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冻结法施工组织设计毕业论文第二篇第一章：井de筒概况梁宝寺二号井由肥城矿业集团公司投资兴建，矿址位于山东省嘉祥县，东南距嘉祥县城约20km。矿井由中煤国际工程集团南京设计研究院设计，设计生产能力为1.2Mt/a；采用立井开拓，工业场地内布置有主、副、风三个立井井筒。风井井筒井口设计标高+40.500m，井筒中心坐标：X=3939282.968m，Y=20426652.891m，井筒净直径5.5m，井筒总深度977.500m。梁宝寺二号井风井井筒主要技术特征表序号名 称单 位参 数1井口位置mX=3939282.968 Y=20426652.8912井口设计标高m+40.53设计净直径m5.54设计净断面m23.765表土层厚度m453.856冻结深度m526.007水平标高m-9258水平以下深度m12.09井筒全深m977.5第二章：井筒地质及水文地质2.1地层区域东起峄山断层，西至聊考断层，北起汶泗断层，南至单县、韩台断层。地层区划属华北地层区鲁西地层分区济宁地层小区。地层自上而下有新生界第四系，上、下第三系；中生界侏罗系；古生界二迭系、石炭系、奥陶系、寒武系、震旦系、太古界泰山群。巨野煤田位于华北地台鲁西台背斜鲁西南断块坳陷的中、西部，就东西向构造带而言，位于昆仑秦岭纬向构造带的东延北支部分，并处于和新华夏系第二沉降带的复合端。因受昆仑-秦岭构造带、环太平洋构造带的影响，东西向及南北向的正断层发育较好，形成棋盘格状的构造格局，具有经济价值的煤层均赋存于地堑内。风井井筒由上到下穿过的地层有第四系、第三系、二叠系上石盒子组、二叠系下石盒子组地层，分述如下：（1）第四系底深145.55m，厚145.55m，主要由中巨厚层砂质粘土、粘土质砂砾及砂层组成。粘土的粘性及膨胀性较强；砂质粘土含中-细砂为主，粘性不均一，较松散，局部有钙质结核；砂层以细-粗粒为主，纯净，松散。本段地层粘土、砂质粘土总厚度105.22m，占本段地层的72.3。（2）第三系底深453.85m，厚308.30m，为一套湖相沉积，不整合于下伏基岩之上，主要有厚层粘土，砂质粘土及砂层组成。粘土的粘性、膨胀性较强，切面光滑，局部半固结，含细砂及钙质结核。本段地层粘土、砂质粘土总厚度234.59m，占该段地层的75。（3）二叠系a、上石合子组：底深966.15m,厚度512.30m,主要为厚层泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及砂岩组成。泥岩呈灰、褐红、紫褐、褐黄色，块状构造，硬度低，内生滑面发育，遇水易崩解。砂岩灰白色，细-中粒结构，钙质胶结，硬度较高，垂直裂隙发育。粉砂岩呈灰色，致密坚硬，岩芯较完整。顶部为风化带，厚度18m，风化带内岩石强度低，裂隙发育，岩芯破碎。b、下石合子组；底深985.12m（未透），厚19.06m，主要由浅灰色粗粒砂岩，中粒砂岩、细砂岩及粉砂岩组成。局部裂隙发育，充填方解石。2.2构造井检孔穿过的地层取芯率高，岩芯完整，地层倾角正常，未发现断层破碎带。风化带地层裂隙发育。附图1-3 梁宝寺二号井风井井筒检查钻孔柱状图2.3地层产状及主要褶曲全区呈宽缓褶曲构造，次一级褶曲发育，翼部倾角较缓，为5-10，受F1、F13断层的影响，本区东、西地段局部地层倾角较大，为20，纵观全区，地层呈南部缓、北部陡的趋势。区内褶曲以贯穿全区的梁宝寺向斜为骨架构造，从东向西依次为王庄向斜、南宋庄背斜、梁宝寺向斜、黄河李背斜、申庄向斜、贺庄背斜、程庄向斜、武寨背斜、杜垓向斜、李庄背斜。表2-3-1 主要褶曲一览表顺序褶曲名称延伸长度（KM）幅度（M）两翼地层倾角（度）控制程度1王庄向斜1120-2005-15查明2南宋庄背斜100-505查明3梁宝寺向斜1750-2505-10基本查明4黄河李背斜80-1005-20查明5申庄向斜90-2005-15查明6贺庄背斜40-405查明7程庄向斜530-805基本查明8武寨背斜60-805-10基本查明9杜垓向斜70-1205-10基本查明10李庄背斜100-805-15基本查明2.4 断层断层分为东西向、北东向、北西向及南北向四组，其中北西向断层最多，北东向断层次之，东西向断层和南北向断层较少。除F26为逆断层外，其余均为正断层。