【導(dǎo)讀】機(jī)制造、煤層氣開(kāi)發(fā)，以及相關(guān)工程技術(shù)服務(wù)。能源履行出資人職能。20xx年3月28日，中煤集團(tuán)與新疆維吾爾自治區(qū)人民政。建設(shè)，煤礦建設(shè)服務(wù)，煤層氣開(kāi)發(fā)與利用等領(lǐng)域開(kāi)展全方位合作。成商品煤產(chǎn)業(yè)基地，在準(zhǔn)東、伊犁地區(qū)形成煤電、煤化工產(chǎn)業(yè)基地?？蚣軈f(xié)議的簽訂，拉開(kāi)了中煤集團(tuán)快速、高效開(kāi)發(fā)新疆煤炭資源的序幕。20xx年7月，中煤能源哈密。2³330MW煤矸石電廠項(xiàng)目均在進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作。日在伊犁州察布查爾縣開(kāi)工奠基，600萬(wàn)噸/年煤礦正在進(jìn)行項(xiàng)目可行性研究。地即將迎來(lái)開(kāi)發(fā)建設(shè)的熱潮。位于哈密市東南70km處，行政區(qū)劃屬哈密市管轄。km～，含煤面積約km2。過(guò)的哈密至羅中公路。礦井建設(shè)規(guī)模，服務(wù)年限。凍結(jié)段井壁采用雙層井壁，外層。內(nèi)共99個(gè)鉆孔控制到該組地層。巖、細(xì)砂巖、粗粒砂巖、炭質(zhì)泥巖和煤層，是本次勘探工作的主要對(duì)象。行籌建，其它勘查區(qū)的地質(zhì)勘查工作尚未完成，各區(qū)的勘查程度不等。不一，松散，無(wú)膠結(jié)。

　　

【正文】 凍結(jié)方式，斜井頂板凍結(jié)壁厚度以上為小管徑凍結(jié)管，可節(jié)省凍結(jié)制冷量。 3）針對(duì)穿入巷道斷面段內(nèi)的凍結(jié)管，采用變徑隔熱措施。即巷道斷面內(nèi)φ108179。 5mm 凍結(jié)管外部焊接φ 159179。 5mm 的無(wú)縫鋼管作為套管，其套管內(nèi)環(huán)形空間抽真空隔溫，有效控制冷量向井筒內(nèi)擴(kuò)散，創(chuàng)造良好的掘砌施工條件。 4）主斜井分為 5個(gè)凍 結(jié)段。 5）采用分段打鉆、分段凍結(jié)工藝，確保造孔、凍結(jié)、掘砌連續(xù)施工。 6）為了報(bào)導(dǎo)凍結(jié)壁交圈情況，每段均設(shè)置 2個(gè)水文孔。 7）為了準(zhǔn)確提供凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，掌握第一手原始凍結(jié)資料，各段均布設(shè) 4 個(gè)測(cè)溫孔。 8）凍結(jié)孔沿井筒開(kāi)挖方向布置 5排，按設(shè)計(jì)的排距進(jìn)行布置凍結(jié)孔。 9）為了確保每段掘砌施工安全，每段終端孔作為封頭孔，穿入斜井?dāng)嗝娑蝺?nèi)的部分，不采取隔熱措施。 10）各凍結(jié)孔鹽水流量：積極凍結(jié)期 10m179。/h，維護(hù)凍結(jié)期 6m179。/h，并根據(jù)井 第 33 頁(yè) 筒凍結(jié)發(fā)展?fàn)顩r和掘砌施工速度，適時(shí)調(diào)整開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)和鹽水流量，以及凍結(jié)孔運(yùn)行數(shù)量。在凍結(jié)壁保證掘砌安全的條件下，為井筒施工創(chuàng)造良好環(huán)境。 