风井冻结施工组织设计.doc

XX有限公司 XX煤矿南风井冻结工程施工组织设计目 录1 工程概况41.1 矿井概况41.2 气候、气象与地震51.3 井筒主要技术特征52 井筒地质特征62.1 井筒工程地质特征62.2 井筒水文地质特征112.3 地层原始温度123 冻结制冷方案设计133.1 冻结深度设计133.2 冻结壁厚和安全掘进段高设计133.3 基本参数优化153.4 冻结工艺设计213.5 制冷工艺设计243.6 冻结制冷设计主要技术指标273.7 管材接连方式和打压试漏283.8 测温孔及水文孔设计284 冷冻站设计314.1 冷冻站设计314.3 清水系统施工设计364.4 隔热层设计364.5 冻结供电设计375 施工计划及劳动组织415.1 施工工期41具体内容详见风井冻结工程进度计划表415.2 劳动组织416 施工准备及总平面布置416.1 四通一平416.2 施工准备416.3 施工总平面布置416.4 大临设施417 冻结施工方法及施工工艺417.1 冻结工程内容417.2 冻结钻孔施工方法及工艺417.3 冻结施工方法及工艺418 冻结过程的监测与控制418.1 冻结工程监测目的418.2 监控内容及监控方案419 冻结壁形成特性预测419.1 冻结壁形成状况预测419.2 主孔圈与辅助、防片孔圈之间的冻土交汇时间419.3 冻结壁内侧冻土扩至井帮的时间419.4 冻结壁外侧冻土扩展范围419.5 井筒开挖时间预测419.6 冻结壁形成预测4110.冻结施工主要措施及应急预案4110.1 施工工期保证措施4110.2 施工质量保证措施4110.3冻结孔充填施工工艺及主要措施4110.3.2施工主要技术措施4110.4 施工安全保证措施4110.5工程易出事故的防范措施及应急预案4110.6冬雨季及防大风施工措施4110.7文明施工措施4110.8 环境及职业安全健康管理措施41附表1 主要施工机械设备表41 南风井冻结设计参数表序号项目名称单位进风井回风井备 注1冲积层埋深m344.38344.382井筒净直径m5.05.03井壁厚度m1.11.41.11.44井筒掘砌荒径m7.37.957.37.955冻结深度主圈孔m441.5/365419.5/365辅助孔m350350防片孔m2152156控制层位m344.38344.387控制层位地压MPa4.484.487控制层冻结壁厚度m6.0m6.0m冻结管到荒径距离m8冻结壁平均温度-15-15变径以上变径以下9冻结圈径主圈孔m17.617.65.1504.825辅助孔m12.612.62.6502.325防片孔m10.410.41.5501.22510孔数主圈孔个4040冻结管规格200米以下1596，200米以上1595。供液管规格756。辅助孔个1818防片孔个131311开孔间距主圈孔m1.3811.381辅助孔m2.1882.188防片孔m2.4892.48912冻结孔偏斜及最大孔间距m表土段钻孔偏斜率2，基岩段钻孔偏斜率3,向内最大偏值为0.4 m,但防片孔不许向内（井心方向）偏斜；最大孔间距表土段：主圈孔1.8m，基岩段2.4m，长腿孔间距3.5m.辅助孔、防片孔按偏斜要求；13测温孔m /个441.5/2、360/1419.5/2、360/1规格89514水文孔m /个179/1179/1水文管108515钻孔工程量m26647261635281016井筒需冷量104Kcal/h314.9309.417冻结站标准制冷量1020100218盐水温度-25-32工期d3303251造孔d7372每井5台钻机，单台进尺2200m/月2地沟槽d10103开机至试挖d75754试挖至开挖d1515试挖20m5开挖至停机d157153要求成井80m/月，外壁进尺104m/月 1 工程概况1.1 矿井概况XX集团XX井田位于河南省XX市西南，北邻城郊井田，南与安徽省接壤。行政区划属双桥、XX、马桥三乡管辖，其地理坐标为东经11613341161807，北纬334721335358。本井田处于华北平原与黄淮冲积平原的交接部位，地势平坦，自西北向东南略有倾斜，地面标高一般在+31+33m，相对高差2m左右。井田中部的XX乡距XX市区16km，东北距陇海、津浦线交汇站徐州市118km，北距陇海铁路商丘站114km，西距京九铁路亳州站80km。东距徐（州）阜（阳）铁路的百善站48km。