经地震和钻探发现、证实落差大于30m的断层共47条，其中东西向断层4条，南北向断层5条，北东向断层15条，北西向断层23条；按照落差划分，落差l00m的断层10条，落差50m100m的断层23条，落差30m700mNWSW701.84查明F1支3正090mNWSW701.55查明F2正120190mNWSW703.2查明F3正0390mNWNE706.0查明F3支正70mNWNE700.5查明F3-1正090mNWNE702.5查明F4正30150mNWSW704.8查明F4支1正055mNW-SSW-W700.9查明F4支2正2550mNWSW701.2查明F60正0120mNWNE701.6查明F15正0120mNESE704.5查明F15支正2050mNESE700.45查明F13正700mSNE703.8基本查明西边界F24正1000mEWS705.2基本查明F24支1正060mNWSW701.4基本查明X F7正030mNESE701查明XF8正030mNESE700.8基本查明名称性质落差（m）产状延展长度（km）（km）查明程度备注走向倾向倾角()XF9正030mNSW700.5基本查明X F10正090mNESW701.7查明XF11正070mNENW700.9基本查明XF13正060mNWSW701.8查明XF15正075mNWSW701.4查明XF16正040mNWSW700.7基本查明XF17正030mNWSW700.75基本查明XF18正060m近EWN701.2查明XF21正60mNWNE701.2基本查明XF23正030mNENW700.6基本查明F34正4080mNWNE701.4查明F35正055mNWNE701.4查明DF44正2040mNENW701.25查明DF49正050mNESE702.25查明F7正030mNESE701.40查明F8正070m近NEN701.60查明DF29正3040mNWSW700.15查明F32正045mNWWN701.56查明F10正0200mNENW60701.65查明F10支1正0120mNENW60701.50查明DF40正1040mNWSW701.0查明DF45正032mNENW700.29查明DF50正030mSNW700.43查明DF60正1065SNE60701.92基本查明DF61正1030mNWSW700.87基本查明F44正1070SNW702.0基本查明-查明F20正050mNWSW702.0查明F16正045mNWNE701.4查明F21正080mEWN701.00查明F26逆050mNEE451.71查明2.5岩浆岩井田内有一中性岩浆岩侵入体，侵入太原组地层之中，对16、17煤层及煤质有不同程度的影响1、岩浆岩的侵入范围及产状全区共有78个钻孔，其中见岩浆岩25个钻孔，占32，主要分布于井田的中部及东部。从钻孔所获资料看其侵入层位、深度、侵入体的层数、厚度均有较大变化。2.5.1、岩浆岩的矿物成分与结构、构造肉眼鉴定：岩浆岩呈灰色，矿物组成主要为斜长石、角闪石及石英等，角闪石晶形完好，呈针状及长条状、半晶质细粒斑状结构，块状构造。据山东地矿局中心实验室对L-1，L-4号孔岩浆岩标本的镜下鉴定为闪长粉岩，斑状构造，基质为显微粒状结构，岩石的组成矿物有斜长石、普通角闪石、石英、磁铁矿、磷灰石、铅石等。据核工业部北京第三研究所采用钾-氢法对岩浆岩的同位素年龄测定，绝对年龄为68.15百万年，大致相当于燕山晚期。2.5.2、对煤层、煤质的影响本区岩浆岩侵入层位在三灰到十二灰之间，并以顺16煤层侵入为主，因而对16、17煤层的影响较大，使煤层部分被吞蚀或变成天然焦。因山西组3煤层距岩浆岩间距较大，煤层厚度未受影响，仅在本区中西部煤层变质程度略有些高2.6 水文地质2.6.1井田水文地质条件梁宝寺井田位于巨野煤田东北部范围属黄河冲积平原，煤系地层被新生界、古生界二叠系上、下石盒子组地层深层覆盖，为全隐蔽井田。本井田地处东西两侧边界大断层所处的地堑块段，边界断层F1、F13落差均大于700m，区外下盘奥灰抬起，使得区内煤系地层中含水层与区外奥灰对接，形成东、西部补给边界；北部以F24断层为界，落差l000m，区内地层下降、区外上升，煤层赋存深度大于1500m，煤系含水层接受补给条件差；南部以奥灰隐伏露头为界，形成南部补给边界。2.6.2含（隔）水层井田内，与煤层开采有关的含水层段主要有6个，从上至下依次是Q+N砂砾层，P12+P21砂岩、3煤顶、底板砂岩、太原组三灰、十下灰及中奥陶统石灰岩。