井筒凍結方案設計研究

摘 要：依據凍結施工的原理，阿本文為保障工程施工的可持續性，井筒在凍結造孔施工的同時，凍結施工員將進入施工現場開展各項凍結施工工作。井筒凍結方案設計和凍結站的施工質量，直接影響到整個凍結工程的安全與成敗，因此，對凍結站安裝施工方案進行設計，即對凍結制冷參數設計、制冷系統施工設計和其它系統設計為重點研究內容。

關鍵詞：井筒；施工質量；凍結方案；制冷系統

1 井筒凍結施工工藝

依據礦井井筒檢查鉆孔勘查地質報告、7#井檢孔柱狀圖和招標文件，主斜井凍結深度為：主斜井凍結垂深134m（以井口標高+1277m為±1m）。針對煤礦主斜井井筒穿過地層特點，凍結方案以“安全第一、優質高效、少挖凍土”，保障井筒施工安全為原則。造孔、凍結、掘砌相銜接，連續、快速、優質完成凍結段施工為目的。方案設計如下：

目前主斜井明槽段（斜長33m）底板基礎已施工完畢，該段井筒尚未成井。依據業主意見，結合現場實際情況，確定從斜長49.84m（水平長度47.43m）起開始凍結。斜長33m至斜長49.84m段使用降水法施工，施工時不得影響整個凍結段凍結。使用在地面打直孔方案，鉆孔深度由淺入深，最淺孔為22.4m，最深孔為134m（所有鉆孔深度均以井口標高+1277m為±1m起計算）。使用局部凍結方式，斜井頂板凍結壁厚度以上為非凍結段，可節省凍結制冷量；中排孔及壁龕內部凍結孔穿入井筒斷面段，采取管內充填高密度氨脂隔熱保溫措施，創造良好的掘砌施工條件。

為減少排孔間距，中圈孔使用插花設置，導致凍結壁交圈較早，同時均衡性凍結壁發展得以強化。依據招標文件說明方案，93m/月為井筒綜合掘砌指標。結合井筒施工的安全性方面，2m安全巖帽預留在沿井筒軸向前方，凍結段確定掘砌斜長為326.7m，凍結段全部分為4段。距井筒321m幅度內停止抽水，降低地下水的流動速率，在主斜井凍結期間，為保障井筒凍結施工的安全性。為保障造孔、凍結、掘砌連續施工，使用分段凍結、分段打鉆手段。即為：第一段凍結期為39天，第二段在第一段之后開始凍結，第三段在第一段掘砌期35天后凍結開始。第一段掘砌完成之后，第二段可進行掘砌施工，因為第二段凍結已達到34天。以此推理，全部凍結段施工完成。為保障每段掘砌施工安全性，各段均在終端設置封頭孔，但第一段兩端設置封頭孔除外。在凍結管連接方式方面的程序如下：使用三個凍結管串聯方式在一段至三段之間，使用二個凍結管串聯方式在四段與五段。每段均設置2個水文孔，為匯報凍結壁交圈情況方便。為搜集與整理原始凍結資料，提供準確凍結施工經驗數據表，第一段多設置3個測溫孔比其它各段。分段凍結孔鹽水流量設定：并依據井筒凍結發展現狀和掘砌施工速度與質量，一般而言，積極凍結期為6～8m 3/h，維護凍結期為3m3/h，并適時調整鹽水流量和開機臺數，以及凍結孔正在作業運行的數量。在凍結壁保證掘砌安全的前提條件下，為井筒施工營造良好安全與質量環境。

2 凍結制冷參數設計

依據招投標文件及馬泰壕礦井主斜井井筒的地質特征，確定凍結技術參數如下：鹽水溫度，積極凍結期鹽水溫度：-26℃；維護、消極凍結期鹽水溫度：-22℃～-23℃。凍結壁厚度設計，依據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段壁厚度分為五段計算：一段：18.33～39.31m，二段：39.31～81.92m，Ⅲ段：81.92～113.81m，Ⅳ段：113.81～123.68m，五段：123.68～139.8m。

2.1 地壓計算

垂直于井筒頂板最大壓力為頂板壓力：計算第一段按“淺埋峒室松動壓力的巖柱理論公式”；計算第二段至第五段按“山巖壓力系數法”公式，而淺埋峒室松動壓力的常用巖柱理論公式為：

式中： P—頂板壓力，Mpa； k— 受力不均勻系數； α—井筒傾角，16°；

r—巖石的容重，t/m3；H—控制層頂板深度，m。山巖壓力系數法公式：

頂板壓力 一段： 1.118Mpa； 二段—五段： 1.722Mpa

兩幫側壓力按秦氏公式增加修正系數進行計算。

2.2 凍結管材選擇

使用Φ149×4mm低碳鋼無縫鋼為管凍結孔管材；使用Φ118×4mm低碳鋼無縫鋼管為水文孔、測溫孔和保溫管管材。Φ149×4mm共計86487.13m，重量為1633.3噸。Φ118×4mm（水文孔、測溫孔）共計3116.82m，Φ118×4mm（保溫管）共計3364.99m，合計總重量為82.33噸。實際凈用量為鋼管用量，沒有核算損耗用量。外接箍對焊均使用在測溫管、凍結管和水文管。GB8163-1999的標準務必使用在凍結管材和管箍質量中。