矿区铁路专用线已投入运营；永（城）涡（阳）公路纵贯井田，乡村道路四通八达，交通方便（详见图1-1）。该矿井设计生产能力1.2Mt/a，服务年限56.6年。井田地质储量16405万吨，可采储量9515.2万吨。矿井设计采用立井单水平上下山开拓，当前开采水平标高为-550m，-550m水平轨道运输大巷和胶带运输大巷布置于煤层顶板岩石中。XX井田交通位置图 图 1-11.2 气候、气象与地震本井田属暖温带季风气候区，冬季寒冷雨雪少，春季干旱风沙多，夏季炎热，雨量充沛，秋季晴和，日照充足。年平均气温在14左右，年平均降水量850.65mm，年平均蒸发量1742mm。蒸发量大于降水量2.1倍左右。降水多集中在79月。降雪及冰冻期为每年11月初至翌年3月，最大冻土深度0.21m。地震：XX县境内自有史料记载以来，没有4.7级以上地震的震中分布，但本区地处华北地台东南边缘，靠近郯卢断裂地震活动带，受邻区地震影响比较频繁，最大地震烈度为六度。1.3 井筒主要技术特征地面自然标高为+31.5m，井口标高为+34.5m，表土层厚度340m，进风井深419.5m，落底标高为-385m水平，位于煤层顶板，距二2煤层10m；回风井深409.5m，落底标高为-375m水平，位于煤层顶板，距二2煤层10m。详情见表11 井筒主要技术特征表表11序号名 称单位南翼进风井南翼回风井1井口坐标纬距m3743807.0003743737.000经距Ym39430617.00039430671.0002井口标高m+34.5+34.53井筒深度m419.5409.54井筒直径净m5.05.0掘进170m以上m7.307.30170m以下m7.95/7.8/6.27.95/7.8/6.25砌壁厚度170m以上m1.101.10170m以下m1.4/0.61.4/0.6材料冻结段钢筋砼钢筋砼基岩段钢筋砼钢筋砼6表土层厚度m344.38344.387冻结深度m441.5419.58井筒装备梯子间、压风管、注浆管2 井筒地质特征2.1 井筒工程地质特征XX煤矿所处井田区为全掩盖区，其基岩地层均隐伏于新生界地层之下，新生界地层厚度为344.38m（根据井检钻孔实际揭露）。井检钻孔的地层由新到老穿见有：第四系全新统（Q4）及更新统（Q1-3）、新近系上新统(N2)、中新统(N1)、二叠系下统山西组（P1s）、石炭系上统太原组（C3t）。现分述如下：1、第四系（Q）全新统（Q4）：厚31.77m，顶部为耕植土，中上部为黄褐色、褐灰色砂质粘土和杂色粘土，底部为褐黄色砂质粘土，局部含泥质及钙质结核。含大量姜结石和小砾石。更新统（Q1-3）：厚100.10m，上部为杂色粘土、亚粘土，中下部为砾石及棕黄色黄褐色粘土、砂质粘土夹多层黄色细砂及中砂层。底部为黄褐色灰褐色细砂和砂质粘土。砾石层砾径范围为530mm左右，分选较差。本层穿见砂层3层，共计7.91m。与下伏地层平行不整合接触2、新近系（N）上新统（N2）：厚68.99m，由土黄、灰黄、灰绿色亚粘土，粘土组成，夹黄棕色亚砂土、细砂层透镜体。粘土层较厚可塑性强。本层穿见砂层2层，共计27.60m。与下伏地层平行不整合接触。中新统（N1）：厚143.52m，上部由灰黄、棕黄、土黄色中-细粒砂层、灰黄、土黄、灰绿色亚粘土，粘土组成，含铝土质。下部以黄、灰绿色粘土为主，含铝土质和石膏晶体，夹细砂、粉砂质透镜体。底部发育一层灰白色钙质亚粘土，局部已成岩。与下伏地层不整合接触。3、二叠系下统山西组（P1s）本孔穿见山西组地层103.99m，由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、煤层及中-细粒砂岩组成。穿见煤层2层，分别为二2上煤层（厚2.48m）及二2煤层（2.16m）。二2煤层以上地层以砂岩为主，次为粉砂岩、砂质泥岩，上部见有含菱铁质鲕粒铝质泥岩。二2煤层以下地层以粉砂岩、砂质泥岩为主，二2煤层底板砂岩中多含菱铁质结核，且夹粉砂质、泥质条带，呈明显的水平及缓波状层理。与下伏太原组地层整合接触。基岩风化带处于山西组顶部，与新生界地层呈不整合接触，厚度为15.93m（伪厚），顶底板深度分别为344.38360.31m，标高为-313.348-329.278m，其岩性为主要为细粒砂岩、泥岩，局部夹砂质泥岩，厚层状，裂隙发育，岩芯完整度差，RQD值为4174%。4、石炭系上统太原组（C2t）本孔揭露太原组地层18.80m。