其中3煤顶、底板砂岩和太原组三灰为开采上组煤的直接充水含水层；十下灰及中奥陶统石灰岩为开采下组煤的直接充水含水层。一、新生界含（隔）水层（1）第四系砂砾层孔隙含水层第四系地层广布全区，与下伏上第三系地层呈不整合接触，厚度94.90146.30m，平均116.85m。含水的砂、砾层与隔水的粘土、砂质粘土层相间分布，地下水呈多层赋存状态，第四系含水层含水丰富，为农业用水及生活用水的主要来源。（2）上第三系砂砾层孔隙含水层上第三系地层厚195.23368.73m，平均280.84m，由粘土类隔水层和砂砾层含水层相间沉积而成本区第四系、上第三系内的粘土层分布广泛，厚度稳定，隔水性能良好，且大都与含水的砂层交互沉积，从而使得各砂层间在垂向上的水力联系较差。上第三系底部普遍沉积有一层含砾粘土，局部块段有粘土质砂砾层不整合于基岩上。由于这些粘土隔水层隔水性能较好，使得第四系、第三系砂砾层含水层对基岩含水层补给能力差，在垂向上无水力联系。二、P12P21含（隔）水层该地层内含水层岩性主要为中、细砂岩，局部有粗砂岩和含砾砂岩，砂岩中的裂隙比较发育。区内有78个孔穿过，10个孔漏水，漏水孔率12.8。据L7-3号孔抽水试验资料，单位涌水量0.00310.0141L/s.m，富水性弱，水质类型为SO42-K+Na+型，矿化度4.097g/L.该段含水层远离煤层，一般均位于采煤裂隙带之上，正常情况下对采煤没有影响。该地层杂色泥岩和粉砂岩厚度大、隔水性能良好，使基岩含水层垂向补给微弱，进一步阻隔了上部含水层对煤系含水层的补给。三、断层导水性井田内断层极为发育，东、西、北三个边界均为落差大于700m的大断层组成，经过多次勘探和物探证实，井田内共有断层300多条，其中落差大于30m的断层有47条，从已掌握的资料来看，除东部、西部、北部三个大断层接受区外含水层补给外，绝大部分断层均不导水2.6.3本矿井充水因素一般来讲，决定矿床充水条件好坏的根本原因取决于充水水源的规模和充水途径的导水性能。本区开采上组煤时的主要水源为3煤顶底板砂岩裂隙水和太原组三灰水，它们接受补给的能力均较差；开采下组煤的主要充水水源为太原组十下灰水和奥灰水，其中尤以奥灰对下组煤的开采威胁最大。矿井主要的充水途径为断裂带、接触带、采空区上方冒落裂隙带及底板被破坏导致的裂隙带等。断裂带、接触带是地下水进入矿井的重要途径之一，它们在矿井充水中具有特殊的重要意义。据有关统计资料表明，矿井突水事故大多与它们有关，因为构造断裂与接触带地段，岩层破碎、裂隙、岩溶相对其它地段发育，导致岩层透水性增强，常常成为地下水的汇集带和强迳流带，含水丰富。因此在生产过程中接近或触及这些地段时，矿井涌水量往往会突然增大，有时甚至造成突水淹井事故。生产实践资料证明，在断层密集地段、断层交叉处或断层尖灭处，往往岩层支离破碎，大大降低了隔水层的抗张强度，因此极易发生突然涌水。本井田构造较复杂，小断层、小褶曲发育，它们将是影响未来矿井涌水的重要因素。采空区上方冒落裂隙带是地下水进入矿井的又一重要途径。采空区上方岩层因其下部采空失去平衡，引起岩层破坏和断裂，使得原有的裂隙扩张、延伸，若向上触及含水层时，亦会造成矿井涌水量的增大。底板突破导致地下水涌入矿井，在本区亦存在这种途径。开采下组煤时，奥灰水由于强大的水压力向上冲破煤层至奥灰顶界面之间的压盖隔水层而涌入矿井。奥灰水能否底鼓受多种因素制约：奥灰岩溶发育程度和奥灰水压力的大小、奥灰压盖隔水层的厚度、岩性组合关系、抗张强度、地质构造及采煤方法等。本区煤系基底含水层奥灰在井田南部埋藏较浅，岩溶裂隙发育，富水性强，水量大，水压高，对下组煤的开采威胁极大。下组煤层至奥灰的间距偏小，又因奥灰含水丰富，水压亦大，致使开采下组煤的难度增大，生产过程中应采取有效的防治措施，加强防范，以策安全。2.6.4矿井涌水量计算本矿井主采3煤层，生产过程中的主要充水含水层为3煤顶、底板砂岩和太原组三灰。根据地质报告，一水平3煤层顶底板砂岩和三灰的正常涌水量为346.0m3/h和129.0 m3/h，3煤层顶底板砂岩和三灰的最大涌水量为600.0m3/h和180.0m3/h；二水平3煤层顶底板砂岩和三灰的正常涌水量为262.0m3/h和39.0m3/h，3煤层顶底板砂岩和三灰的最大涌水量为500.0m3/h和150.0m3/h；考虑到井筒淋水、防火灌浆回水、消防洒水等因素的影响，设计确定一水平矿井正常排水量为516.0m3/h，考虑三灰及3煤顶、底板砂岩涌水量的不均匀性，为安全起见，矿井最大排水量取820.0m3/h。