11）依據(jù)我單位斜井凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，井筒掘砌施工時(shí)空幫時(shí)間暫定為 15 天，空底時(shí)間確定為 25～ 30 天。 12）凍結(jié)開(kāi)機(jī)前，所有影響凍結(jié)的水源井必須停止使用，確保井筒凍結(jié)施工安全。 凍結(jié)深度的確定 根據(jù)招標(biāo)文件要求，凍結(jié)段井壁斜長(zhǎng)為 203m ，垂深范圍為~。凍結(jié)起始點(diǎn)傾斜長(zhǎng)度確定為 ，凍結(jié)起始點(diǎn)水平長(zhǎng)度確定為 。那么主斜井凍結(jié)孔垂深為 ～ (均以井口絕對(duì)標(biāo)高 +726m 為177。 0m 計(jì)算 )。 凍結(jié)壁設(shè)計(jì) 斜井圍巖受力特點(diǎn) 圓形井筒圍巖壓力 斜井井筒掘砌斷面基本可按圓形處理，掘砌施工及永久支護(hù)后的井筒及其圍巖受力，較為接近圓筒受力狀態(tài)。斜井與水平井筒圍巖受力有類似之處。因此，我們由圓形井筒受力分析入手，來(lái)討論斜井凍結(jié)壁厚度計(jì)算方法。 如圖 所示受垂直力 0P 和側(cè)向力 0P? 作用時(shí)，圓形井筒圍巖應(yīng)力狀態(tài)為 ? ? ? ?? ? ? ?? ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2in3211212c o s3112111212c o s341121112144022004400220044022002200srRrRPrRPrRPrRrRPrRPrr 式中： σ r 為圓形井筒圍巖徑向應(yīng)力；σ ? 為圓形井筒圍巖切向應(yīng)力； ??r 為圓形井筒（ｒ，θ）點(diǎn)剪應(yīng)力；λ為井筒圍巖側(cè)壓力系數(shù)；Ｐ 0 為井筒圍巖頂壓力；Ｒ 0 第 34 頁(yè) 為圓形井筒半徑。當(dāng)λ＝１時(shí)， ???????????????????????????2200220011rRPrRPr??? 當(dāng) 0Rr? 時(shí)，井筒周 邊圍巖應(yīng)力分布為 ? ? ? ? ??????? ?? ???? ?? ? ? 2c o s121 0 00 PPrr 井筒周邊圍巖切向應(yīng)力 ?? 及其分布，主要取決于側(cè)壓力系數(shù)λ，如 所示。 圖 圓形井筒周邊圍巖切向應(yīng)力 ?? 的分布 第 35 頁(yè) 井筒周邊圍巖切向應(yīng)力特性如下： （１） 當(dāng)λ值在０～１／３之間時(shí)，井筒拱頂或拱底范圍承受拉應(yīng)力；當(dāng)λ＝０時(shí)，井筒拱頂 出現(xiàn)最大切向拉應(yīng)力；當(dāng)λ＞１／３，井筒拱頂逐漸變得穩(wěn)定。 （２） 當(dāng)λ值在０～１之間變化時(shí)，在側(cè)壁范圍內(nèi)，井筒周邊圍巖切向應(yīng)力總是壓應(yīng)力，且比拱頂范圍內(nèi)的應(yīng)力值大， 03~2 P）（??? 。一般情況下，側(cè)壁處在較大的壓應(yīng)力作用下，是造成井筒側(cè)壁剪切破壞或巖爆的主要原因之一。 （３）當(dāng)λ＝１時(shí)，井筒圍巖應(yīng)力狀態(tài)是回轉(zhuǎn)對(duì)稱的，各點(diǎn)應(yīng)力均相同，出現(xiàn)等壓力環(huán)，即周邊圍巖切向應(yīng)力值為一常數(shù) ? ?02P??? ,這種狀態(tài)對(duì)圓形井筒的穩(wěn)定是最有利的。