穿见L12灰岩（厚2.73m），其上为深灰色、灰黑色海相砂质泥岩（厚8.22m），以此海相泥岩顶界为太原组与山西组的分界。据以往资料显示，该组地层平均厚度138.87m，与下伏本溪组整合接触。详见井筒检查孔工程地质柱状图井筒检查孔工程地质柱状图 序号系统/组地层名称岩性描述层厚/m累计厚度/m1第四系Q全新统Q4无芯钻进。8.008.002黄土黄色、褐黄色，可见植物腐蚀物，中下部可见大量浆结石。岩芯较松散、破碎。3.3911.393粘土褐黄色、黄色，局部略含砂质，中上部可见浆结石小团块，岩芯粘性一般，较完整。20.3831.774砂质粘土灰黄色，含砂质不均匀，局部为粘土薄层，底部可见少量浆结石，上部岩芯较破碎。2.8434.615粘土灰黄色，局部可见少量深灰色腐蚀物，中上部含砂质。13.3147.926砂质粘土黄色、褐黄色，含砂质不均匀，局部含砂量较高，略含粘土质，岩芯较松散。全层岩芯较完整。4.7952.717粘土灰黄色，局部含砂质为砂质粘土，中下部可见少量浆结石。12.8265.538更新统Q1-3细砂黄色、灰黄色，略含泥质成分，偶见白云母碎片。砂粒颗粒较均匀，岩芯松散。1.9567.489粘土灰黄色，中上部含砂质为含砂质粘土，局部可见细小钙质团块，团块粘度不大，手捏即碎。上部岩芯较整状，底部岩芯松散、破碎。1.3568.8310细砂灰黄色，局部含泥质，砂粒颗粒较均匀，岩芯松散，手捏即碎。1.7070.5311粘土褐黄色，上部含少量砂质，中下部质纯，岩芯粘性较大，岩芯整状。16.3886.9112粘土褐黄色、灰黄色，含钙质团块及燧石结核，局部钙质含量较高，岩芯细腻致密。孔深94.18m-95.52m含少量砂质，为含砂质粘土。15.26102.1713细砂灰黄色，质纯，含少量泥质。偶见性点状白云母碎片，孔深103.50m处可见石英飘砾。岩芯松散，手捏即碎。4.26106.4314粘土灰黄色、褐黄色，局部可见钙质团块及燧石结核，底部含砂质，岩芯较完整。15.94122.3715砂质粘土褐黄色，局部灰白色，含砂质不均匀，局部泥质成分含量较高，岩芯致密完整。3.24125.6116粘土灰黄色，含铝土质成分，局部含钙质团块及砂质。岩芯细腻光滑，粘性较大。底部岩芯具挤压滑面。6.26131.8717细砂灰褐色、灰黄色，局部含泥质成分，砂粒颗粒较均匀，偶见白云母碎片，岩芯松散，手捏即碎。15.07146.9418粘土灰黄色，含铝土质成分，岩芯细腻光滑，粘性较大。局部可见大量钙质团块及砂质。孔深149.43m-149.57m处可见卵石薄层。岩芯整状。18.23165.1719砂质粘土灰黄色，局部含钙质呈灰白色，含砂质不均匀，局部粘土含量较高，顶部可见有钙质团块，岩芯较松散，底部含砂量渐增。0.90166.0720细砂灰黄色，局部含泥质，偶见白云母碎片，砂粒颗粒较均匀，顶部岩芯缺失严重，中下部岩芯松散，手捏即碎。12.53178.6021粘土灰绿色，顶部含砂质，岩芯致密光滑，粘性较大，顶部岩芯采取率偏低。底部岩芯可见挤压痕迹。22.26200.8622粘土灰绿色、灰黄色，含铝土质成分，岩芯细腻光滑，局部可见钙质结核，岩芯粘性较大，上部可见挤压痕迹。15.18216.0423砂质粘土灰黄色、灰绿色，局部可见直径约2mm砂砾，砂质含量不均匀，局部偏高。岩芯较整状。10.10226.1424新近系N上新统N2粘土灰绿色，局部褐黄色，偶含砂质，岩芯较致密、细腻光滑，粘性较大。岩芯较完整。26.62252.7625粘土褐黄色，夹少量灰绿斑，中下部可见大量石膏晶体，岩芯较松散，粘性不大。7.50260.2626粘土灰绿色，局部褐黄色，偶见钙质结核及燧石结核，中上部可见少量石膏晶体，局部偶含砂质。岩芯较完整，粘性较大。28.61288.8727砂质粘土褐黄色，夹少量灰绿斑，含砂量较均匀，可见钙质结核及锰质结核。岩芯致密完整，粘性较小。11.40300.2728粘土褐黄色，局部灰绿色，偶含砂质，粘性不大。局部岩芯破碎。31.86332.1329钙质粘土黄褐色，夹少量灰绿斑，含大量钙质物及砂粒，燧石结核。砾石呈半胶结状，砾石大小不一。岩芯硬度较大，俗称次生碳酸岩。中下部岩芯破碎，采取率偏低。底部铁质侵染呈褐黄色。12.25344.3830细粒砂岩灰黄色、褐黄色，中厚层状，成分以石英为主，夹少量白云母碎片，钙质、泥质胶结，次圆状，分选性较好，发育似平行层理及波状层理。偶见垂直裂隙，铁质侵染。岩芯风化严重，硬度偏低。RQD值为：42%。