设计确定二水平矿井正常排水量为340.0m3/h，考虑三灰及3煤顶、底板砂岩涌水量的不均匀性，为安全起见，矿井最大排水量取690.0m3/h。由于本矿井为两个水平开拓，梁宝寺一水平后期为下山开采，为节约排水费用，中后期梁宝寺一水平的矿井涌水全部由梁宝寺二水平排至地面，此时，二水平正常排水量为856.0 m3/h，矿井最大排水量为1510.0 m3/h第三章.冻结设计3.1设计原则和目的（1）设计的冻结壁厚度和强度满足井筒安全掘砌施工的要求，井筒掘砌中不发生因冻结壁原因引起的人员和工程质量事故。（2）设计因确保基岩段封水及冻结岩帽的形成。(3)根据国内外及本公司身后表土冻结经施工经验，以满足冻结壁强度，防止冻结壁变形及冻结管断裂为目的，选择合理的施工方案及施工参数。（4）以施工安全为前提，减少工程量、提高工程效率、降低工程造价，达到安全、快速、高校的施工目的。3.2冻结施工方案3.2.1冻结方式立井井筒冻结施工方案有一次全深冻结、差异冻结、局部冻结、分期冻结和双排孔冻结五种。A.一次全深冻结：有同径冻结管、异径冻结管、双供液管、双圈冻结管四种形式定义：从地面到需要冻结地层一次冻结并且冻结管穿过含水层，伸入到稳定基岩10m以上。使用条件：（1）适用于各类地层；（2）不宜采用其他冻结方案的地层；（3）冻结设备能满足积极冻结期最大需冷量的要求。特点：（1）从地面到最需要冻结的深度一次冻结；（2）全部冻结管都穿过不稳定含水层，一般插入不透水基岩10m以上；（3）供液管下至冻结管的底锥隔板上；（4）来自冷冻站的低温盐水经泵压入干管经回液管输入冻结管底部，并沿环形空间上升，经回液管到集液圈、干管返回盐水箱内，如此反复循环与地层进行热交换，以达到冻结的目的。优缺点：（1）对地质和水文地质条件复杂的含水砂层，淤泥层，破碎带以及基岩含水层等的适应性强，施工安全可靠，为立井最常用的冻结方案；（2）整个冻结管内盐水一次循环，克服温差过大引起断管现象；（3）可利用盐水正反循环达到初期加强上部冻结和后期加强下部冻结；（4）冻结器结构和供液管安装均较其他冻结方案简单；（5）打钻工程量较差异冻结方案多，管材消耗，冻结站制冷能力，冻土挖掘量均比其他方案多。B.差异冻结方案（长短管冻结方案）定义：冻结管分长短管两种，同布置在一个圈径上，且间隔布置，短管穿过风化带，长管穿过稳定的含水基岩，进入稳定基岩510m以上。使用条件：（1）.上部为含水层丰富的冲击层，下部为风化带及其附近基岩，含水量大，需要冻结，但地压、水压不大；（2）冲击层以下的基岩厚度占井筒总深度的比例小，且与冲击层有水力联系，涌水量大于10m/h；（3）由于基岩冻结扩展速度比粘土层，砂层快，为此在强化带以下部分的基岩均可采用长短管冻结。特点：（1）冻结管采用长短管间隔布置，下部长管间隔较上部冻结管的孔距大一倍，为使上、下段冻结壁的交圈时间和厚度相适应，可适当的加大长管的供液管直径，采用正循环，而短管采用反循环；（2）上部采用长短管共同冻结，尽快形成冻结壁，给井筒提前开挖创造条件；下部由于冻结管间距大，冻结壁较薄，减少了井筒下部的冻土挖掘量；（3）必须控制长短管孔底间距，保证开挖到短管底前长管部分冻结壁强度以满足施工要求。优缺点：（1）冲击层以下为较厚的风化破碎岩层时，采用长短管差异冻结既能有效的解决风化破碎岩层的施工困难，又能减少风化破碎岩层层的打钻工作量和冷量消耗，少掘冻土，施工速度快，从而降低了成本；（2）采用长短管差异冻结能够封住下部冲击层的水，但由于下部地压较大，冻结强度较低，塑性变形大，容易引起冻结管断裂，掘砌段高应适当缩小。C局部冻结定义：拒不需要冻结的方案使用条件：上不含水少，岩层稳定，而下部含水量大，需要冻结的地层或中间有较厚的隔水层。特点：（1）为了达到局部冻结的目的，一般要在冻结管内下两根或两根以上的供回液管；（2）为了减少局部冻结的冷量损失，可在局部冻结的上水平加隔板，或在局部冻结的上水平以上的冻结器环形空间充填压缩空气。优缺点：（1）用局部冻结法处理井筒下部透水涌砂事故是经济可靠的方法，他不仅节省冷量损失，减少冻结设备，降低冻结费用，加快施工速度，且可减少冻结对以砌井壁的影响；（2）冻结器内安装隔板，可减少在未冻结部分冷量损失。当采用活隔板时，被隔板单位长度的冷量损失约为局部冻结部分单位长度的50%；若采用死隔板，效果更好，但死隔板的冻结器加工困难，在冻结管内部不能测量偏斜。