井筒冻结工程一、冻结方案由于本矿井主、副、风井井筒净直径均较大，且冻结深度大，根据其实际地质情况并参照附近龙固、赵楼等矿井冻结设计、施工情况，三个井筒均采用三圈孔加辅助孔冻结方案。

其主要优点为冻结效率高，综合工期短，适于早日开挖、快速施工，且安全可靠。

二、冻结设计1、冻结深度的确定本矿井井筒冻结深度分别为：主井井筒894m，副井井筒840m，风井井筒840m。

2、冻结壁设计（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，因为砂层冻结壁由于冻砂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，因为对于粘土层最终决定冻结壁厚度的是必须满足变形条件，在隔水粘土层中不会涌砂冒水，但过大的变形会导致冻结管断裂，从而影响冻结壁安全。

（2）基本设计计算参数冻结壁基本设计计算参数见表3-2-1。

表3-2-1 冻结壁基本设计计算参数表注：※掘砌荒半径不含壁后泡沫塑料板厚。

（3）冻结壁厚度设计根据现有公式计算、有限元分析及经验工程类比并结合万福实际工程情况，确定万福矿井各控制层冻结壁厚度见表3-2-6。

表3-2-6 万福矿井主、副、风井各控制层冻结壁厚度表（4）冻结壁（强度）平均温度校核结合国内现有冻结制冷工艺，立足现实，在确保安全运转的前提下，盐水温度在-30～-37℃之间较为合适，在龙固、丁集等矿井已经实现-36℃的盐水温度，若达到-40℃不但制冷设备的效率大大降低，由此带来的冻结管及制冷系统的管道材质问题将很难解决，即便解决费用也难以承受。

因此计算最低盐水温度按-36℃。

多圈孔冻结施工国外及国内均没有现成的公式可以计算，冻结壁平均温度计算采用四种方法计算：①采用单排孔冻结壁平均温度计算公式——成冰公式，加修正值；②采用作图法计算；③采用有限元分析方法；④工程类比法。

冻结壁平均温度计算结果见表3-2-7。

表3-2-7 万福矿井冻结壁平均温度计算结果表经过校核可知，冻结壁平均温度均能达到设计要求，强度可以满足施工安全。

3、冻结孔的布置（1）冻结孔布置形式万福冻结孔布置综合考虑龙固、郭屯及其它矿井的布置经验，根据增大冻结壁厚度不如在厚度一定的情况下，提高冻结壁强度的原则，加强内圈孔的布置，通过内圈孔、防片孔先交圈，为防止夹层水及减少冻结装机量，中圈孔、外圈孔依次开冻。

为保证冻结壁强度能提高上去，将冻结孔在施工工艺满足的情况下尽可能均匀布置，即将中圈孔分开布置。

（2）冻结孔布置方案根据万福实际地质情况和冻结壁设计厚度和平均温度，在一定冻结壁厚度下，通过冻结孔的布置，即能达到设计的冻结壁厚度，又能降低冻结壁平均温度、提高冻结壁强度来保证冻结壁的安全。

根据以上设计理念进行冻结孔布置，选择合理的冻结方案。

①冻结孔深度a. 外圈孔深度外圈孔的作用是保证冲积层下部冻结壁设计厚度及强度，所以外圈孔冻结深度穿过新近系和强风化带即可。

冲积层深度主井、风井753.95m，副井749m。

主井、风井强风化带底板深度为773.31m，弱风化带底板深度781.52m；副井强风化带底板深度为773.5m，弱风化带底板深度776.88m。

因此确定外圈孔冻结深度主井、风井、副井均为775m。

由于上部需要的冻结壁较薄，为节省冷量，外圈孔可采用局部冻结，300m以上不冻或少冻，重点冻结300m以下。

b. 中圈孔深度中圈孔设置目的：一是中、上部与内圈孔、防片孔一起形成有效的冻结壁，且保证上部冻结壁厚度和强度；二是保证冲积层中下部及风化带的冻结壁强度；三是部分冻结孔深到所需冻结深度，确保基岩段冻结。

中圈孔采用差异冻结，长腿深度与冻结深度相同，即主井894m，副井840m，风井840m。

短腿深度超过风化带即可，即主井、风井短腿深度均为783m、，副井短腿深度为778m。

c. 内圈孔深度内圈孔上部可与防片孔、中圈孔形成冻结壁，并提高冻结壁强度，防片孔深度以下与中圈、外圈共同保证冻结壁厚度与强度，还要降低井帮温度，减少冻结壁内表面位移。

同时还要兼顾风化带的冻结。

内圈孔深度超过风化带即可，即主井、风井内圈孔深度均为783m、，副井内圈孔深度为778m。

d. 防片孔深度深厚冲积层井筒因结构需要，上部井壁与下部井壁厚度相差较大（主井上下相差1.2m，副井上下相差1.55m，风井上下相差1.4m）。

井筒又是自上而下施工，上部冻结时间短，内圈孔上部离荒径较远，上部冻土因动水影响发展速度较慢。

若不设防片孔，上部开挖时易出现片帮、抽帮现象，有时还会发生因周围冻土围抱力不够，已施工井壁“脱裤子”的现象，严重影响井壁质量和施工安全及施工速度，增加工程成本。

借鉴龙固、郭屯矿井冻结经验，万福矿井冻结设防片孔，结合冻结壁强度、井帮温度要求及开挖和掘砌施工进度，防片孔深度要求既要保证防片孔深度以上的井帮温度，还要照顾到过防片孔以后井帮温度要达到设计要求。