3.00347.3831泥岩灰色、灰黄色，厚层状，岩芯细腻光滑，含铝土质成分，中下部可见细小菱铁质鲕粒。偶见不规则裂隙，钙质物及铁质侵染。上部岩芯破碎。RQD值为：41%。4.03351.4132砂质泥岩浅灰色、灰黄色，厚层状，砂质含量不均匀，局部夹粉砂岩条带及泥岩条带。发育不规则裂隙，钙质及铁质侵染。RQD值为：74%。4.72356.1333粉砂岩浅灰色，局部灰黄色，厚层状，局部夹砂质泥岩条带，具不规则裂隙，钙质物充填，局部铁质侵染。RQD值为：43%。4.18360.3134中新统N1砂质泥岩灰色、局部略显暗紫色，厚层状，含砂质不均匀，局部为泥岩条带，偶含铝土质成分，顶部可见菱铁质鲕粒。含少量植物化石碎片。发育不规则裂隙，钙质物及钙质薄膜充填，局部铁质侵染。顶部岩芯破碎。RQ D值为：50%。7.18367.4935粉砂岩灰色，厚层状、中厚层状，含少量植物化石碎片。具不规则裂隙，钙质物充填。岩芯整状。RQD值为：75%。1.06368.5536细粒砂岩灰色，厚层状、中厚层状，成分以石英为主，菱铁质岩屑呈定向排列，断面可见性点状白云母碎片，顶部颗粒较细，往下渐粗。钙质胶结，次圆状，分选性中等，中下部具垂直裂隙，钙质物及黄铁矿粉晶充填。498#9。RQD值为：66%。2.64371.1937砂质泥岩灰色，厚层状，含砂不均匀，局部夹粉砂岩薄层及泥岩条带，具不规则裂隙，裂隙面充填钙质物。RQD值为：84%。2.96374.1538细粒砂岩浅灰色，厚层状，成分以石英为主，岩屑次之，断面可见黄铁矿粉晶，钙质胶结，次圆状分选性较差，局部夹砂质泥岩条带。显示小型交错层理。具裂隙，隙面充填钙质薄膜。RQD值为：57%。1.44375.5939粉砂岩灰色，厚层状，颗粒不均匀，间夹砂质泥岩薄层，显示交错层理，底部0.20m颗粒渐粗，具裂隙，隙面充填钙质物。RQD值为：59%。5.05380.6440砂质泥岩灰色、浅灰色，中厚层状、厚层状，含砂不均匀，局部为泥岩薄层，底部含砂量渐增，中下部可见丰富的植物根部化石及植物化石碎片。发育不规则裂隙，钙质物及钙质薄膜充填。岩芯较完整。RQD值为：81%。5.96386.6041细粒砂岩浅灰色、灰色，中厚层状，成分以石英为主，少量铁质岩屑定向排列，层面可见丰富的植物茎部及叶部化石碎片，污手。钙质胶结，次圆状，分选性较好，发育缓波状层理及脉状层理。与下伏岩层明显接触。RQ D值为：92%。1.95388.5542泥岩灰色，厚层状，含丰富的植物化石碎片，底部含砂质，具不规则裂隙，钙质薄膜充填，局部偶见黄铁矿粉晶充填。RQD值为：68%。2.43390.9843粉砂岩浅灰色、灰色，厚层状，局部夹砂质泥岩薄层，底部含砂量渐增，全层可见完整的植物叶部化石，叶脉清晰可见。与下伏岩层过渡接触。RQD值为：90%。2.62393.6044细粒砂岩灰色、灰白色，中厚层状、厚层状，成分以石英为主，岩屑次之，铁质颗粒呈定向排列，断面可见星点状白云母碎片，顶部夹深灰色粉砂岩条带，呈互层状。中下部可见不规则泥砾及砂质泥砾。底部层面可见碳质且污手。钙质胶结，次圆状，分选性中等-好。具波状层理、小型交错层理及似平形状层理。偶见裂隙，钙质薄膜充填。岩芯坚硬，致密完整。546#8。RQD值为：93%。13.06406.6645煤灰黑色，块状、碎块状，金属光泽、玻璃光泽，半亮型、光亮型煤。上部以块煤为主，中下部以粉末状及碎屑煤为主，发育内生裂隙，性脆，参差状断口。底部煤质变差。含夹矸一层。煤层结构：2.48=1.48（0.10泥岩）0.90；煤层采长：2.25=1.35（0.10泥岩）0.80。测井煤层止深：409.20m；厚度：2.45m。2.48409.1446泥岩灰色、灰黑色，厚层状、中厚层状，顶部可见植物根部化石，中下部含丰富的植物化石碎片及茎叶化石，叶脉清晰可见，岩芯含碳量较高，条痕呈深灰色，局部夹镜煤条带及炭质泥岩薄层。断面可见黄铁矿薄膜。岩芯较整状。RQD值为：93%。2.61411.7547二叠系下统山西组P1s煤灰黑色，块状，弱玻璃光泽，半亮型煤，具内生裂隙，参差状断口。局部煤质较差。测井煤层止深：414.05; 厚度：2.35m。2.16413.9148粉砂岩灰色，厚层状，局部可见植物根部化石碎片及植物叶部、茎部化石碎片，偶见碳质面。岩芯整状。RQD值为：90%。1.44415.3549细粒砂岩灰色、浅灰色，中厚层状，成分以石英为主，长石岩屑次之，夹深灰色粉砂岩条带，呈互层状，层面可见少量碳质物及植物化石碎片，顶部可见少量粉砂质及泥质泥砾。