泥罐。现场抽检样品三天水泥实验强度合格后，此批号水泥方可继续供应和用于工程实体。（2）外加剂进厂均须有出厂合格证，在使用前抽样试验，不合格的不准使用，采购人员和施工人员之间应有交接记录。（3）砂、石设专人按要求定点采购，设专人管理和固定地点堆放。（4）所购碎石的材质、颗粒级配、针片状含量和含泥量等技术指标必须符合其质量要求，经目测不合格者不准进场卸车，石子进场后采用洗石子机提前进行机械冲洗，严禁石子边洗边进入混凝土搅拌机进行搅拌施工。（5）所购河砂，首先目测其粗细程度、含泥量和直径大于5 mm的卵石含量，如果不符合要求不准进场卸车。（6）各种材料存放应设有明确的标志,标明材料的名称、品种、厂家、来料日期及使用部位。（7）袋装的