【文章內容簡介】 層破碎帶進入穩(wěn)定巖層 8 米，凍結總長度 35 米。 凍結壁厚度該地層凍結屬巖層凍結，在沒有相應凍土試驗資料的前提下根據以往施工經驗，設計凍結壁厚度 米。 凍結壁厚度有限元驗證分析計算條件：⑴由于沒有相關凍土試驗結果，考慮到斷層裂隙充填以碎石、砂為主，較少泥質充填，按建井工程手冊一般凍結砂土10℃條件下凍土強度 6Mpa~8Mpa 之間，因此本計算選取凍土強度 5Mpa、7Mpa、9Mpa 三種情況，開挖步距（一次開挖長度）取 、、 、 八種情況，進行分析計算，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經驗取為 300MPa，泊松比 ⑷凍結帷幕厚度在開挖面的上下左右四個方向的最小厚度均取 。表 1 計算步距和凍土強度取值表步距（m） 凍土強度（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計算結果見表 2：表 2 各指標計算結果安全系數步距 應力/Mpa 應變 位移/mm 5/Mpa 7/Mpa 9/Mpa 3 8 / 41 1 位移和應變結果見圖 4~圖 7：圖 4 加載圖 圖 5 位移結果圖 6 應變結果 圖 7 應力結果開挖面最大應力、位移、應變見圖 8~圖 11開 挖 面 最 大 應 力01234560 1 步 距 /m應力/Mpa圖 8 開挖面最大應力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 變00 1 步 距 /m應變圖 10 開挖面最大應變不同步距下的應力、應變和位移有限元分析截圖布距 應力 應變 位移10 / 411圖 11 不同步距下的應力、應變和位移有限元分析截圖 有限元驗證分析結論⑴對于 厚凍結壁厚度，如果凍土強度 5Mpa 以下，只有開挖步距取、安全系數才能接近 3，如果按重要工程安全系數必須大于 3 的條件，11 / 41 凍結壁厚度不滿足要求；⑵對于 厚凍結壁厚度，如果凍土強度取 7Mpa，只有開挖步距取、安全系數才大于 3， 凍結壁厚度滿足要求；⑶對于 厚凍結壁厚度，如果凍土強度取 9Mpa，開挖步距取、安全系數大于 3， 凍結壁厚度滿足要求；⑷鑒于現場實際情況，凍結孔布置限制，凍結時間限制，凍結壁厚度很難超過，同時考慮凍土強度一般會達到 7Mpa~8Mpa（凍結實施前通過凍土試驗確定） ，因此建議在 水壓下， 米的凍結壁厚度能夠在開挖步距 ~ 范圍內保證掘砌安全。 凍結壁平均溫度采用成冰公式進行凍結壁強度校核驗算： nLTL TE? ??????????? ?? ?用單圈孔的成冰公式進行驗算結果得：當鹽水溫度 =30℃，井幫溫度 =4℃bT時， ℃，根據原有凍結施工經驗，結合該礦井的地層特點，確定該礦井凍c結壁平均溫度為：10℃。 鉆孔布置按照現有施工工藝，為施工鉆孔，需在原有巷道斷面基礎上擴大斷面面積。為盡可能減少向外擴大的面積，設計凍結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孔距離掘砌荒徑 825mm，為保證凍結管正常鉆進施工，不破壞煤層頂板巖石，工作面巷道兩幫向外擴大 1200mm，底板向下擴大 2400mm，擴大段巷道長度 4 米。斷層破碎帶前部凍結孔距離掘砌荒徑 1200mm；斷層破碎帶尾部凍結孔距離掘砌荒徑 1521mm；凍結孔尾部距離荒徑 （詳見圖 13~17） 。12 / 41825 82512022012345678910112131415161723219182425262728卸 1卸 2測 3測 5測 1測 2測 41421202218測 3測 5測 1測 215212314 23221182425262728測 3測 5測 1測 21421202218測 3測 5測 1測 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 4測 4測 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 凍結管布置剖面圖 凍結管規(guī)格一般凍結工程凍結管采用 GB81632022 標準流體用無縫鋼管，但本工程由于周圍巖層多為軟巖，而且遇水變軟，對水平打鉆施工影響很大，尤其是圍巖遇水后支護能力很弱，下放凍結管很難成功?？紤]到現階段水平打鉆隊伍的技術能力，采用中碳鋼鉆桿作為凍結管使用，規(guī)格為 φ114，測溫管采用 φ898mm。凍結主要設計參數表詳見表 3：表 3 紅柳煤礦 I02 采區(qū)運輸巷過斷層凍結參數表序 號 參數名稱 單位 參數 備注1 凍結長度 米 352 凍結管傾斜角度 176。 ~3 凍結壁平均溫度 ℃ 104 凍結孔孔間距 m ~5 凍結孔個數 個 286 凍結管規(guī)格 mm φ114 中碳鋼7 測溫孔 m/個 35/58 測溫管規(guī)格 mm φ8989 泄壓孔 m/個 35/210 凍結孔工程量 m 98011 總鉆孔工程量 m 122512 凍結需冷量 104kcal/h 13 配備制冷量 104kcal/h 20℃/32℃14 JYSLGF300III 壓縮機 臺 3 氟利昂機組5 制冷系統(tǒng)設計 冷凍機的選擇凍結站需冷量的計算：Q =π?d? n ?H?K=104Kcal/h式中：Q—凍結孔需冷量；H—凍結管總長度；d—凍結管直徑； K—凍結管散熱系數；根據計算選用 JYSLGF300III 冷凍機機組（20℃/32℃狀況下制冷量104Kcal/h ）3 臺。 