钙质胶结，次圆状，分选性较好，发育缓波状层理及似平形状层理，顶部层理扰动剧烈，具不规则裂隙，钙质薄膜充填，局部可见黄铁矿粉晶，中下部岩芯破碎。RQD值为：72%。6.20421.5550粉砂岩灰色，中厚层状，局部可见细砂质团块及砂泥质条带。断面可见少量黄铁矿薄膜，偶见棕色云母碎片。具少量细小裂隙，钙质物充填，发育波状层理及似平形状层理。岩芯整状。579#8.5。RQD值为：91%。5.71427.2651砂质泥岩深灰色，厚层状，含大量植物化石碎片，见大量黄铁矿粉晶及条带，局部可见镜煤条带。含碳成分较高，具裂隙，隙面充填钙质物，含砂质不均匀，间夹粉砂岩薄层。岩芯破碎。RQD值为：54%。1.30428.5652粉砂岩灰色，厚层状，含少量植物化石碎片及黄铁矿粉晶，局部夹砂质泥岩条带，显示交错层理，具裂隙，隙面充填钙质薄膜。RQD值为：72%。2.70431.2653砂质泥岩深灰色，厚层状，含大量植物化石碎片，局部含碳量较高，条痕呈深灰色。局部夹粉砂岩薄层。偶见滑面，具裂隙，黄铁矿粉晶及钙质物充填。显示似平形状层理，断口平坦。#5989。RQD值为：61%。9.01440.2754细粒砂岩灰色，厚层状，成分以石英为主，岩屑次之，间夹砂质泥岩薄层，显示交错层理。次圆状、分选性较差，钙质胶结，具裂隙，隙面充填钙质薄膜及黄铁矿粉晶，下部颗粒渐细。RQD值为：65%。1.45441.7255粉砂岩灰色，厚层状，含少量白云母碎片，间夹泥岩条带，局部铁质含量较高，具裂隙，隙面充填钙质物。显示似平形状层理。610#9。RQD值为：57%。6.65448.3756砂质泥岩深灰色，厚层状，含砂质不均匀，局部夹粉砂岩薄层，下部可见大量黄铁矿结核。参差状断口，具裂隙，隙面充填钙质薄膜。RQD值为：82%。8.22456.5957灰岩灰色，含大量动物化石，见少量黄铁矿粉晶。预酸剧烈起泡，具裂隙，方解石脉充填，岩芯整状。RQD值为：38%。2.73459.3258砂质泥岩深灰色，厚层状，见大量黄铁矿粉晶及结核，含砂量不均匀，顶部夹细砂岩薄层，具裂隙，隙面充填钙质物。641#10。RQD值为：66%。1.37460.6959石炭系上统太原组C2t细粒砂岩灰色，厚层状，成分以石英为主，长石、岩屑次之，见大量泥质包体及砂泥岩条带，断面可见少量白云母碎片。分选中等，钙质胶结，显示波状交错层理。具裂隙，隙面充填碳屑及钙质物。RQD值为：69%。5.64466.3360砂质泥岩深灰色，厚层状，含砂质不均匀，局部夹粉砂岩薄层，下部岩芯破碎。参差状断口，具裂隙，隙面充填钙质薄膜。RQD值为：34%。0.84467.172.2 井筒水文地质特征2.2.1 井田水文地质条件井田位于XX背斜西翼南段，北部与西部由F201、F203正断层组成隔水边界；南部F216正断层沿北西向延伸，成为良好的隔水边界；东界为露头地段，灰岩分布面积有限，上覆巨厚的新生界地层272.20399.90m，平均厚度341.79m，新生界底部普遍发育-2隔水段，厚度一般在90150m，有效阻隔了上部水的垂直下渗。本井田形成北、西、南三面封闭较好，上部受阻的独特水文地质特征。煤系下伏地层为太原组，含灰岩913层，基底为奥陶系石灰岩。按含水层岩性特征，地下水埋藏条件等，井田自上而下划分为十个含水层组，分别为：第四系全新统松散孔隙潜水含水组（I）、第四系上更新统松散孔隙承压水含水组（）、第四系中下更新统松散孔隙承压水含水层组（）、新近系上新统松散孔隙承压水含水层组（-1）、下石盒子组三22煤层顶板砂岩裂隙承压水含水层（）、山西组二2煤顶板砂岩裂隙承压水含水组（）、太原组上段灰岩岩溶裂隙承压水含水组（）、太原组下段灰岩岩溶裂隙承压水含水组（）、奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水含水组（）及燕山期岩浆岩裂隙接触带承压水含水组（）。含水层类型主要为孔隙潜水、承压含水层、裂隙承压水含水层及岩溶裂隙承压水含水层三种类型2.2.2井检孔层段主要含水层特征根据南风井井筒检查钻孔所获资料，现将其水文地质特征自上而下分述如下：（1）新生界孔隙含水层组本区位于淮河冲积平原，紧邻黄河冲积平原，沉积了厚层新生界松散沉积物，由于沉积物时代及成因不同，地层结构复杂，沉积重叠交错。南风井井筒检查孔穿见厚度344.38m，其中第四系(Q)层厚131.87m；新近系（N）厚度212.51m。