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巴彥高勒礦井凍結施工設計

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  巴彥高勒井田位于呼吉爾特勘查區的南部,向西南距烏審旗政府所在地達布察克鎮約12km,行政區劃屬鄂爾多斯市烏審旗呼吉爾特鄉和圖克鎮管轄。巴彥高勒礦井的設計生產能力為4.00--10.00Mt/a。工程地質特點為主立井表土厚109.17m;巖層均為軟巖,強度低,不穩定~弱穩定;巖層在無水條件下自穩性較好、強度較高,但遇水易軟化甚至溶解、強度亦會大幅度降低;水文地質特點為含水層的富水性弱。由于沒有較好的隔水層,所以與上、下部含水層均有一定的水力聯系。

  一、設計原則、思路與凍結深度

  設計原則要求方案安全可靠、工期科學合理,能確保本工程達到煤礦井巷工程優良質量標準。針對本工程的特殊性,做到技術可靠,經濟合理,可控性好、可操作性強、關鍵點清晰、預防及應急措施齊全可靠。

  凍結壁厚度及強度的大小,直接影響井筒掘砌的安全,同時也是其他凍結參數設計的基礎。結合本工程的特點,凍結壁的設計采用解析計算與工程施工類比相結合的方法綜合確定。凍結孔布置設計 以滿足凍結壁設計的溫度場要求和力學模型要求為原則,并結合工期、工藝要求及該地區立井(尤其是姆杜柴登礦井)凍結施工經驗和教訓布置凍結孔。

  凍結深度設計井筒全深凍結,凍深596m。

  二、凍結壁設計

  1、凍結壁厚度設計

  主立井井筒設計凈直徑Ф8.2m,最大掘進荒直徑12.8m;積極凍結期鹽水溫度: ty=-28~-30℃;設計控制層凍結壁平均溫度:-8℃。

  2、凍結壁厚度設計計算公式的選擇

  不同的設計理念會選擇不同的計算公式,而不同的計算公式所計算出的結果相差較大。合理的計算公式決定凍結壁厚度是否是安全和經濟的有機統一。確定選用維亞洛夫——扎列茨基公式(有限長極限強度理論公式)計算凍結壁厚度。

  3、凍結壁設計控制層位的選擇

  該井凍結應主要以封水為主,故以最底部含水層位置為控制層為,即主立井以582.1m粗粒砂巖作為凍結壁設計控制層。

  4、凍結壁圍壓P的確定

  根據巖土力學理論及國外凍結設計經驗,凍結壁圍壓應由水和懸浮土壓兩部分組成。巖層的平均天然容重<2.5g/cm3,取其平均濕容重2.6 g/cm3。主立井控制層底板深582.1m左右。

  根據經驗,摩擦系數f取值為:礫巖、粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖采用0.4,粉砂巖、泥巖采用0.3。計算結果主立井:P=1.0×5.821+(1.45×5.821)×0.4=9.20Mpa

  5、掘砌段高h的確定

  較大一些段高有利于提高掘進速度,但亦非越大越好。對本工程而言,掘進段高在3.5m~3.8m較為合適,因此這里選取h=3.5m進行凍結壁厚度的計算。

  6、凍結壁平均強度的選取

  地層被凍結-8℃條件下其強度一般大于其天然強度,與飽和抗壓強度相比,這里取其凍結-8℃時強度提高系數為1.6。

  凍結控制層位為細粒砂巖,其飽和單軸抗壓強度4.95~24.35Mpa,平均15.28Mpa,取其最小值4.95Mpa,則-8℃時其抗壓強度為4.95×1.6=7.92MPa。安全系數取1.4,7.92÷1.4=5.7MPa

  7、固約系數的確定

  當一端固定、另一端不固定時ξ=0;兩端都固定時ξ=0.5。這里選取ξ=0.3。

  根據計算結果,綜合考慮井筒開挖荒徑的大小,開挖前凍結時間要求及開挖速度要求,并結合我公司多年來的施工經驗,確定凍結壁厚度E主=4.5m。

  三、凍結孔設計

  1、凍結孔布置圈直徑

  影響凍結孔布置圈直徑設計的幾個因素:井筒掘進至設計控制層位時,該水平凍結壁外側有效厚度不小于2.5m;鉆孔偏斜同時采用靶域和內偏值控制,鉆孔靶域半徑≤1.2m;內偏值≤0.7m;大段高鉆爆法施工時,應有足夠的放炮安全距離。綜合以上因素確定:D主 =17.6m。

  2、凍結孔布置

  主立井開孔間距取1.49m,開孔個數37個;深度596m。

  3、防片幫孔布置

  依據姆杜柴登礦井主、副、風三井凍結施工經驗,為了保證井筒順利提前開挖,特布置上部防片幫孔。

  4、鉆孔質量控制

  凍結鉆孔偏斜:防片幫孔,內外偏值≤0.3m;主排孔,鉆孔靶域半徑≤1.2m,內偏值≤0.7m;0~200m最大相鄰孔間距≤2.2m,200~400m最大相鄰孔間距≤3.2m,400~596m最大相鄰孔間距≤3.5m。

  四、凍結時間估算

  凍結壁交圈冒水時間估算及開挖前凍結時間的確定。設計水文孔報導范圍的最大相臨孔間距2.2m,含水層凍結發展速度25mm/d。則水文孔冒水時間為:t0=2.2÷(0.025×2)=44d。

  根據冒水前凍結時間、相關規范的要求,確定井筒開挖前凍結時間為:T1 =50d;井筒開挖后凍結時間T2=187d。

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