【導讀】機制造、煤層氣開發(fā)，以及相關(guān)工程技術(shù)服務。能源履行出資人職能。20xx年3月28日，中煤集團與新疆維吾爾自治區(qū)人民政。建設，煤礦建設服務，煤層氣開發(fā)與利用等領(lǐng)域開展全方位合作。成商品煤產(chǎn)業(yè)基地，在準東、伊犁地區(qū)形成煤電、煤化工產(chǎn)業(yè)基地。框架協(xié)議的簽訂，拉開了中煤集團快速、高效開發(fā)新疆煤炭資源的序幕。20xx年7月，中煤能源哈密。2³330MW煤矸石電廠項目均在進行前期準備工作。日在伊犁州察布查爾縣開工奠基，600萬噸/年煤礦正在進行項目可行性研究。地即將迎來開發(fā)建設的熱潮。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。過的哈密至羅中公路。礦井建設規(guī)模，服務年限。凍結(jié)段井壁采用雙層井壁，外層。內(nèi)共99個鉆孔控制到該組地層。巖、細砂巖、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)擴散，創(chuàng)造良好的掘砌施工條件。 4）主斜井分為 5個凍 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）為了報導凍結(jié)壁交圈情況，每段均設置 2個水文孔。 7）為了準確提供凍結(jié)施工經(jīng)驗數(shù)據(jù)，掌握第一手原始凍結(jié)資料，各段均布設 4 個測溫孔。 8）凍結(jié)孔沿井筒開挖方向布置 5排，按設計的排距進行布置凍結(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，穿入斜井斷面段內(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，維護凍結(jié)期 6m179。/h，并根據(jù)井 第 33 頁 筒凍結(jié)發(fā)展狀況和掘砌施工速度，適時調(diào)整開機臺數(shù)和鹽水流量，以及凍結(jié)孔運行數(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)驗并結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗，井筒掘砌施工時空幫時間暫定為 15 天，空底時間確定為 25～ 30 天。 12）凍結(jié)開機前，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)招標文件要求，凍結(jié)段井壁斜長為 203m ，垂深范圍為~。凍結(jié)起始點傾斜長度確定為 ，凍結(jié)起始點水平長度確定為 。那么主斜井凍結(jié)孔垂深為 ～ (均以井口絕對標高 +726m 為177。 0m 計算 )。 凍結(jié)壁設計 斜井圍巖受力特點 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，來討論斜井凍結(jié)壁厚度計算方法。 如圖 所示受垂直力 0P 和側(cè)向力 0P? 作用時，圓形井筒圍巖應力狀態(tài)為 ? ? ? ?? ? ? ?? ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2in3211212c o s3112111212c o s341121112144022004400220044022002200srRrRPrRPrRPrRrRPrRPrr 式中： σ r 為圓形井筒圍巖徑向應力；σ ? 為圓形井筒圍巖切向應力； ??r 為圓形井筒（ｒ，θ）點剪應力；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 為圓形井筒半徑。當λ＝１時， ???????????????????????????2200220011rRPrRPr??? 當 0Rr? 時，井筒周 邊圍巖應力分布為 ? ? ? ? ??????? ?? ???? ?? ? ? 2c o s121 0 00 PPrr 井筒周邊圍巖切向應力 ?? 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力 ?? 的分布 第 35 頁 井筒周邊圍巖切向應力特性如下： （１） 當λ值在０～１／３之間時，井筒拱頂或拱底范圍承受拉應力；當λ＝０時，井筒拱頂 出現(xiàn)最大切向拉應力；當λ＞１／３，井筒拱頂逐漸變得穩(wěn)定。 （２） 當λ值在０～１之間變化時，在側(cè)壁范圍內(nèi)，井筒周邊圍巖切向應力總是壓應力，且比拱頂范圍內(nèi)的應力值大， 03~2 P）（??? 。一般情況下，側(cè)壁處在較大的壓應力作用下，是造成井筒側(cè)壁剪切破壞或巖爆的主要原因之一。 （３）當λ＝１時，井筒圍巖應力狀態(tài)是回轉(zhuǎn)對稱的，各點應力均相同，出現(xiàn)等壓力環(huán)，即周邊圍巖切向應力值為一常數(shù) ? ?02P??? ,這種狀態(tài)對圓形井筒的穩(wěn)定是最有利的。當λ＝０時，井筒周邊圍巖切向壓應力最大值 0max 3P??? ，為等壓力環(huán)周邊圍巖切向應力的 倍。 斜井圍巖壓力計算 （１） 深埋井筒圍巖壓力及壓力拱計算 當埋深 qhH )~(? 時為深埋井筒，計算簡圖如圖 。圖中： qh為深埋井筒壓力 拱高度；ｈ為井筒掘進高度；ａ為井筒掘進寬度之半； 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 圖 深埋井筒圍巖壓力計算簡圖 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算 當埋深 qhH )~(? 