當(dāng)λ＝０時(shí)，井筒周邊圍巖切向壓應(yīng)力最大值 0max 3P??? ，為等壓力環(huán)周邊圍巖切向應(yīng)力的 倍。 斜井圍巖壓力計(jì)算 （１） 深埋井筒圍巖壓力及壓力拱計(jì)算 當(dāng)埋深 qhH )~(? 時(shí)為深埋井筒，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 。圖中： qh為深埋井筒壓力 拱高度；ｈ為井筒掘進(jìn)高度；ａ為井筒掘進(jìn)寬度之半； 1a 為兩幫不穩(wěn)定范圍；ｂ為壓力拱跨度之半； bd??, 分別為頂板、井幫圍巖容重； bd ff, 分別為頂板、井幫圍巖普氏系數(shù)； bd??, 分別為頂板、井幫圍巖似內(nèi)摩擦角； bdqq,分別為井筒頂壓和側(cè)壓。 第 36 頁(yè) 圖 深埋井筒圍巖壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖 深埋井筒壓力拱高度 qh 及圍巖壓力為 ? ? ?????? ??????????? ?????????245t a n221245t a nt a n21bbqdbqddbddqhhqhqhaaabbfbh。??? (2)淺埋井筒圍巖壓力計(jì)算 當(dāng)埋深 qhH )~(? 時(shí)，為淺埋井筒，其圍巖壓力為 ?????? ??????? ???????? ??????? ???245t a n2qt a n245t a n2122。hHbHHqbd?? 第 37 頁(yè) 其中， ??， 分別為井筒圍巖容重和似內(nèi)摩擦角；其余符號(hào)意義同前。 淺埋井筒頂壓 dq 計(jì)算時(shí)，考慮了圍巖滑動(dòng)面阻力。為安全起見(jiàn)，也可忽略滑動(dòng)面阻力，而將頂壓公式簡(jiǎn)化為 Hqd ?? 。 斜井凍結(jié)壁厚度計(jì)算 方法 淺埋井筒 從井筒周邊應(yīng)力分析可知，圓形井筒最大切向應(yīng)力為等壓力環(huán)周邊切向應(yīng)力的 倍。當(dāng)斜井凍結(jié)較淺（Ｈ≤（ ） qh ），或圍巖普氏系數(shù)ｆ較小，不能形成壓力拱時(shí)，可按淺埋井筒圍巖頂壓公式、不均勻壓力系數(shù)β和無(wú)限長(zhǎng)厚壁筒公式（第四強(qiáng)度理論）計(jì)算斜井凍結(jié)壁厚度。無(wú)壓力拱的斜井凍結(jié)壁厚度可按下式計(jì)算： ???????? ??? 13 PKKRE? 式中：Ｅ為凍結(jié)壁厚度，ｍ；Ｒ為井筒外接圓半徑， m；Ｋ為凍土計(jì)算強(qiáng)度，ＭＰａ；β可通過(guò)側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算得到，最大 ，一般取 ～ ；Ｐ為淺埋井筒圍巖頂壓，Ｐ≈γＨ，ＭＰａ；γ意義同前，ＭＮ／ｍ 3 ；Ｈ意義 同前，ｍ。 需要指出的是，淺埋井筒凍結(jié)壁厚度計(jì)算值，是在井筒外接圓的基礎(chǔ)上分析計(jì)算得到的。而井筒凍結(jié)工程的凍結(jié)壁厚度，一般是按掘砌荒徑確定。因此，上述計(jì)算結(jié)果需要經(jīng)分析修正后，重新確定凍結(jié)壁 各部位厚度。斜井底部一般為馬蹄形；在淺埋情況下，井筒周邊最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在兩側(cè)，底部可能只出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。