第二篇冻结设计.docx

第二篇 冻结施工组织设计
1 井筒概况
梁宝寺二号井是肥城矿业集团有限责任公司在梁宝寺矿区规划筹建的第二对矿井。矿井位于山东省嘉祥县境内，年设计生产能力1.5Mt，采用立井开拓方式，布设主井、副井、风井三个井筒，主井井筒设计净直径5.0m，全深1100.5m；副井井筒设计净直径6.5m，全深1130.5m；风井井筒设计净直径5.5m，全深1028.5m。三井均采用冻结法施工，井筒主要特征如下：
表2-1-1 井筒主要技术特征表
序号
项目
单位
主井
副井
风井
备注
1
井口标高
m
+40.5
+40.5
+40.5

2
井筒深度
m
1100.5
1130.5
1028.5

3
井筒净直径
m
φ5.0
φ6.5
φ5.5

4
井筒净断面积
m2
19.63
33.17
23.75

5
井壁
厚度
表土段
m
1.1～1.9
1.2～2.1
1.1～2.0

基岩段
m
0.4
0.5
0.45
砼
6
最大掘砌荒径
m
8.856
10.7
9.5

7
表土厚度
m
448.94
464.4
453.85

第四系表土厚度
m
149.65
148.90
148.90

第三系表土厚度
m
299.66
315.50
315.50

8
冻结深度
m
510
536
526
自然地坪算起

2 井筒地质及水文情况
2.1 地质概况
2.1.1 地层概况
根据梁宝寺矿井检2孔资料，井筒自上而下穿过的地层有：第四系、上第三系、二叠系上石盒子组地层。现分别叙述如下：
（1）第四系（Q）
厚148.90m，为一套河湖相沉积，不整合于上第三系之上，主要由中～巨厚层粘土夹少量砂质粘土，粘土质砂及砂层组成。粘土呈土黄、锈黄、灰绿、浅红等色，粘性、膨胀性均较强，刀切面光滑，局部含砂及姜结石。砂质粘土呈土黄、锈黄、灰绿等色，含细、粉砂不均一，粘性较差。粘土质砂呈灰绿、锈黄、肉红色，以中、细砂为主，含粘土不均一，较松散，局部含小砾石。砂层上部呈土黄、锈黄色，下部呈灰绿、肉红色，细～粗粒，纯净、松散，成分以石英为主，长石次之，上部分选性较好，下部分选性较差。本段地层粘土、砂质粘土总厚119.85m，占该段地层的80.5％。
（2）上第三系（N）
厚315.50m，为一套河湖相沉积，不整合于下伏基岩之上，主要由中～巨厚层粘土夹少量砂质粘土，粘土质砂及砂层组成。根据地址情况及其组合，可将上第三系分为上、中、下三段。
① 上段：厚115.80m，主要由中～巨厚层粘土夹少量薄层砂质粘土、粘土质砂及砂层组成。粘土以灰绿色为主，含土黄、锈黄、浅红等色，粘性、膨胀性较强，刀切面光滑，具滑面，局部半固结，含砂、姜结石及钙质团块。砂质粘土呈浅红、锈黄、肉红色，以粉砂为主，含粘土不均一，较松散，局部含小砾石。砂层呈灰绿、锈黄、肉红色，细～粗粒，纯净、松散，成分以石英为主，长石次之。本段地层粘土、砂质粘土总厚74.75m，占该段地层的64.6％。
② 中段：厚146.30m，由两层巨厚层粘土夹一层厚0.80m的粘土砂质组成，其中上层厚108.80m，下层厚36.70m。粘土以灰绿色为主，含锈黄、鲜红色，细腻，粘性、膨胀性均较强，刀切面光滑，内生滑面发育，局部含钙质及砂姜。