该含水层组由粗、中、细粉砂和粘土、亚粘土、亚砂土组成，该组自上而下分为四个含水层：第四系全新统松散孔隙潜水含水层（I）:含水层由粘土质砂及粉细砂层组成，埋深一般在2026m，砂层较发育，单位涌水量0.902.17l/s.m，渗透系数9.4011.99m/d，水位埋深及变化幅度受大气降水控制，循环交替条件较好，矿化度0.30.6g/l，水质类型为HCO3CaNaMg型，属强含水层，是当前民用及农田灌溉主要水源。第四系上更新统松散孔隙承压水含水层组（）：含水层以细、中砂为主，其间有粘土或亚粘土沉积，总厚51m左右，其中砂层平均厚度29.88m，单位涌水量0.705l/s.m，渗透系数2.71m/d，水位标高29.42m，矿化度0.573g/l，水质类型为HCO3Na型，属中等含水层，是场矿单位的主要供水目的层。第四系中下更新统松散孔隙承压水含水层组（）：含水层由粉细砂、粘土质砂组成，粘土层较发育，总厚度58m左右，砂层平均厚度18.64m，砂层单层厚度小，稳定性差。单位涌水量0.283l/s.m，渗透系数1.56m/d，水位标高30.46m，矿化度1.202g/l，水质类型为HCO3SO4ClNa型，属中等含水层。新近系上新统松散孔隙承压水含水层组（-1）：含水层主要由细砂、中砂及粉砂组成，粘土层发育较差。总厚度74m左右。砂层平均厚度41.63m，砂层单层厚度较大，分布稳定。单位涌水量0.378l/s.m，渗透系数1.10m/d，水位标高31.35m，矿化度0.942g/l，水质类型为HCO3SO4Na型，属中等含水层。为一良好的供水目的层。由于本次井检孔未对新生界地层进行抽水试验，上述内容借鉴于以往地质勘探报告。(2）山西组二2煤层顶板砂岩裂隙承压水含水组（）井检孔揭露基岩顶界面与二2煤层顶板厚度为62.28m，埋藏深度分别为344.38406.66m，标高为-313.348-375.628m。顶部基岩强风化带厚度为15.93m(伪厚)，上部强风化带裂隙发育，岩芯破碎；下部弱风化带随深度增加，裂隙发育程度逐渐减弱，裂隙多被上部松散物所充填。钻进过程中简易水文观测未发现有明显消耗。基岩顶界面距二2煤层顶板厚度仅为62.28m，故本次对基岩风氧化带含水层和二2煤层顶板砂岩裂隙承压水含水层组采用了混合抽水试验，其抽水试验结果：单位涌水量0.00576 l/s.m，渗透系数0.02895md，水位标高-31.818m，矿化度1259mg/l，硬度287.67 mg/l，pH值7.94，水质为HCO3SO4ClNa型，反映了该含水层渗透性差、富水性弱的特点。井筒涌水量预计为8.42m3/h。2.3 地层原始温度依据设计要求，本孔进行了近似稳态测温。钻孔落底井温为29.2，煤层附近岩温约为28.00。根据测温成果计算，XX煤矿南风井井检孔地温梯度约为2.87/100m，无地温异常。近似稳态测温成果详见表2-1 测 温 成 果 表 表2-1点号孔深（m）温度（）点号孔深（m）温度（）点号孔深（m）温度（）1019.11120023.22140027.722021.31222023.92242028.534021.31324024.72344028.946021.71426025.12446029.258021.71528024.82546529.2610022.01630025.6712022.51732026.2814022.71834026.5916023.11936026.71018023.12038027.2903 冻结制冷方案设计3.1 冻结深度设计设计依据 (1) 煤矿井巷工程施工规范第5.2.2条的规定：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。 (2) 煤矿井巷工程施工规范第5.2.26条的规定：冻结段井筒的掘砌深度应浅于主冻结孔设计深度，根据规定冲积层厚度在300m400m应比井筒冻结深度浅911m。 (3) 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。 (4) XX煤矿南风井工程初步设计。(5) 南风井井筒检查孔成果报告。(6) 永夏矿区临近矿井冻结成果资料。（7）XX南风井冻结实验报告根据筒形壁座底板最小深度及最小冻结深度分析以及二期工程施工需要，确定进风井冻结深度为441.5m、回风井冻结深度为419.5m。