凍結(jié)壁底板厚度，按井筒外接圓算起有些偏大；可以適當(dāng)將起點(diǎn)抬高，例如從掘進(jìn)底板到外接圓底部的中間算起。 深埋井筒 （１） 井筒凍結(jié)壁頂板厚度計(jì)算 深埋井筒形成壓力拱時(shí)，凍結(jié)壁形成的頂板，一是要將壓力拱內(nèi)可能塌落的圍巖凍結(jié)成整體，提高井筒頂部圍巖普氏系數(shù)，減小壓力拱高度；二是要將部分壓力拱圍巖凍結(jié)，使圍巖壓力拱具有封水作用；三是要讓頂板凍結(jié)圍巖本身所形 第 38 頁(yè) 成的壓力拱發(fā)揮作用。因此，井筒凍結(jié)壁頂板厚度 dE ，一般應(yīng)大于圍巖壓力拱高度 qh ，根據(jù)井筒頂板圍巖普氏系數(shù)ｆ的不同，需要調(diào)整 qd hE與 的倍數(shù)，來(lái)滿足上述頂板凍結(jié)的 3 點(diǎn)要求和斜井凍結(jié)工程特殊性要求：當(dāng)ｆ＝ ～ 時(shí)， dE（ ～ ） qh ；當(dāng)ｆ＝ ～ 時(shí)， dE ＝（ ～ ） qh ；當(dāng)ｆ＝ ～ 時(shí)， dE ＝（ 2～ 6） qh 。 簡(jiǎn)支梁兩端承 受最大剪應(yīng)力情形，可用于凍結(jié)壁頂板厚度驗(yàn)算。 （２） 井筒凍結(jié)壁底板厚度計(jì)算 由于井筒底板是被動(dòng)受力，所以底板附近圍巖不是均勻受力，受井筒下部和兩側(cè)圍巖普氏系數(shù)影響較大。當(dāng)ｆ＜ 時(shí)，井筒圍巖以擴(kuò)大拱形塌方類型為主，井筒底部圍巖易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。 斜井施工，一般是先砌筑兩側(cè)和拱頂井壁；待掘砌一段后，再返回鋪設(shè)井筒底板。因此，斜井凍結(jié)壁底部裸露時(shí)間較長(zhǎng)，易產(chǎn)生蠕變變形，出現(xiàn)底鼓。同時(shí)在掘砌施工中，需要割斷垂直凍結(jié)方式的頂?shù)装鍍鼋Y(jié)管。為此，凍結(jié)壁形成的底板，一是要加固井筒下部圍巖，提高圍巖普氏系數(shù)，減小底鼓；二是要使凍 結(jié)壁底部外擴(kuò)，趨于一個(gè)外接圓，提高凍結(jié)壁承壓能力；三是要預(yù)留凍結(jié)壁底板解凍時(shí)間，防止在井筒鋪設(shè)底板之前，發(fā)生透水事故。 井筒凍結(jié)壁底板厚度 tE 要同時(shí)滿足以下條件： tE ≥ dE ； tE ≥ 3（ｆ ＞ 2）～5（ｆ ＜ ）ｍ。 與淺埋井筒同樣的道理，凍結(jié)壁底板厚度，按井筒外接圓算起有些偏大；可以適當(dāng)將起點(diǎn)抬高，例如從掘進(jìn)底板到外接圓底部的中間算起。 （３）井筒凍結(jié)壁兩幫厚度計(jì)算 凍結(jié)壁可以在一定范圍內(nèi)，提高井筒圍巖抗壓強(qiáng)度，但不能根本改變井筒圍巖塌方類型。井筒圍巖的擴(kuò)大拱形塌落范圍，主要取決于原有圍巖普氏系數(shù)。因此，凍結(jié)壁兩幫厚度應(yīng)覆蓋原拱形塌落范圍，并使斜井凍結(jié)壁接近一個(gè)厚壁圓筒，以提高其承壓能力。 井筒凍結(jié)壁兩幫厚度 bE ，應(yīng)同時(shí)滿足以下條件：當(dāng)ｆ ＜ 時(shí)， bE ≥ 1～ 1a ；當(dāng)ｆ＝ ～ 時(shí)， bE ＝ ～ 21a ；當(dāng)ｆ＞ 2 時(shí)， bE ≥ 21a ， bE ≥Ｌ。 第 39 頁(yè) 其中， 1a 意義同前，Ｌ為兩幫凍結(jié)孔成孔間距。 兩幫凍結(jié)壁厚度應(yīng)在此基礎(chǔ)上外擴(kuò)，使斜井凍結(jié)壁接近一個(gè)厚壁圓筒。 