鹽水系統(tǒng)⑴ 鹽水循環(huán)泵選用 IS150125200 型 3 臺，單臺流量 200m3/h，電機功率55kw，其中一臺備用； 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，甲方需鋪設至指定位置的清水管路，流量滿足每小時循環(huán)水量 60m179。選用 2 臺清水泵均選用10SH19 型離心泵，流量 360m3/h，電機功率 30kw，其中 1 臺備用。冷卻塔選用NBL50 型 3 臺，其中 1 臺備用，每臺需補充新鮮水 15m3/h。需配備 T35 型軸流風機2 臺，布置在進、回風巷端頭位置，功率 4KW/臺。 其它⑴ 用電負荷：總用電負荷約 500kw/h。⑵ 機房供風量：冷凍系統(tǒng)從地層中帶出的大部分冷量通過冷卻塔帶走，機房供風量除需要保證冷卻塔的散熱風量，還需要考慮正常機房人員施工人員安全作業(yè)，放炮需風量等。初步預計需供風量為 400m179。/分。冷凍機油選用 N46 冷凍機油。⑶ 制冷劑選用氟立昂 R22，冷媒劑選用氯化鈣溶液。6 凍結與開挖施工 施工準備 業(yè)主準備⑴ 因為目前提供的資料，對于設計 I02 采區(qū)運輸巷過斷層凍結方案只能作為一個參考。為更準確，更有針對性的進行方案設計、優(yōu)化，需提供 I02 采區(qū)工作面詳細資料，包括地下水流速、流向，與附近巷道的水力聯系，斷層位置、產狀，煤層及頂底板巖層的強度等。⑵ 凍結孔開鉆前，工作面無明水流出。⑶ 為保證凍結管正常鉆進施工，不破壞煤層頂板巖石，工作面巷道兩幫向外擴大 1200mm，底板向下擴大 2400mm。擴大段巷道長度 4 米。⑷ 施工完成凍結機房用巷道，巷道斷面至少保證 44m，長度 32m。⑸ 提供 380V 電源，負荷 500 kw/h，滿足凍結孔施工、凍結系統(tǒng)運轉供電。⑹ 連通清水管路，用于凍結孔打鉆及凍結運轉補充水，保證 60m3/h 循環(huán)水量，水溫控制在約 1725℃，用于機房蒸發(fā)冷使用。⑺ 加大凍結機房用巷道內通風量，需風量約 400m3/min，工作面安裝瓦斯檢測儀，保證工作面施工安全。圖 18 采用施工一段聯絡巷放置凍結機房的硐室布置圖 施工單位準備⑴ 人員準備。抽調有地下施工經驗的項目部承擔本次施工任務。⑵ 材料準備，準備施工所需要的各種材料。單向閥等加工件加工工期較長，需在開工前進行加工。具體加工件見表 4。17 / 41⑶ 設備準備，準備施工所需要的各種設備，保證設備完好。⑷ 技術準備，根據業(yè)主提供的資料不斷優(yōu)化設計參數。表 4 主要加工件一覽表序號 加工件名稱 單位 數 量1 鉆頭組合 套 362 鉆桿（兼做凍結管） ，中碳鋼 m 13003 孔口管（Ф 1595mm，1m/個） 個 364 上堵頭用接長桿 m 705 堵頭 個 366 鹽水干管、集配液管 套 17 凍結管頭部 個 288 鹽水箱 個 19 鹽水管路支架 個 28 凍結孔施工 施工工序凍結孔施工工序為：定位、開孔→孔口管安裝→孔口裝置安裝→鉆孔→測量→封閉孔底部→打壓試驗。具體為：⑴ 定位開孔及孔口管安裝：根據設計在巷道內用經緯儀定好各孔位置。根據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，用水泥漿固管，另外為保證孔口管安裝牢固，每個孔口管通過兩個錨桿固定在巖層中。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：按設計要求調整好鉆機位置，并固定好，將鉆頭裝入孔口裝置內，在孔口裝置上接上 ， ， 閥門，并將盤根輕壓在盤根盒內，首先采用干式鉆進，當鉆進費勁不進尺時，從鉆機上進行注水鉆進，同時打開小閥門，觀察出水、出砂情況，利用閥門的開關控制出漿量，鉆機選用 MD70 型錨桿鉆機一臺。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，將絲堵上緊。⑸ 打壓試驗：封閉好孔口，用手壓泵打水到孔內，至壓力達到 （并且不低于凍結工作面鹽水壓力的 倍）時，停止打壓，關好閥門，觀測壓力的變化，30 分鐘內壓力無變化為合格。 鉆孔偏斜⑴ 凍結孔開孔位置誤差不大于 100mm。⑵ 凍結孔最大允許偏差 200mm（凍結孔成孔軌跡與設計軌跡之間的距離） 。 凍結孔鉆進與凍結管設置⑴ 使用 MD70 鉆機 1 臺，鉆桿鉆進，采用絲扣連接，并輔以焊接，確保其同心度和焊接強度，防止鹽水通過接縫進入地層影響凍結效果，鉆桿到達設計深度后密封頭部，作為凍結管使用。⑵ 鉆進過程中嚴格監(jiān)測孔斜情況，發(fā)現偏斜要及時糾偏。鉆進完成后，進行凍結管長度的復測，然后再用經緯儀進行測斜并繪制鉆孔偏斜圖。⑶ 凍結管安裝完畢后，用堵漏材料密封凍結管與凍結孔之間的間隙。⑷ 在凍結管內下供液管，然后焊接凍結管端蓋和去、回路羊角。 施工總體布置 凍結站布置與設備安裝凍結站占地面積約 120m2，站內設備主要包括冷凍機、鹽水箱、鹽水泵、清水泵。冷凍站平面布置圖見圖