D.分期冻结：定义：将井筒需要冻结的深度分上下两段顺序依次冻结，先冻上段，后冻下段，上端冻好掘进，再冻下段，上段掘砌表土，刚好下段冻结结束，再挖冻土，加快施工速度。使用条件：（1）当冲击层较厚，中部有较好的粘土隔水层，可作为分期冻结的止水地垫时方能使用；（2）冻结基岩段占冻结总深度的比例较大，且在适宜的深度有一定厚度的隔水层可作分期冻结止水垫时。特点：分期冻结是将一个井筒所需冻结深度，分为两段或两段以上进行顺序冻结，当下段冻结一定时间并转入井筒掘砌后，再开始下段冻结。优缺点：（1）冻结需冷量小，设备少，冻结费用低；（2）合理使用冷量，加快了井筒上部的冻结；（3）上段井筒的掘砌与下段冻结平行，为下段井筒少挖冻结提供了条件，可提高掘进速度；（4）要估算和安排处理好上段凿砌速度和下段开冻时间的关系，否则会造成下段冻结壁的厚度和强度减少，以及分期冻结分界面的盐水温差较大，容易引起冻结管断裂。E.双排孔冻结使用条件：（1）适用于深部地压大，具有膨胀性，冻土流变性的厚粘土层及地温高的地层；（2）地下水流速大；（3）含有盐分的地层。特点：当双排冻结孔与单排冻结孔形成的冻结壁的有效厚度相同情况下，双排冻结孔平均温度比单排冻结孔降低15%30%，平均扩展速度提高1.31.7倍，为此，形成冻结壁设计厚度的时间短，加快了冻结速度。优缺点：（1）解决了冲击层厚度超过400m时，冻结壁的计算厚度达8m以上时的技术问题；（2）比单排冻结孔冻结时间短，形成冻结壁强度高；（3）由于冻结壁强度高，蠕变变形小，能防止冻结管断裂，确保掘砌安全；（4）打钻工程量大，制冷量大，安装量大，冻结费用高。鉴于以上五种冻结方案设计的适用条件，特点和优缺点，再结合目前国内同类型矿井冻结方式并结合梁宝寺二号井风井实际情况，确定采用三圈副加防片孔的冻结方案，其中包含有主圈孔，辅助孔加防片孔。3.2.2冻结深度的确定冻结深度确定的一般原则：（1）当冲击层底部基岩风化严重，且两者有水力联系时，冻结深度穿过基岩风化带，深入不透水基岩10m以上。（2）当冲击层底部基岩下部30m左右仍含有含水层时，冻结深度应穿过含水基岩到不透水基岩。（3）当冲击层底部为第三纪，并有水力联系，胶结性差，且含水量大时，冻结管应穿过第三纪到不透水的基岩。（4）当冲击层较厚占井筒总深度的75%以上，且基岩又有多层涌水量较大的含水层时，冻结管应全深冻结，冻结深度应达到不透水的基岩。 梁宝寺二号井凤井表土深度453.85M，风化带厚17.80m，根据勘察结果综合考虑凤井冻结深度为526m。3.3风井井筒冻结壁设计3.3.1冻结壁设计原则按两种极限状态设计，一是冻结壁的极限承载能力；二是冻结壁极限允许变形状态。前者对砂层较合适，因为砂层冻结壁具有脆性断裂的特性，因此其承载能力必须得到满足，否则可能出水冒砂。后者适用于深厚粘土层，因为对于粘土层冻结壁厚度及强度必须满足变形条件，防止出现过大变形而导致冻结管断裂，盐水漏失融化冻结壁，危及井筒安全。3.3.2基本设计计算参数（1）地压值；P=H ,为安全间控制层深度H均取最大表土深度，即风井453.85m；即P=0.013 453.851000000=5.90005 MPa；（2）冻结壁平均温度（控制层）冻结壁平均温度主要与盐水温度、冻结孔间距、冻结管直径以及井帮温度等因素有关，一般是按冻结壁主面平均温度与界面平均温度之和的一半计算。下面列举了国内外冻结壁平均温度的几种计算方法。成冰公式（中国）表达式： N.M.斯捷潘诺娃公式（波兰）表达式：纳斯诺夫，M.H.苏普利克公式（苏联）表达式： 符号意义：按成冰公式计算的冻结壁有效厚度的平均温度，。按零度边界线计算的冻结壁平均温度，。盐水温度，。 冻结孔间距，米。 E冻结壁厚度，米。 井帮冻土温度（），井帮未冻时取零，可根据本地区冻结井筒实测温度估算，或按深度（H）选取。 按N.M.斯捷潘诺娃公式计算的冻结壁平均温度，。 按纳斯诺夫，M.H.苏普利克公式计算的冻结壁平均温度，。 冻结管外壁的岩层温度，。 冻结孔布置圈直径，米。 冻结管外直径，米。 冻结壁内侧厚度，米。 冻结壁外侧厚度，米。 冻结管内直径，米。 