預計第一段開機至開挖34天，開挖至冷凍站停機172天。凍結期估算，主要依據招標文件提供的凍結段綜合掘砌指標81m/月，且一次成巷基礎上。具體工期應依據施工情況進行調整。

3 制冷系統施工設計

3.1 制冷設計參數使用

設計鹽水比重為1.26，鹽水溫度在維護凍結期為-22～-23℃，而鹽水溫度在積極凍結期-26℃，制冷系統使用雙級壓縮制冷工藝在凍結站。+24℃為冷卻水進水溫度，-31℃為制冷劑蒸發溫度，+34℃為制冷劑冷凝溫度，經中冷器冷卻后，高壓液氨溫度與中冷器內液氨溫度相差為4℃。凍結工程設置一個冷凍站，位于第一段范圍內，凍結站使用雙級壓縮制冷方式。冷凍站低壓側使用JZ3KA31.4型水冷螺桿冷凍機6臺、8AS-17活塞機1臺；高壓側使用JZ3KA24型水冷螺桿冷凍機3臺、8AS-12.4活塞機2臺。冷凍站裝機標準制冷量為1686萬kcal/h。

3.2 氨管路直徑選擇及液氨、冷凍機油用量計算

使用無縫鋼管Φ324×11mm為低壓排氣總管；使用Φ377×11mm無縫鋼管為汽化器出氣總管與低壓吸氣總管，使用Φ273×8mm無縫鋼管為高壓吸氣總管，使用Φ219×8m無縫鋼管為高壓排氣總管；冷凝器進氣、出液總管均使用Φ149×6mm無縫鋼管；高壓排氣總管與冷凝器進氣總管之間使用Φ133×4mm無縫鋼管連接；中冷器中央總管使用Φ324×11mm（Φ219×8mm）無縫鋼管；低壓吸氣與高壓吸氣總管之間使用3根Φ219×8m無縫鋼管相連接；低壓調節站液氨總管使用Φ118×4mm無縫鋼管；中冷器調節站總管使用Φ118×4mm無縫鋼管。低壓機吸氣支管、高壓機吸氣支管均安裝補償器，備用機組不安裝補償器。各型號壓縮機吸、排氣支管直徑按隨機閥門口徑配取。

依據冷凍站設計裝機及輔助設備、管路使用，首次充氨34噸；單級壓縮調整為雙級壓縮時，補充氨量14噸；運轉期間，補充氨量17噸。共計需用量67噸，氨濃度≥99.8%。冷凍機油使用N-36，首次加油量11噸，運轉過程中補充量18噸，總需用量29噸。

3.3 其它系統設計

為節約新鮮水用量，凍結站使用高效蒸發式冷凝器，1241m3/h為凍結站總循環水量，61m3/h為新鮮冷卻水用量。冷凍站附近建一座貯水量均不小311m3的貯水池，使用13sh-28型清水泵2臺，1臺運轉，1臺備用。該泵揚程16.2m時，單泵流量為1261m3/h，電機功率74kw。為達到一定冷卻效果，該站配備DBNL3-311型玻璃鋼冷卻塔4臺。

本工程施工期間KYBS-11型移動開閉所在凍結站附近安裝，內置HXG（F）高壓開關柜11臺，KYBS-11-Q型移動開閉所兩臺即為高壓電機啟動設備；ZXB-2*631/11-6/1.3型移動變電站一臺（每臺變壓器容量為631KVA）；自建設單位6KV變電所敷設兩路YJV-3×184/6KV電纜做為主電源進線（兩路并聯運行）。7182KVA為工程總裝機容量，6727KVA為運行容量，同時運行最大負荷為6269.8KW。

參考文獻：

[1]王繼生.數字礦山建設實踐探索[J].工礦自動化，2113（13）.

[2]潘濤.數字礦山信息標準化基本方法探討[J].工礦自動化，2113（12）.

[3]謝洪斌.重慶市頁巖氣資源信息檢索平臺建設[J].工礦自動化，2113（13）.

[4]劉磊.遠距離注漿管路超壓保護系統設計[J].工礦自動化，2113（13）.

[5]張燕，張懂慶.CO2-ECBM地質空間數據庫建設方法研究[J].工礦自動化，2113（11）.

[6]常欣.從美國\"棱鏡門\"事件看我國的網絡安全威脅及對策[J]. 品牌（下半月），2113（18）.

[7]賀耀宜.數字化礦山建設中存在問題分析及對策[J].工礦自動化，2113（11）.