因此结合井壁结构设计，防片孔冻结深度穿过井壁变截面，保护变径处的安全，深度分别为：主井512m、副井482m、风井482m。

②冻结孔偏斜深厚冲积层冻结井施工中，冻结孔施工质量的好坏直接影响冻结工程的成败。

为保证冻结壁均匀稳定及冻结壁厚度和强度的如期达到，根据业主要求及万福实际地质情况并结合当前冻结钻孔实际施工水平，对冻结孔偏斜提出如下要求：a. 钻孔垂直度：0～300m≤2.5‰；300～600m，靶域半径0.7m；600m到新近系底板，靶域半径0.8m；基岩段靶域半径1.2m；防片孔向内≤0.5m。

b. 根据《矿山井巷工程施工验收规范》要求，外圈、中圈、内圈孔相邻两孔最大孔间距：冲积层≤3.0m，防片孔按偏斜率及靶域半径控制。

中圈孔基岩段≤4.5m。

以上条件必须同时满足。

c. 孔位偏值：径向向外0～25㎜，切向±25㎜。

d. 钻孔深度必须保证冻结管下管深度不得小于设计深度0.5m。

③冻结孔布置a. 冻结圈径根据龙固、郭屯等矿井冻结壁实际监测资料，冻结壁自外圈孔圈径向外发展，冻结时间超过270天后，冻土向外发展极为缓慢，冷量与外部热量近似达到平衡。

因外圈孔偏斜的不确定性而造成的前期冻结壁向外锋面为锯齿形，后期向外冻结壁锋面也将变得圆滑了，外圈孔间距的影响变得很小。

龙固、郭屯实际监测冲积层下部冻土向外发展（按结冰温度值为冻结壁锋面）均在2.8～3.0m，万福矿井冻结时间将更长，冻结壁自外圈向外发展按2.3～2.5m计算，并结合冻结壁厚度及掘砌荒径推算外圈布置圈径。

因此确定外圈冻结孔布置圈径为：主井27m、副井31.5m、风井29m。

中圈孔圈径D中= D荒+2（0.55E’+γH）考虑外圈孔与中圈孔之间尽可能避免夹层水，距离不宜太大。

因副井、风井井筒净径、冻结壁厚度较大，为保证冻结壁的强度，副井、风井将中圈孔再分开布置，使冻结孔在冻结壁内布置的更加均匀。

确定中圈孔圈径：主井20.8m、副井22.5/25m、风井21/23m。

内圈孔圈径D辅= D荒+2（0.3E‘+γH）考虑偏斜及对井帮温度的要求，内圈孔在保证冻结壁强度和井帮温度情况下，尽量距荒径远一点。

确定内圈孔圈径：主井15.8m、副井18.0m、风井16.8m。

防片帮孔圈径根据冻结工期、井帮温度要求及上部冻土发展速度，并尽可能减少造孔工程量，确定防片帮孔圈径：主井11.7m、副井13.8m、风井12.5m。

根据以上布置，冲积层底部控制层冻结管到荒径距离：主井：外圈8.575m、中圈5.475m、内圈孔2.975m。

副井：外圈9.625m、中圈6.375/5.125m、内圈孔2.875m。

风井：外圈9.125m、中圈6.125/5.125m、内圈孔3.025m。

b. 开孔间距借鉴龙固、郭屯实际施工经验，内圈开孔间距控制在大于1.5m较为合适。

为保证夹层水能充分释放，中圈孔开冻时间比内圈及防片孔晚，两相邻孔开孔间距应大于内圈孔，小于外圈孔。

L=πD/N主井：外圈孔1.84m、中圈孔1.63m、内圈孔1.5m、防片孔2.82m。

副井：外圈孔1.83m、中圈孔2.71/2.43m（中圈两相临孔间距1.79m）、内圈孔1.52m、防片孔2.88m。

风井：外圈孔1.82m、中圈孔2.53/2.77m（中圈两相临孔间距1.66m）、内圈孔1.51、防片孔2.8m。

c. 冻结孔数N =πD/L主井：外圈孔46个、中圈孔20/20个、内圈孔33个、防片孔13个。

副井：外圈孔54个、中圈孔29/29个、内圈孔37个、防片孔15个。

风井：外圈孔50个、中圈孔26/26个、内圈孔35个、防片孔14个。

（3）冻结管、供液管①冻结管选择根据已施工深厚冲积层冻结管使用经验，充分考虑钻孔难度、盐水流量、盐水阻力等因素，并结合规范要求，确定冻结管直径如下：外圈冻结管0～300m采用φ159×6mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接，300m以下采用φ159×7mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接。

中圈孔、内圈孔0～290m采用φ159×6mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接，290m以下采用φ159×7mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接。

内圈孔0～280m采用φ159×6mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接，280m 以下采用φ159×7mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接。

防片孔采用φ140×6mm20#优质低碳钢无缝管，内管箍连接。

②供液管a. 外圈冻结孔采用单根供液管，深度同外圈冻结管深度，规格φ80×7mm 聚乙稀塑料软管。

b. 中圈冻结孔采用单根供液管，深度同中圈冻结管深度，规格φ80×7mm 聚乙稀塑料软管。

c. 内圈孔采用单根供液管，深度同内圈冻结管深度，规格φ80×7mm聚乙稀塑料软管。

d. 防片孔采用单根供液管，深度同防片孔冻结管深度，规格φ75×7mm聚乙稀塑料软管。

（4）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，每井设计7个测温孔。

主井：894m/2个、880m/1个、775m/2个、755m/2个。

副井：840m/2个、825m/1个、775m/2个、750m/2个。

风井：840m/2个、823m/1个、775m/2个、755m/2个。

测温孔具体位置根据冻结孔偏斜情况而定。

测温孔采用φ140×6mm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。

（5）水文孔布置每井设计四个水文孔，分层报道（花管位置另行设计）。

主井：160m/1个、450m/1个、600m/1个、753m/1个。