③ 下段：厚53.40m，由薄～中层粘土、砂质粘土、粘土质砂及砂层组合而成。粘土、砂质粘土以灰绿色为主，含锈黄、浅红色，细腻，粘性较差，刀切易碎，局部半固结。粘土质砂、砂以灰绿色为主，含锈黄、浅红色，细～粗粒，纯净、松散，成分主要为石英，次为长石。细砂分选性较好；粗砂分选性较差，局部含石英小砾石。本段地层粘土、砂质粘土总厚24.50m，占该段地层的45.9％。
（3）二叠系（P）
到目前为止，揭露二叠系地层225.30m，主要为厚～巨厚层泥岩夹中～厚层砂层、粉砂岩及泥质粉砂岩组成。泥岩呈浅灰、紫红、绿灰、锈黄等色，块状构造，以粘土矿物为主，细致，硬度低，内生滑面发育，遇水易崩解，局部含少量砂质。砂岩灰～灰白色，细～粗粒结构，长石石英砂岩，硅质胶结，硬度较高，成分以石英为主，长石、云母次之，局部显平行及交错层理，近垂直裂隙发育。粉砂岩、泥质粉砂岩浅灰～深灰、绿灰色，局部紫红色，致密，较坚硬，裂隙不发育，岩芯较完整。
（4） 风氧化带
顶部为风化带，厚26.50m，其中强风化带厚19.80m，弱风化带厚6.70m。
强风化带由2.00m的细砂岩和17.80m的泥岩组成。细砂岩呈土黄色、分选性较好，细粒结构，具波状层理，成分以石英为主，长石次之，风化强烈，强度低，长石已风化呈粘土矿物，裂隙发育，岩芯破碎。泥岩浅灰、灰、锈黄、紫红等色，块状结构，局部含少量粉砂质，松软，风化强烈，强度极低，裂隙较发育，岩芯破碎。
弱风化带由1.50m泥岩和5.20m的细岩组成。泥岩含砂质，强度较低，风化较上部减弱，岩芯较完整。细砂岩浅灰色，长石石英砂岩，你硅质胶结，近垂直裂隙发育，裂隙面上具方解石薄膜，长石已风化为高岭土，岩石强度无明显降低。
2.1.2 主要地质构造
梁宝寺井田位于巨野向斜东部，东界为F1断层，西界为F13断层，由此构成本区的地堑构造。区内地层呈南浅北深的趋势，因受区域断层的控制，形成以梁宝寺向斜为骨干向北倾伏收敛的“裙边状”褶曲构造，并伴生北东向及北西向断层组，构造复杂程度中等。
（1）地层产状及主要褶曲
全区呈宽缓褶曲构造，次一级褶曲发育，翼部倾角较缓，为5-10°，受F1、F13断层的影响，本区东、西地段局部地层倾角较大，为20°±，纵观全区，地层呈南部缓、北部陡的趋势。区内褶曲以贯穿全区的梁宝寺向斜为骨架构造，从东向西依次为王庄向斜、南宋庄背斜、梁宝寺向斜、黄河李背斜、申庄向斜、贺庄背斜、程庄向斜、武寨背斜、杜垓向斜、李庄背斜。
（2）断层
断层分为东西向、北东向、北西向及南北向四组，其中北西向断层最多，北东向断层次之，东西向断层和南北向断层较少。除F26为逆断层外，其余均为正断层。经地震和钻探发现、证实落差大于30m的断层共47条，其中东西向断层4条，南北向断层5条，北东向断层15条，北西向断层23条；按照落差划分，落差≥l00m的断层10条，落差≥50m~<100m的断层23条，落差≥30m~<50m的断层14条。
（3）岩浆岩
井田内有一中性岩浆岩侵入体，侵入太原组地层之中，对16、17煤层及煤质有不同程度的影响。全区共有78个钻孔，其中见岩浆岩25个钻孔，占32％，主要分布于井田的中部及东部。从钻孔所获资料看其侵入层位、深度、侵入体的层数、厚度均有较大变化。
根据岩浆岩侵入情况分析，岩浆是在煤系沉积之后的构造运动中，沿构造裂隙带上升，遇到煤层及其它软弱岩层时顺层侵入；从侵入体的厚度看岩浆可能从本区东部侵入。
