【文章內(nèi)容簡介】 層破碎帶進(jìn)入穩(wěn)定巖層 8 米，凍結(jié)總長度 35 米。 凍結(jié)壁厚度該地層凍結(jié)屬巖層凍結(jié)，在沒有相應(yīng)凍土試驗(yàn)資料的前提下根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度 米。 凍結(jié)壁厚度有限元驗(yàn)證分析計(jì)算條件：⑴由于沒有相關(guān)凍土試驗(yàn)結(jié)果，考慮到斷層裂隙充填以碎石、砂為主，較少泥質(zhì)充填，按建井工程手冊(cè)一般凍結(jié)砂土10℃條件下凍土強(qiáng)度 6Mpa~8Mpa 之間，因此本計(jì)算選取凍土強(qiáng)度 5Mpa、7Mpa、9Mpa 三種情況，開挖步距（一次開挖長度）取 、、 、 八種情況，進(jìn)行分析計(jì)算，見表 1。⑵地壓按甲方提供取 ，在底部邊界施加豎向位移約束(uy=0)。⑶凍土的彈性模型量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為 300MPa，泊松比 ⑷凍結(jié)帷幕厚度在開挖面的上下左右四個(gè)方向的最小厚度均取 。表 1 計(jì)算步距和凍土強(qiáng)度取值表步距（m） 凍土強(qiáng)度（Mpa） 5 7 9 5 7 9 5 7 9 5 7 9 5 7 9 5 7 9 5 7 91 5 7 9計(jì)算結(jié)果見表 2：表 2 各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果安全系數(shù)步距 應(yīng)力/Mpa 應(yīng)變 位移/mm 5/Mpa 7/Mpa 9/Mpa 3 8 / 41 1 位移和應(yīng)變結(jié)果見圖 4~圖 7：圖 4 加載圖 圖 5 位移結(jié)果圖 6 應(yīng)變結(jié)果 圖 7 應(yīng)力結(jié)果開挖面最大應(yīng)力、位移、應(yīng)變見圖 8~圖 11開 挖 面 最 大 應(yīng) 力01234560 1 步 距 /m應(yīng)力/Mpa圖 8 開挖面最大應(yīng)力9 / 41開 挖 面 最 大 位 移02468100 1 步 距 /m位移/mm圖 9 開挖面最大位移開 挖 面 最 大 應(yīng) 變00 1 步 距 /m應(yīng)變圖 10 開挖面最大應(yīng)變不同步距下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移有限元分析截圖布距 應(yīng)力 應(yīng)變 位移10 / 411圖 11 不同步距下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移有限元分析截圖 有限元驗(yàn)證分析結(jié)論⑴對(duì)于 厚凍結(jié)壁厚度，如果凍土強(qiáng)度 5Mpa 以下，只有開挖步距取、安全系數(shù)才能接近 3，如果按重要工程安全系數(shù)必須大于 3 的條件，11 / 41 凍結(jié)壁厚度不滿足要求；⑵對(duì)于 厚凍結(jié)壁厚度，如果凍土強(qiáng)度取 7Mpa，只有開挖步距取、安全系數(shù)才大于 3， 凍結(jié)壁厚度滿足要求；⑶對(duì)于 厚凍結(jié)壁厚度，如果凍土強(qiáng)度取 9Mpa，開挖步距取、安全系數(shù)大于 3， 凍結(jié)壁厚度滿足要求；⑷鑒于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，凍結(jié)孔布置限制，凍結(jié)時(shí)間限制，凍結(jié)壁厚度很難超過，同時(shí)考慮凍土強(qiáng)度一般會(huì)達(dá)到 7Mpa~8Mpa（凍結(jié)實(shí)施前通過凍土試驗(yàn)確定） ，因此建議在 水壓下， 米的凍結(jié)壁厚度能夠在開挖步距 ~ 范圍內(nèi)保證掘砌安全。 凍結(jié)壁平均溫度采用成冰公式進(jìn)行凍結(jié)壁強(qiáng)度校核驗(yàn)算： nLTL TE? ??????????? ?? ?