時，為淺埋井筒，其圍巖壓力為 ?????? ??????? ???????? ??????? ???245t a n2qt a n245t a n2122。hHbHHqbd?? 第 37 頁 其中， ??， 分別為井筒圍巖容重和似內(nèi)摩擦角；其余符號意義同前。 淺埋井筒頂壓 dq 計算時，考慮了圍巖滑動面阻力。為安全起見，也可忽略滑動面阻力，而將頂壓公式簡化為 Hqd ?? 。 斜井凍結(jié)壁厚度計算 方法 淺埋井筒 從井筒周邊應力分析可知，圓形井筒最大切向應力為等壓力環(huán)周邊切向應力的 倍。當斜井凍結(jié)較淺（Ｈ≤（ ） qh ），或圍巖普氏系數(shù)ｆ較小，不能形成壓力拱時，可按淺埋井筒圍巖頂壓公式、不均勻壓力系數(shù)β和無限長厚壁筒公式（第四強度理論）計算斜井凍結(jié)壁厚度。無壓力拱的斜井凍結(jié)壁厚度可按下式計算： ???????? ??? 13 PKKRE? 式中：Ｅ為凍結(jié)壁厚度，ｍ；Ｒ為井筒外接圓半徑， m；Ｋ為凍土計算強度，ＭＰａ；β可通過側(cè)壓力系數(shù)計算得到，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)壁厚度計算值，是在井筒外接圓的基礎上分析計算得到的。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；可以適當將起點抬高，例如從掘進底板到外接圓底部的中間算起。 深埋井筒 （１） 井筒凍結(jié)壁頂板厚度計算 深埋井筒形成壓力拱時，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 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)，來滿足上述頂板凍結(jié)的 3 點要求和斜井凍結(jié)工程特殊性要求：當ｆ＝ ～ 時， dE（ ～ ） qh ；當ｆ＝ ～ 時， dE ＝（ ～ ） qh ；當ｆ＝ ～ 時， dE ＝（ 2～ 6） qh 。 簡支梁兩端承 受最大剪應力情形，可用于凍結(jié)壁頂板厚度驗算。 （２） 井筒凍結(jié)壁底板厚度計算 由于井筒底板是被動受力，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ｆ＜ 時，井筒圍巖以擴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，再返回鋪設井筒底板。因此，斜井凍結(jié)壁底部裸露時間較長，易產(chǎn)生蠕變變形，出現(xiàn)底鼓。同時在掘砌施工中，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，趨于一個外接圓，提高凍結(jié)壁承壓能力；三是要預留凍結(jié)壁底板解凍時間，防止在井筒鋪設底板之前，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；可以適當將起點抬高，例如從掘進底板到外接圓底部的中間算起。 （３）井筒凍結(jié)壁兩幫厚度計算 凍結(jié)壁可以在一定范圍內(nèi)，提高井筒圍巖抗壓強度，但不能根本改變井筒圍巖塌方類型。井筒圍巖的擴大拱形塌落范圍，主要取決于原有圍巖普氏系數(shù)。因此，凍結(jié)壁兩幫厚度應覆蓋原拱形塌落范圍，并使斜井凍結(jié)壁接近一個厚壁圓筒，以提高其承壓能力。 井筒凍結(jié)壁兩幫厚度 bE ，應同時滿足以下條件：當ｆ ＜ 時， bE ≥ 1～ 1a ；當ｆ＝ ～ 時， bE ＝ ～ 21a ；當ｆ＞ 2 時， bE ≥ 21a ， bE ≥Ｌ。 第 39 頁 其中， 1a 意義同前，Ｌ為兩幫凍結(jié)孔成孔間距。 兩幫凍結(jié)壁厚度應在此基礎上外擴，使斜井凍結(jié)壁接近一個厚壁圓筒。 大南湖主斜井凍結(jié)壁設計 根據(jù)主斜井井筒傾向穿入不同地層特點及地壓值不同，按井筒垂深將地層凍結(jié)段壁厚度分為五段計算 ：Ⅰ段： ～ ，Ⅱ段： ～ ，Ⅲ段： ～ ，Ⅳ段： ～ ，Ⅴ段： ～ ， 凍結(jié)段壁厚度計算的各個控制層位見 表 。 表 各區(qū)段控制層位一覽表 段號 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)壁厚度計算 1）地壓計算 ①頂板凍結(jié)壁承受壓力計算 垂直于井筒外凍結(jié)頂板最大 壓力可按“淺埋峒室松動壓力的巖柱理論”計算。 凍結(jié)段垂深較大時，亦可按照深埋硐室的成拱理論計算頂板的最大壓力，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“淺埋峒室松動壓力的巖柱理論”計算井筒頂板凍結(jié)壁的最大壓力。 頂板凍結(jié)壁承受壓力的計算公式為： 第 40 頁 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)壁承受壓力計算 兩側(cè)凍結(jié)壁承受壓力按重液公式計算，其計算公式為： ? 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)壁承受壓力計算 底部凍結(jié)壁承受壓力按承受水壓計算，其計算公式為： 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 頂板（ MPa） 側(cè)幫（ MPa） 底板（ MPa） Ⅰ 段 Ⅱ段 Ⅲ段 Ⅳ段 Ⅴ段 2）計算凍結(jié)壁厚度 由于斜井傾角 14176。，且井筒掘進斷面近似為圓形，近似水平圓筒，同時考慮井筒斷面形狀壓力的不均勻性，采用無限長厚壁筒彈性理論拉麥公式進行凍結(jié)壁厚度計算。 ? ?? ?12/ ??? PKKRE 式中 R為井筒掘進半徑， R =。 K為凍土允許抗壓強度 通過以上計算結(jié)果，并綜合斜井井筒凍結(jié)施工經(jīng)驗，地層凍結(jié)壁厚度確定見表 。 第