据山东地矿局中心实验室对L-1，L-4号孔岩浆岩标本的镜下鉴定为闪长粉岩，斑状构造，基质为显微粒状结构，岩石的组成矿物有斜长石、普通角闪石、石英、磁铁矿、磷灰石、铅石等。本区岩浆岩侵入层位在三灰到十二灰之间，并以顺16煤层侵入为主，因而对16、17煤层的影响较大，使煤层部分被吞蚀或变成天然焦。因山西组3煤层距岩浆岩间距较大，煤层厚度未受影响，仅在本区中西部煤层变质程度略有些高。
2.1.3水文地质
（1）井田水文地质条件
梁宝寺井田位于巨野煤田东北部范围属黄河冲积平原，煤系地层被新生界、古生界二叠系上、下石盒子组地层深层覆盖，为全隐蔽井田。本井田地处东西两侧边界大断层所处的地堑块段，边界断层F1、F13落差均大于700m，区外下盘奥灰抬起，使得区内煤系地层中含水层与区外奥灰对接，形成东、西部补给边界；北部以F24断层为界，落差l000m，区内地层下降、区外上升，煤层赋存深度大于1500m，煤系含水层接受补给条件差；南部以奥灰隐伏露头为界，形成南部补给边界。
（2）断层导水性
井田内断层极为发育，东、西、北三个边界均为落差大于700m的大断层组成，经过多次勘探和物探证实，井田内共有断层300多条，其中落差大于30m的断层有47条，从已掌握的资料来看，除东部、西部、北部三个大断层接受区外含水层补给外，绝大部分断层均不导水。
井田内共有78个钻孔，其中多个钻孔穿过断层带，经观察穿过断层的钻孔1号井检3号断层带抽水时，单位涌水量q仅为0.0031L/s.m，断层带含水性弱。断层带的岩层较破碎，含泥质且大多被破碎的原岩物质所充填，钻孔穿过时均未发现冲洗液漏失或明显消耗现象，这些都说明该断层带本身的含水性较弱，导水性较差。
（3）井田水文地质类型及其复杂程度
本区上组煤的直接充水含水层为3煤层顶、底板砂岩和太原组三灰。3砂裂隙含水层的单位涌水量为0.0011（2号井副检孔）～0.0252（L4-5）L/s.m，富水性弱～中等。主要接受露头区第四系补给，补给条件有限。三灰岩溶裂隙含水层的单位涌水量0.0008（2号井副检孔）L/s.m～ 0.1338（L4-12孔）L/s.m，富水性弱～中等，主要接受露头区第四系补给，补给条件有限，上述二含水层的含水性及补给条件均一般，故本区上组煤的水文地质类型为裂隙、岩溶类简单～中等类型。下组煤的直接充水含水层为太原组十下灰和奥灰。十下灰的单位涌水量0.0378 （L4-9孔）L/s.m，主要接受露头区第四系补给，补给条件有限，富水性较弱，奥灰含水层富水性不均一，深部奥灰岩溶不发育，富水性弱，但奥灰含水层在浅部及露头和构造发育地段富水性强。单位涌水量为0.0028（L06-5孔）～1.7084（L4-11孔）L/s.m，富水性较弱～强。奥灰具有富水性不均一的特点，局部补给较充沛，富水性强，采下组煤时有底鼓水的威胁，故下组煤的水文地质类型为岩溶裂隙类中等至复杂型。
（4）矿井充水因素分析
一般来讲，决定矿床充水条件好坏的根本原因取决于充水水源的规模和充水途径的导水性能。本区开采上组煤时的主要水源为3煤顶底板砂岩裂隙水和太原组三灰水，它们接受补给的能力均较差；开采下组煤的主要充水水源为太原组十下灰水和奥灰水，其中尤以奥灰对下组煤的开采威胁最大。矿井主要的充水途径为断裂带、接触带、采空区上方冒落裂隙带及底板被破坏导致的裂隙带等。