用單圈孔的成冰公式進(jìn)行驗(yàn)算結(jié)果得：當(dāng)鹽水溫度 =30℃，井幫溫度 =4℃bT時(shí)， ℃，根據(jù)原有凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該礦井的地層特點(diǎn)，確定該礦井凍c結(jié)壁平均溫度為：10℃。 鉆孔布置按照現(xiàn)有施工工藝，為施工鉆孔，需在原有巷道斷面基礎(chǔ)上擴(kuò)大斷面面積。為盡可能減少向外擴(kuò)大的面積，設(shè)計(jì)凍結(jié)孔以掘砌巷道中心向外發(fā)散式布置，其中掘砌迎頭處凍結(jié)孔距離掘砌荒徑 825mm，為保證凍結(jié)管正常鉆進(jìn)施工，不破壞煤層頂板巖石，工作面巷道兩幫向外擴(kuò)大 1200mm，底板向下擴(kuò)大 2400mm，擴(kuò)大段巷道長度 4 米。斷層破碎帶前部凍結(jié)孔距離掘砌荒徑 1200mm；斷層破碎帶尾部凍結(jié)孔距離掘砌荒徑 1521mm；凍結(jié)孔尾部距離荒徑 （詳見圖 13~17） 。12 / 41825 82512022012345678910112131415161723219182425262728卸 1卸 2測(cè) 3測(cè) 5測(cè) 1測(cè) 2測(cè) 41421202218測(cè) 3測(cè) 5測(cè) 1測(cè) 215212314 23221182425262728測(cè) 3測(cè) 5測(cè) 1測(cè) 21421202218測(cè) 3測(cè) 5測(cè) 1測(cè) 21726,59195789780 2019873 120152 1726,5圖 13 190。242。198。246。211。173。205。182。179。189。225。191。178。188。214。195。205。 圖 14 182。207。178。227。198。203。233。180。248。199。176。178。191。182。179。189。225。191。206。187。214。195。205。188。圖 15 182。207。178。227。198。203。233。180。248。196。169。182。203。179。189。225。191。206。187。214。195。205。188。 圖 16 182。179。189。225。196。169。182。203。179。189。225。191。206。187。214。195。205。188。710 卸 1卸 2卸 1卸 2卸 1卸 2測(cè) 4測(cè) 4測(cè) 45678910121314151617112023224252627285678910112131415161723 23567891011213141516172322425262728圖 13~圖 16 13 / 4112m2煤 底 板2煤 頂 板 巷 道 底 板125080 350 14501202226,541 825152,062巷 道 頂 板 2煤 頂 板圖 17 凍結(jié)管布置剖面圖 凍結(jié)管規(guī)格一般凍結(jié)工程凍結(jié)管采用 GB81632022 標(biāo)準(zhǔn)流體用無縫鋼管，但本工程由于周圍巖層多為軟巖，而且遇水變軟，對(duì)水平打鉆施工影響很大，尤其是圍巖遇水后支護(hù)能力很弱，下放凍結(jié)管很難成功。考慮到現(xiàn)階段水平打鉆隊(duì)伍的技術(shù)能力，采用中碳鋼鉆桿作為凍結(jié)管使用，規(guī)格為 φ114，測(cè)溫管采用 φ898mm。凍結(jié)主要設(shè)計(jì)參數(shù)表詳見表 3：表 3 紅柳煤礦 I02 采區(qū)運(yùn)輸巷過斷層凍結(jié)參數(shù)表序 號(hào) 參數(shù)名稱 單位 參數(shù) 備注1 凍結(jié)長度 米 352 凍結(jié)管傾斜角度 176。 ~3 凍結(jié)壁平均溫度 ℃ 104 凍結(jié)孔孔間距 m ~5 凍結(jié)孔個(gè)數(shù) 個(gè) 286 凍結(jié)管規(guī)格 mm φ114 中碳鋼7 測(cè)溫孔 m/個(gè) 35/58 測(cè)溫管規(guī)格 mm φ8989 泄壓孔 m/個(gè) 35/210 凍結(jié)孔工程量 m 98011 總鉆孔工程量 m 122512 凍結(jié)需冷量 104kcal/h 13 配備制冷量 104kcal/h 20℃/32℃14 JYSLGF300III 壓縮機(jī) 臺(tái) 3 氟利昂機(jī)組5 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì) 冷凍機(jī)的選擇凍結(jié)站需冷量的計(jì)算：Q =π?d? n ?H?K=104Kcal/h式中：Q—凍結(jié)孔需冷量；H—凍結(jié)管總長度；d—凍結(jié)管直徑； K—凍結(jié)管散熱系數(shù)；根據(jù)計(jì)算選用 JYSLGF300III 冷凍機(jī)機(jī)組（20℃/32℃狀況下制冷量104Kcal/h ）3 臺(tái)。 鹽水系統(tǒng)⑴ 鹽水循環(huán)泵選用 IS150125200 型 3 臺(tái)，單臺(tái)流量 200m3/h，電機(jī)功率55kw，其中一臺(tái)備用； ⑵ 鹽水干管和集配液管選用 Φ1595 無縫鋼管。 清水系統(tǒng)為了有效的將制冷系統(tǒng)從地層中帶出的熱量通過清水系統(tǒng)排出，甲方需鋪設(shè)至指定位置的清水管路，流量滿足每小時(shí)循環(huán)水量 60m179。選用 2 臺(tái)清水泵均選用10SH19 型離心泵，流量 360m3/h，電機(jī)功率 30kw，其中 1 臺(tái)備用。冷卻塔選用NBL50 型 3 臺(tái)，其中 1 臺(tái)備用，每臺(tái)需補(bǔ)充新鮮水 15m3/h。需配備 T35 型軸流風(fēng)機(jī)2 臺(tái)，布置在進(jìn)、回風(fēng)巷端頭位置，功率 4KW/臺(tái)。 其它⑴ 用電負(fù)荷：總用電負(fù)荷約 500kw/h。⑵ 機(jī)房供風(fēng)量：冷凍系統(tǒng)從地層中帶出的大部分冷量通過冷卻塔帶走，機(jī)房供風(fēng)量除需要保證冷卻塔的散熱風(fēng)量，還需要考慮正常機(jī)房人員施工人員安全作業(yè)，放炮需風(fēng)量等。初步預(yù)計(jì)需供風(fēng)量為 400m179。/分。冷凍機(jī)油選用 N46 冷凍機(jī)油。⑶ 制冷劑選用氟立昂 R22，冷媒劑選用氯化鈣溶液。6 凍結(jié)與開挖施工 施工準(zhǔn)備 業(yè)主準(zhǔn)備⑴ 因?yàn)槟壳疤峁┑馁Y料，對(duì)于設(shè)計(jì) I02 采區(qū)運(yùn)輸巷過斷層凍結(jié)方案只能作為一個(gè)參考。為更準(zhǔn)確，更有針對(duì)性的進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化，需提供 I02 采區(qū)工作面詳細(xì)資料，包括地下水流速、流向，與附近巷道的水力聯(lián)系，斷層位置、產(chǎn)狀，煤層及頂?shù)装鍘r層的強(qiáng)度等。⑵ 凍結(jié)孔開鉆前，工作面無明水流出。⑶ 為保證凍結(jié)管正常鉆進(jìn)施工，不破壞煤層頂板巖石，工作面巷道兩幫向外擴(kuò)大 1200mm，底板向下擴(kuò)大 2400mm。擴(kuò)大段巷道長度 4 米。⑷ 施工完成凍結(jié)機(jī)房用巷道，巷道斷面至少保證 44m，長度 32m。⑸ 提供 380V 電源，負(fù)荷 500 kw/h，滿足凍結(jié)孔施工、凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)供電。⑹ 連通清水管路，用于凍結(jié)孔打鉆及凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)補(bǔ)充水，保證 60m3/h 循環(huán)水量，水溫控制在約 1725℃，用于機(jī)房蒸發(fā)冷使用。⑺ 加大凍結(jié)機(jī)房用巷道內(nèi)通風(fēng)量，需風(fēng)量約 400m3/min，工作面安裝瓦斯檢測(cè)儀，保證工作面施工安全。圖 18 采用施工一段聯(lián)絡(luò)巷放置凍結(jié)機(jī)房的硐室布置圖 施工單位準(zhǔn)備⑴ 人員準(zhǔn)備。