大南湖主斜井凍結(jié)壁設(shè)計(jì) 根據(jù)主斜井井筒傾向穿入不同地層特點(diǎn)及地壓值不同，按井筒垂深將地層凍結(jié)段壁厚度分為五段計(jì)算 ：Ⅰ段： ～ ，Ⅱ段： ～ ，Ⅲ段： ～ ，Ⅳ段： ～ ，Ⅴ段： ～ ， 凍結(jié)段壁厚度計(jì)算的各個(gè)控制層位見(jiàn) 表 。 表 各區(qū)段控制層位一覽表 段號(hào) 控制層位深度（ m） 頂板 側(cè)幫 底板 Ⅰ段 （粉砂巖） （砂質(zhì)泥巖） （砂質(zhì)泥巖） Ⅱ段 （中粒砂巖） （ 泥巖） （泥巖） Ⅲ段 （礫巖） （礫巖） （礫巖） Ⅳ段 （砂質(zhì)泥巖） （粉砂巖） （粉砂巖） Ⅴ段 （砂質(zhì)泥巖） （砂質(zhì)泥巖） （砂質(zhì)泥巖） （ 1）凍結(jié)壁平均溫度 根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合大南湖主斜井的地質(zhì)資料，將凍結(jié)壁平均溫度設(shè)定為：頂、底板凍結(jié)壁平均溫度 12℃、兩幫凍結(jié)壁平均溫度 8℃。 （ 2）凍結(jié)壁厚度計(jì)算 1）地壓計(jì)算 ①頂板凍結(jié)壁承受壓力計(jì)算 垂直于井筒外凍結(jié)頂板最大 壓力可按“淺埋峒室松動(dòng)壓力的巖柱理論”計(jì)算。 凍結(jié)段垂深較大時(shí)，亦可按照深埋硐室的成拱理論計(jì)算頂板的最大壓力，但考慮到井筒頂板凍結(jié)壁厚度的增加對(duì)工程的投入和施工工期影響不大，故選用偏安全的“淺埋峒室松動(dòng)壓力的巖柱理論”計(jì)算井筒頂板凍結(jié)壁的最大壓力。 頂板凍結(jié)壁承受壓力的計(jì)算公式為： 第 40 頁(yè) cosapH??? 式中， ap — 頂板凍結(jié)壁承受的壓力， MPa； ? — 土層的容重， kg /m3，取 179。 103 kg/m3； H — 控制層頂板深度， m，取斜井凍結(jié)壁控制截面的頂部深度； ? — 井筒傾角，176。 ②兩側(cè)凍結(jié)壁承受壓力計(jì)算 兩側(cè)凍結(jié)壁承受壓力按重液公式計(jì)算，其計(jì)算公式為： ? 式中， p — 兩側(cè)凍結(jié)壁承受的壓力， MPa； H — 控制層深度， m。 ③ 底板凍結(jié)壁承受壓力計(jì)算 底部?jī)鼋Y(jié)壁承受壓力按承受水壓計(jì)算，其計(jì)算公式為： cpH?? 式中， cp — 底板凍結(jié)壁承受的壓力， MPa； ? — 水的容重， kg /m3； H — 控制截面底板凍結(jié)壁深度， m。 表 各段地壓值一覽表 段號(hào) 頂板（ MPa） 側(cè)幫（ MPa） 底板（ MPa） Ⅰ 段 Ⅱ段 Ⅲ段 Ⅳ段 Ⅴ段 2）計(jì)算凍結(jié)壁厚度 由于斜井傾角 14176。，且井筒掘進(jìn)斷面近似為圓形，近似水平圓筒，同時(shí)考慮井筒斷面形狀壓力的不均勻性，采用無(wú)限長(zhǎng)厚壁筒彈性理論拉麥公式進(jìn)行凍結(jié)壁厚度計(jì)算。 ? ?? ?12/ ??? PKKRE 式中 R為井筒掘進(jìn)半徑， R =。 K為凍土允許抗壓強(qiáng)度 通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果，并綜合斜井井筒凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，地層凍結(jié)壁厚度確定見(jiàn)表 。 第