断裂带、接触带是地下水进入矿井的重要途径之一，它们在矿井充水中具有特殊的重要意义。据有关统计资料表明，矿井突水事故大多与它们有关，因为构造断裂与接触带地段，岩层破碎、裂隙、岩溶相对其它地段发育，导致岩层透水性增强，常常成为地下水的汇集带和强迳流带，含水丰富。因此在生产过程中接近或触及这些地段时，矿井涌水量往往会突然增大，有时甚至造成突水淹井事故。生产实践资料证明，在断层密集地段、断层交叉处或断层尖灭处，往往岩层支离破碎，大大降低了隔水层的抗张强度，因此极易发生突然涌水。本井田构造较复杂，小断层、小褶曲发育，它们将是影响未来矿井涌水的重要因素。
采空区上方冒落裂隙带是地下水进入矿井的又一重要途径。采空区上方岩层因其下部采空失去平衡，引起岩层破坏和断裂，使得原有的裂隙扩张、延伸，若向上触及含水层时，亦会造成矿井涌水量的增大。
底板突破导致地下水涌入矿井，在本区亦存在这种途径。开采下组煤时，奥灰水由于强大的水压力向上冲破煤层至奥灰顶界面之间的压盖隔水层而涌入矿井。奥灰水能否底鼓受多种因素制约：奥灰岩溶发育程度和奥灰水压力的大小、奥灰压盖隔水层的厚度、岩性组合关系、抗张强度、地质构造及采煤方法等。本区煤系基底含水层奥灰在井田南部埋藏较浅，岩溶裂隙发育，富水性强，水量大，水压高，对下组煤的开采威胁极大。下组煤层至奥灰的间距偏小，又因奥灰含水丰富，水压亦大，致使开采下组煤的难度增大，生产过程中应采取有效的防治措施，加强防范，以策安全。
(6) 矿井涌水量和排水量
本矿井主采3煤层，生产过程中的主要充水含水层为3煤顶、底板砂岩和太原组三灰。根据地质报告，一水平3煤层顶底板砂岩和三灰的正常涌水量为346.0m3/h和129.0 m3/h，3煤层顶底板砂岩和三灰的最大涌水量为600.0m3/h和180.0m3/h；二水平3煤层顶底板砂岩和三灰的正常涌水量为262.0m3/h和39.0m3/h，3煤层顶底板砂岩和三灰的最大涌水量为500.0m3/h和150.0m3/h；考虑到井筒淋水、防火灌浆回水、消防洒水等因素的影响，设计确定一水平矿井正常排水量为516.0m3/h，考虑三灰及3煤顶、底板砂岩涌水量的不均匀性，为安全起见，矿井最大排水量取820.0m3/h。设计确定二水平矿井正常排水量为340.0m3/h，考虑三灰及3煤顶、底板砂岩涌水量的不均匀性，为安全起见，矿井最大排水量取690.0m3/h。
由于本矿井为两个水平开拓，梁宝寺一水平后期为下山开采，为节约排水费用，中后期梁宝寺一水平的矿井涌水全部由梁宝寺二水平排至地面，此时，二水平正常排水量为856.0 m3/h，矿井最大排水量为1510.0 m3/h。
3 冻结设计
3.1 设计原则
（1） 根据业主提出的要求进行设计，确保各项设计、施工参数达到或超过业主要求。
（2） 确保本工程冻结质量满足井筒安全掘砌施工的要求，井筒掘砌中不发生因冻结壁原因引起的人员和工程质量事故。
（3） 根据国内外及本公司深厚表土冻结井（尤其是龙固、赵搂、梁宝寺一号井）施工经验，以满足冻结壁强度，防止冻结壁变形及冻结管断裂为目的选择合理的施工方案及施工工艺。
（4） 采用新工艺、新技术及新型、高效、大能力的制冷设备，保证施工的顺利进行。
（5） 以施工安全为前提，减少工程量、提高工程效率、降低工程造价，达到安全、快速、高效的施工目的。
3.2 冻结方式确定
立井井筒冻结施工方案有一次全深冻结、差异冻结、局部冻结、分期冻结和双排孔冻结五种。
（1）一次冻结全深