抽調(diào)有地下施工經(jīng)驗(yàn)的項(xiàng)目部承擔(dān)本次施工任務(wù)。⑵ 材料準(zhǔn)備，準(zhǔn)備施工所需要的各種材料。單向閥等加工件加工工期較長，需在開工前進(jìn)行加工。具體加工件見表 4。17 / 41⑶ 設(shè)備準(zhǔn)備，準(zhǔn)備施工所需要的各種設(shè)備，保證設(shè)備完好。⑷ 技術(shù)準(zhǔn)備，根據(jù)業(yè)主提供的資料不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。表 4 主要加工件一覽表序號(hào) 加工件名稱 單位 數(shù) 量1 鉆頭組合 套 362 鉆桿（兼做凍結(jié)管） ，中碳鋼 m 13003 孔口管（Ф 1595mm，1m/個(gè)） 個(gè) 364 上堵頭用接長桿 m 705 堵頭 個(gè) 366 鹽水干管、集配液管 套 17 凍結(jié)管頭部 個(gè) 288 鹽水箱 個(gè) 19 鹽水管路支架 個(gè) 28 凍結(jié)孔施工 施工工序凍結(jié)孔施工工序?yàn)椋憾ㄎ?、開孔→孔口管安裝→孔口裝置安裝→鉆孔→測(cè)量→封閉孔底部→打壓試驗(yàn)。具體為：⑴ 定位開孔及孔口管安裝：根據(jù)設(shè)計(jì)在巷道內(nèi)用經(jīng)緯儀定好各孔位置。根據(jù)孔位在掘砌迎頭煤層或巖層上定位開孔，孔開完后將孔口管下入孔內(nèi)，用水泥漿固管，另外為保證孔口管安裝牢固，每個(gè)孔口管通過兩個(gè)錨桿固定在巖層中。⑵ 孔口裝置安裝：用螺絲將孔口裝置裝在閘閥上，注意加好密封墊片。詳見示意圖 19。圖 19 孔口密封裝置示意圖18 / 41⑶ 鉆孔：按設(shè)計(jì)要求調(diào)整好鉆機(jī)位置，并固定好，將鉆頭裝入孔口裝置內(nèi)，在孔口裝置上接上 ， ， 閥門，并將盤根輕壓在盤根盒內(nèi)，首先采用干式鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)費(fèi)勁不進(jìn)尺時(shí)，從鉆機(jī)上進(jìn)行注水鉆進(jìn)，同時(shí)打開小閥門，觀察出水、出砂情況，利用閥門的開關(guān)控制出漿量，鉆機(jī)選用 MD70 型錨桿鉆機(jī)一臺(tái)。⑷ 封閉孔底部：用絲堵封閉好孔底部，具體方法是，利用接長桿將絲堵上到孔的底部，利用反扣在卸扣的同時(shí)，將絲堵上緊。⑸ 打壓試驗(yàn)：封閉好孔口，用手壓泵打水到孔內(nèi)，至壓力達(dá)到 （并且不低于凍結(jié)工作面鹽水壓力的 倍）時(shí)，停止打壓，關(guān)好閥門，觀測(cè)壓力的變化，30 分鐘內(nèi)壓力無變化為合格。 鉆孔偏斜⑴ 凍結(jié)孔開孔位置誤差不大于 100mm。⑵ 凍結(jié)孔最大允許偏差 200mm（凍結(jié)孔成孔軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間的距離） 。 凍結(jié)孔鉆進(jìn)與凍結(jié)管設(shè)置⑴ 使用 MD70 鉆機(jī) 1 臺(tái)，鉆桿鉆進(jìn)，采用絲扣連接，并輔以焊接，確保其同心度和焊接強(qiáng)度，防止鹽水通過接縫進(jìn)入地層影響凍結(jié)效果，鉆桿到達(dá)設(shè)計(jì)深度后密封頭部，作為凍結(jié)管使用。⑵ 鉆進(jìn)過程中嚴(yán)格監(jiān)測(cè)孔斜情況，發(fā)現(xiàn)偏斜要及時(shí)糾偏。鉆進(jìn)完成后，進(jìn)行凍結(jié)管長度的復(fù)測(cè)，然后再用經(jīng)緯儀進(jìn)行測(cè)斜并繪制鉆孔偏斜圖。⑶ 凍結(jié)管安裝完畢后，用堵漏材料密封凍結(jié)管與凍結(jié)孔之間的間隙。⑷ 在凍結(jié)管內(nèi)下供液管，然后焊接凍結(jié)管端蓋和去、回路羊角。 施工總體布置 凍結(jié)站布置與設(shè)備安裝凍結(jié)站占地面積約 120m2，站內(nèi)設(shè)備主要包括冷凍機(jī)、鹽水箱、鹽水泵、清水泵。冷凍站平面布置圖見圖