3.2 冻结壁厚和安全掘进段高设计3.2.1 计算公式选择深厚冲积层的冻结壁厚度和安全掘进段高计算：方法之一是以中国为代表，采用多姆克公式计算砂性土层的冻结壁厚度和按维亚洛夫-扎列茨基公式计算粘性土层的安全掘进段高；方法之二是以波兰为代表，采用利伯尔曼公式计算冻结壁厚度和掘进段高；方法之三是采用变形公式计算冻结壁的稳定性；方法之四是采用美国ANSYS通用软件等分析冻结壁温度场和应力场。根据多年从事冻结凿井的实践探索：认为方法一较为适用，并已初步建立起砂性土控制层位采用多姆克公式计算冻结壁厚度和粘性土控制层位采用维亚洛夫-扎列茨基公式计算安全掘进段高的冻结壁设计计算体系，并成功地用于程村主、副井430m冲积层、济西主井457.8m冲积层、泉店主副风井440455m冲积层、赵固一矿和赵固二矿528m冲积层的冻结壁厚度和安全掘进段高计算，均取得良好的效果；方法二比方法一的冻结壁计算厚度稍小，可供参考；方法三涉及的参数较为复杂，因试验数据有限和经验不足而未得到普遍应用；方法四的关键是由于参数值选取不同，计算结果往往差异较大，一般用于验算冻结壁的稳定性。下面着重介绍多姆克公式、维亚洛夫-扎列茨基公式和利伯尔曼公式。3.2.2 多姆克冻结壁厚度公式多姆克于1915年，把砂性土层冻结壁看作无限长的弹塑性厚壁筒，按第三强度理论推导得出的冻结壁厚度计算公式。 (3.1)式中 E按强度条件计算的冻结壁厚度，m； R井筒掘进半径； P计算水平的地压,MPa； K砂性土层的冻土计算强度，MPa。3.2.3 利别尔曼冻结壁厚度公式利别尔曼于1961年，把冻结壁看作有限长的刚-塑性厚壁筒，按第三强度理论（极限平衡理论）的极限值原理推导出来的在一定段高内的冻结壁厚度与安全掘进段高计算公式。 (3.2)式中 E冻结壁厚度，m； h未支护段高度或安全掘进段高，m； r0覆盖层的平均容重，取1.3t/m3； HP计算层位的埋藏深度，m； RCT冻土平均瞬时抗压强度，MPa； mk安全系数。3.2.4 维亚洛夫-扎列茨基安全掘进段高公式维亚洛夫-扎列茨基于1962年，把粘性土层冻结壁看作有限长的弹塑性厚壁筒，按第四强度理论推导出来的冻结壁安全掘进段高计算公式。 (3.3)式中 h按变形条件计算的安全掘进段高，m； E按强度条件计算的冻结壁厚度，m； P计算水平的地压,MPa； 粘性土层的冻结持久抗压强度或计算强度，MPa；工作面冻结状态系数，掘进工作面为非冻结状态时取，掘进工作面冻实时取，即=0.8651.73。为了便于计算，工作面冻土扩展范围为0、1/4、2/4、3/4、4/4时，值可相应地取1.732、1.516、1.299、1.082、0.865。通过以上分析，考虑到风井的冲积层厚度344.38m，粘性土层的累积厚度占冲积层厚度的77%，拟在应用上述方法冻结壁强度和稳定性设计计算体系的基础上，结合国内近几年厚冲积层的冻结凿井经验，在设计参数选取上进行合理的调整和完善，以达到安全可靠和经济合理的目的。3.3 基本参数优化3.3.1 冻结控制层位和地压(1) 冻结控制层位根据风井冲积层的埋藏条件和土层组成特点分析，冻结壁设计控制见下表 风井冻结设计控制层位 表31土层粘性土控制层位名称粘土钙质粘土层厚/m28.6112.25埋深/m260.26288.87332.13344.383.3.2 冻结孔允许偏值与成孔间距煤矿巷工程施工规范第5.2.4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3.0m；位于风化带及含水基岩的钻孔，不易大于0.5%，但相邻两个钻孔终孔的间距不得大于5m。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，随着钻孔设备和工艺的不断完善，当冲积层厚度较大时，规范第5.2.4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5m的规定要求偏低。根据最近几年深厚冲积层冻结孔垂直度状况分析，认为在采用钻、测、纠相结合的钻进工艺和靶域钻进措施的条件下，风井冲积层主冻结孔偏斜要求为表土段钻孔偏斜率2，基岩段钻孔偏斜率3,向内最大偏值为0.4 m,但防片孔不许向井心方向偏斜大于；最大孔间距表土段：主圈孔1.8m，基岩段2.4m，长腿孔间距3.5m.辅助孔、防片孔按偏斜要求。3.3.3 冻结盐水温度根据风井检查孔柱状图分析，结合国内应用螺杆式冷冻机制冷和往复式冷冻机串联双级压缩制冷的实践经验分析，风井的冻结设计盐水最低温度达-32。