根据上述公式计算和目前国内已施工同类型深厚表土冻结井实际冻结情况，取453m控制层冻结壁平均温度TC=-1（3）冻土抗压强度： 根据手册单轴抗压强度选取；（4）冻土发展速度：参照附近金桥（向内24mm/d、向外15mm/d）、梁宝寺一号矿井（向内23mm/d、向外14mm/d）、龙固副井（向内15mm/d、向外10mm/d）实际冻土发展速度，选取梁宝寺二号井风井控制层冻土发展速度向内16mm/d、向外11mm/d；（5）井帮温度（控制层）：Tn=-8-12（6）盐水温度: =-30-34。（7）冲积层最大孔间距：L=2.8m。（8）强度安全系数：k=22.5；（9）掘砌段高： 掘砌段高，从保证安全和方便施工两方面考虑，暴露段高取h=2.02.5m；（10）工作面冻结状态系数： =（工作面未冻结时）（工作面冻结时）；设计取风井=1.5。3.3冻结壁设计3.3.1冻结壁厚度设计冻结壁厚度计算300m采用多姆克公式，300m采用维亚若夫扎列茨基有限段高公式。 多姆克第三强度理论公式：E=Ra0.29（P/）+2.3（P/）2 维亚若夫扎列茨基有限段高公式：E=Ph/以上式中各参数的含义E冻结壁厚度Ra冻结壁内半径（采用掘砌荒径）.4.3mP控制层位地压值（采用水土悬浮公式）冻土长时强度（冻土允许强度）6.9MPAh掘砌段高工作面冻结状态系数根据计算结果并结合国内外已施工或正在施工的深冻结井冻结壁设计厚度，确定梁宝寺风井：8.0m（掘砌暴露段高2.0m，空帮时间20小时）。3.3.2冻结壁（强度）平均温度校核根据冻土抗压试验结果,风井控制层冻结壁平均温度取-16。利用国内目前普遍采用的单排孔冻结平均温度计算公式成冰公式，加修正值。采用成冰公式：TC=Tb1.135 - 0.352L 0.875/3E + 0.266。L/E -0.466+0.25Tn 冻结壁厚度及平均温度计算结果表井筒深度（m）土性冻结壁设计厚度（m）设计平均温度()冻结天数（d）冻结孔距荒径(m)预计冻结壁厚度（m）预计井帮温度（）预计平均温度（）风井200砂质粘土4.2-81301.48.210 -5-7 -12300粘土4.9-121501.058.100 -8-10 -14454砂质粘土8-162121.58.289 -11-14 -16经校核结果可知，冻结壁厚度和强度均满足要求。3.4冻结孔深度3.4.1外圈孔深度外圈孔均采用全深冻结，风井冻结深度466m。冻结深度穿过表土层进入风化带并穿过强风化带，目的是保证强风化带以上冻结壁厚度和强度。3.4.2中圈孔深度中圈孔均采用全深冻结,风井冻结深度526m，保证冻结基岩段封水，提高冻结壁强度。3.4.3内圈孔深度内圈孔采用全深冻结，风井冻结深度472m。穿过风化带，保证冻结壁早交圈，按时开挖，加快下部冻土向内发展速度，降低巨厚粘土层井帮温度、提高冻结壁强度。3.4.4防片孔深度由于上部井壁均较薄，且内圈孔上部离荒径均较远，风井：0200米井壁厚度为1.10米，200m300m井壁厚度为1.45m，内圈孔上部离荒径2.052.4米。考虑到上部冻土发展速度较慢，而要求开挖时间又短，开挖时易出现塌帮，影响井壁质量和施工安全。因此结合井壁结构与掘砌速度，设防片孔，深度302米。3.5冻结孔偏斜要求深厚表土层冻结井施工中，冻结孔施工质量的好坏直接影响冻结工程的成败，因此为保证冻结壁均匀稳定和冻结工期，结合规范要求，提出冻结孔在300m以上钻孔偏斜率2.5；300m以下按靶域施工,靶域半径0.7m,防片孔向内偏斜300mm，其它冻结孔向内偏斜500mm。最大孔间距表土段：外圈孔、内圈孔2.6m，中圈孔、防片孔按偏斜及靶域要求；基岩段4.5m。3.6冻结孔布置设计3.6.1冻结圈径 外圈孔布置圈径采用下列公式：D=D荒+2（0.6E+H）式中：D外冻结孔布置圈直径 m D荒井筒掘进荒径 m E 冻结壁厚度 m 冻结孔设计偏斜率 0.3-0.35% H 冲积层最大埋深 m结合冻土向外发展速度、掘砌工期及要求的冻结壁厚度和以往深井冻结施工经验，确定外圈孔冻结孔圈径为D外=21m。 中圈孔布置圈径D中= D荒+2（0.3E+H）=17.48m；结合冻土发展速度、掘进速度、外圈孔布置情况，确定中圈冻结孔圈径为： D中=15.5m。 内圈孔圈径D辅= D荒+2（0.1E+H）=13.86m；计算得内圈孔圈径：风井D辅=12.5m。 防片孔圈径根据开挖时间和上部孔到荒径距离及预测冻土发展速度，确定防片孔圈径为10.5m。3.6.2冻结孔数由于深冻结井冻结时间长，从减少钻孔工程量、冻结装机容量、缩短工期、降低工程造价以及减少冻结壁内部冻胀水等几方面考虑，在保证安全的前提下外圈孔及中圈孔适当加大冻结孔开孔间距，保证冻结壁的均匀与稳定。N =D/L 计算得：外圈孔N外=40个；中圈孔N中=22个；内圈孔N内=29个；防片孔N防片=11个。3.6.3 开孔间距L=D/N 计算得：风井：外圈孔L外=1.649m、中圈孔L中=2.21m、内圈孔L辅=1.353m、防片孔L防片=3.0m。 冻结孔布置（见附图）3.7 冻结管、供液管3.7.1冻结管风井：外圈280m采用1406 20#(GB81631999)优质低碳钢无缝管，内管箍连接， 280m1597 20#(GB81631999)优质低碳钢无缝管，内管箍连接；中圈270m1406; 270m1597；内圈260m1406; 260m1597；防片孔1406 mm 20#(GB81631999)优质低碳钢无缝管，内管箍连接。3.7.2供液管供液管规格：全部采用756mm聚乙稀塑料软管。3.8测温孔布置布置原则：地下水流上方、冻结壁外侧最大孔间距处；冻结壁内侧界面处；冻结壁外侧主面、界面处；尽可能均匀布置。 为加强对冻结壁温度场的监测，主井设计4个测温孔，其中2个外测孔，深度为460m/1个、510m/1个；2个内测孔，深度460m/1个、460m/1个；副井设计4个测温孔，其中2个外测孔，深度为485m/1个、536m/1个；2个内测孔，深度485m/1个、485m/1个；风井设计4个测温孔，其中2个外测孔，深度为466m/1个、526m/1个；2个内测孔，深度466m/1个、466m/1个。测温孔均采用1085mm优质低碳钢无缝管，内管箍连接，管底密封，不试压、不灌水，确保不渗水。3.9水文孔布置风井设计两个水文孔：深度分别为146m、 288m。水文管规格均采用1406无缝钢管，外管箍连接.3.10 冻结壁形成预测水文孔冒水后证实主要含水层冻结壁已交圈，根据测温资料分析，井筒掘砌至各水平时，冻结壁能够达到设计需用的强度和厚度。冻结中不仅考虑砂层交圈，还应考虑粘土层的冻土发展状况，以合理确定试开挖时间，在试开挖后，经过检测来确定是否进行正式开挖，以保证冻结壁的强度和厚度。第四章 制冷工艺4.1 氨系统设计4.1.1 基础数据（1） 设计层位的盐水温度 -30。（2） 冷却损失系数 1.15。（3） 冷却水的温度为 20。4.1.2 冻结管散热能力计算冻结管散热能力的计算采用下列公式计算=3.142504.187(2800.1440+1860.15940+2700.1422+2560.15922+2600.1429+2120.15929+3020.1411)=22929KJ/h式中，冻结管总散热能力，kJ/h 冻结管外直径，m 冻结深度，m 冻结孔数，个 冻结管散热系数或单位热流量，kJ/( h)取为1046冻结站最大需冷量为 =1.1526657 =26368KJ/h4.1.3串联双级压缩制冷计算（1）中间压力的计算 1）根据蒸发温度和冷凝温度查氨的热力性质表得蒸发压力为0.09504Mpa，冷凝压力为1.2618Mpa，修正系数取0.95。按公式求得理想的中间压力为=1.0 =0.32898 MPa。查氨的热力性质表得出理想的中间温度为=-7时，相应的中间压力为0.33452 MPa.。假设另一中间温度为1，（比理想中间温度高8）其相应的压力为=0.45452Mpa。2）绘制理想和假设的串联双级压缩制冷热力循环图2-4-1，求得各状态下氨的热力参数。热力参数计算结果见表2-4-1。表2-4-1 理想的和假想的热力参数各状态点参数单位理想条件假设条件=0.33452 MPa=-7=0.45452 MPa=1焓焓16331633，17981840，16721681，1861182317051705570570，404442，570570，386423，404442比容，0.37351.2160.27951.2163） 根据经验理论容积比范围，选用14台8AS-25型作低压机，5台8AS-25型作高压机；低压机的总理论吸气容积=280014=39200/h高压机的总理论吸气容积=28005=14000/h高、低压机的理论容积比为：式中 高、低压机的理论容积比计算得：4）根据冷冻及试配组，按相应公式计算有关参数，求得理想的和架设的高、低压理论容积比见表2-4-2。5）绘制高、低压机理想和假设的理论容积比与中间压力的直角坐标图2-4-2，得试配组的高、低压机理论容积比。