3.3.4 冻结壁平均温度(1) 计算公式冻结壁平均温度是确定冻土强度和冻结壁强度、稳定性的基本依据。它主要取决于冻结壁厚度、冻结盐水温度、冻结孔间距、井帮温度以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。我国对冻结壁平均温度的认识和计算方法可概括为以下几个阶段：冻结法凿井的引进阶段至探索改进阶段初期，采用前苏联H特鲁巴克按单个冻结器传热条件推导出来的公式计算冻结壁平均温度，该公式未考虑邻近冻结器的相互影响和井筒的实际冻结状况或井帮温度对冻结壁平均温度的影响，计算出来的冻结壁平均温度偏高，特别是深井冻结时误差偏大。冻结法凿井的探索改进阶段中期，开始采用国外模拟试验和有限差分法得出的冻结壁平均温度计算公式（如依姆斯捷潘诺娃公式），并逐步过渡为采用国内冻结壁温度场物理模型试验和工程实测数据。冻结法凿井的探索改革阶段后期，采用成冰等根据冻结壁温度场物理模型试验、工程实测、有限元分析得出的单圈孔冻结壁平均温度计算公式。冻结法凿井完善提高阶段，采用成冰提出的单圈孔和主冻结孔内侧增设辅助孔（含防片帮孔）冻结的冻结壁平均温度计算公式。 单圈孔冻结时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冻结壁的有效厚度的平均温度影响值之和。 (3.4) (3.4.1) (3.4.2)式中 tc按冻结壁有效厚度计算的平均温度，； t0c按冻结壁0边界计算的单圈孔冻结壁平均温度，； te井帮冻土温度对单圈孔冻结壁有效厚度的平均温度影响值，； tb冻结盐水温度，； L冻结孔间距，m； E单圈孔冻结壁有效厚度，m； tn计算水平的井帮冻土温度（）主要与土层性质、冻结孔布置方式、冻结管直径、冻结盐水温度、以及冻结时间等因素有关，而冻结时间主要与冻结段掘砌速度有关。根据这几年冻结段快速施工的经验分析，认为风井冻结控制层位（深344.38m的粘土层）的井帮温度取-6-8较为适宜。 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，根据实践经验可近似地按=0.3选取。当井帮土壤为正温时，取0。 主冻结孔内侧增设辅助孔（含防片帮孔）冻结时在成冰提出的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，或采用加权平均法计算。 (3.5)或 (3.6)式中 tcf主冻结孔内侧增设辅助冻结孔的冻结壁有效厚度平均温度，； tc单圈孔冻结壁有效厚度的平均温度，符号同公式(2.1) ，； 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，； S辅助孔圈与主孔圈之间的距离，m； E1主冻结孔圈外侧的冻结壁有效厚度，m； E2辅助孔圈内侧的冻结壁有效厚度，m。 ts辅助孔圈与主冻结孔圈之间部位的冻结壁平均温度，。 主冻结孔内、外侧均增设辅助孔冻结时在成冰提出的单圈孔冻结壁平均温度计算公式的基础上，增加主冻结孔与内侧及外侧辅助孔之间部位对平均温度的影响值。 (3.7)式中 tcny主冻结孔内、外侧均增设辅助冻结孔的冻结壁有效厚度平均温度，； tc外孔圈外侧与内孔圈内侧冻结壁有效厚度的平均温度，； tfy主冻结孔圈与外侧辅助孔圈之间部位对冻结壁有效厚度平均温度的影响值，计算方法同tfn； tfn主冻结孔圈与内侧辅助孔圈之间部位对冻结壁有效厚度平均温度的影响值，,符号与计算方法同公式（3.5）。(2) 平均温度计算结果把冻结盐水温度（-32）、冲积层中冻结孔允许成孔间距（1.8m）和控制层位的井帮冻土温度（-6-8）代入公式（3.13.3）求得风井冻结壁平均温度值为-12-15.2（主冻结孔内侧增设辅助冻结孔时）。3.3.5 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。国内在冻结壁厚度设计中，1989年以前一直采用505050mm立方体冻土试件按快速加载（305s）的无侧限瞬时抗压强度数据，它与煤炭科学研究总院北京建井研究所试验得出的粘性土层61.8150mm冻土试件按恒应变速率轴向加载的无侧限瞬时抗压强度数据之间存在着一定的系数关系。经分析认为：在61.8150mm冻土试件强度未正式明确如何直接用于冻结壁设计之前，把按61.8150mm