图2-4-1 理想和假设的串联双级压缩制冷热力循环图表 2-4-2 串联双级压缩制冷的理想和假设基本参数基本参数计算公式计算结果符号意义低压机吸气系数理想0.79、理想的和架设的中间压力理想的和架设的预热系数冷凝压力蒸发压力冷凝温度，30蒸发温度-35C压缩机的余隙系数，取0.03假设0.77氨循环量理想25467假设24822高压机吸气系数理想0.80假设0.85氨循环量理想32215假设31234理想吸气容积理想15040/h假设10270/h高、低压机的容积比理想0.384假设0.2626）绘制高、低压机理想的和架设的理论溶剂比与中间压力的直角坐标图（见图2-4-2），得试配组的中间压力为0.36108 MPa。（2）根据冷冻机实际配组及其工作条件计算制冷量。1）根据实际含、隔水层配组的中间温度、蒸发温度、冷凝温度及其相应压力为0.3824MP，绘制热力循环图（图2-4-3），求得各状态氨的热力参数，如表2-4-3所示。图2-4-2 中间压力与容积比关系图图2-4-3 热力循环图表2-4-3 氨的各状态的热力参数状态点焓 值(kJ/g)163318091674185117055704105703954102）根据已经确定的冷冻机实际配组情况：低压机9台，高压机3台。来计算和实际中间压力有关的参数。低压机的吸气系数 低压机的氨循环量 kg/h高压机的吸气系数 高压机的氨循环量 高压机的理论吸气容积 3）计算出串联双级压缩制冷的实际制冷量 （3）计算低、高压机的电动机功率1) 低压机压缩机的理论功率-低压机的台数-蒸发了结时氨的焓；kJ/kg-从蒸发压力绝热压缩至中间压力时蒸汽焓；kJ/kg 低高机的氨循环量860功率的换算系数压缩机的指示效率T绝对温度，273 氨的蒸发温度，氨的中间温度， b系数，立式压缩机取0.001压缩机的指示功率压缩机的理论功率KW压缩机的摩擦功率摩擦压力，MPa，立式低压机取0.3低压机的活塞理论容积，压缩机的有效功率压缩机的轴功率低压机的传动效率，直接驱动取1.0电动机的功率2） 高压机压缩机的理论功率压缩机的指示效率压缩机的指示功率压缩机的摩擦功率摩擦压力 ，立式高压机取0.5。压缩机的有效功率压缩机的轴功率电动机的功率（4）附属设备计算1）冷凝器冷凝器是将氨在蒸发器和压缩机中吸收的热量传递给冷却水的热交换装置，使经压缩机压缩后的过热氨气凝结成液体。采用立式冷凝器，冷凝器单位面积的热负荷取为双级压缩热负荷计算：双级压缩冷却面积计算：双级压缩制冷高压机的氨循环量，kg/h选用LN-250型，14台，总的冷却面积为33882）蒸发器采用立式蒸发器冷冻站最大制冷能力，kJ/h蒸发器单位面积上的热负荷，取为8364蒸发器工作条件系数，一般取1.1（新设备）选用LZL-240型的蒸发器，18台，总的蒸发面积为43203）中间冷却器安装在低压机和高压机之间，冷却低压机排出的过热蒸汽氨，避免高压机的排气温度过高，以保持高、低压机的之间压力；是液氨在进入蒸发器之前得到过冷，提高低压机的制冷量；分离低压机排气中夹带的润滑油，起油氨分离器的作用。数量：8个。筒体直径： 拟用的中冷器的数量，个通过中冷器筒体的蒸汽氨的允许流速，取0.6m/s选用XQ-100型（直径为1m）的中间冷却器8个。冷却面积为66.44）高压储液桶容积 双级为高压机氨的循环量，kg/h冷凝压力下氨的比容，/kg选用ZA-2型氨贮液桶11台，总贮液量为921.125）氨油分离器用来除去氨气中夹带的油雾，保证冷凝器和蒸发器的传热效率。双级压缩制冷时，为高压机的总吸气容积，/h双级压缩制冷时，为高压机的吸气系数拟用氨油分离器的数量，个油氨分离器内氨气的允许流速，一般取0.8m/s选用YF-125型（直径为0.6m）氨油分离器8个。6）氨液分离器分离由气体中所带的液滴，防止进入制冷压缩机而造成磨损或冲缸的危险。对保证压缩机的安全运转和提高制冷效率由良好的作用。双级压缩制冷时，为通过低压机的氨的总循环量，kg/h在蒸发压力下的饱和蒸汽氨的比容，/kg拟选液氨分离器的数量，个液氨分离器内气氨的流速，一般取0.5m/s选用AF-1000型氨液分离器（直径1m）23个。7）集油器冻结需冷量高峰时要开19台8AS25冷冻机总的标准制冷量： 安装JY-300型集油器3个。8）空气分离器用以排除在制冷系统中的不凝性气体，保证制冷装置长期正常运转和减少制冷剂的损失，提高制冷效果。在设计盐水温度低于-25时就应该安装空气分离器。安装3台KF-20型空