①定义：指设计的所有冻结孔深度与井筒需要的冻结深度一致，且全深一次冻结形成冻结壁的一种冻结方式。
②使用条件：适用于各类地层；不宜采用其他冻结方案的地层；冻结设备能满足积极冻结期的最大需冷量的要求。
③特点：从地面到需要冻结的深度一次冻结；全部冻结管都穿过不稳定含水层，一般插入不透水基岩10m以上；供液管下至冻结管的底锥隔板上；来自冻结站的低温盐水经泵压入干管经回液管输入冻结管底部，并沿环形空间上升，经回液管到集液圈、干管返回盐水箱内，如此反复循环与地层进行热交换，以达到冻结的目的。
④优缺点：对地质和水文地质条件复杂的含水砂层、淤泥层、破碎带以及基岩含水层等的适应性强，施工安全可靠，为立井最常用的冻结方案；整个冻结管内盐水一次循环，克服温差过大引起断管现象；可利用盐水正反循环达到初期加强上部冻结和后期加强下部冻结；冻结器结构和供液管安装较其他冻结方案简单；打钻工程量较差异冻结方案多，管材消耗，冻结站制冷能力，冻土挖掘量均比其他方案多。
（2）差异冻结方案（长短管冻结方案）
①定义：根据冻结地层不同深度对冻结壁的不同要求而选择的一种冻结方式。
②适用条件：上部为含水丰富的冲击层，下部为风化带及其附近基岩，含水量大，需要冻结，但地压、水压不大；冲击层以下的基岩厚度占井筒总深度的比例小，且与冲积层有水力联系，涌水量大于；由于基岩冻结扩展速度比粘土层、砂层快，为此在强风化带以下部分的基岩均可采用长短管冻结。
③特点：冻结管采用长短管间隔布置，下部长管间隔较上部冻结管的孔间距大一倍，为使上、下段冻结壁的交圈时间和厚度相适应，可适当加大长管的供液管直径，采用正循环，而短管采用反循环；上部采用长短管共同冻结，尽快形成冻结壁，给井筒提前开挖创造条件，下部由于冻结管间距大，冻结壁较薄，减少了井筒下部的冻土开掘量；必须控制长管孔底间距，保证开挖到短管底前长管部分冻结壁强度以满足施工要求。
④优缺点：冲积层以下为较厚的风化破碎岩层时，采用长短管差异冻结既能有效地解决风化破碎岩层的施工困难，又能减少风化破碎岩层的打钻工作量和冷量消耗，少掘冻土，施工速度快，从而降低了成本；采用长短管差异冻结能够封住下部冲积层的水，但由于下部地压较大，冻结强度较低，塑性变形大，容易引起冻结管断裂，掘砌段高应适当缩小。
（3）局部冻结
①定义：井筒穿过的地层，仅局部区域存在不稳定土层或井筒井壁局部可能破坏导致漏水涌砂而淹井时，针对上述部位采用的冻结方案。
②适用条件：上部含水少，岩层稳定，而下部含水量大，需要冻结的地层，或中间有较厚的隔水层。
③特点：为了达到局部冻结的目的，一般要在冻结管内下两根或两根以上的供液管；为了减少局部冻结的冷量损失，可在局部冻结的上水平加隔板，或在局部冻结的上水平以上的冻结器环形空间充填压缩空气。
④优缺点：用局部冻结法处理井筒下部透水涌砂事故是经济可靠的方法，它不仅节省冷量损失，减少冻结设备，降低冻结费用，加快施工速度，且可减少冻结对已砌井壁的影响；冻结器内安装隔板，可减少在未冻结部分冷量损失。
（4）分期冻结方案
①定义：将整个井筒自上而下分段，分期冻结形成冻结壁，并使井筒的凿砌工作不间断地进行。
②适用条件：冲积层较厚，中部有较好的粘土隔水层，可作为分期冻结的止水垫时方能使用；冻结基岩段占冻结总深度的比例较大，且在适宜的深度有一定厚度的隔水层可作分期冻结止水垫。
③特点：分期冻结是将一个井筒所需冻结深度，分为两段或两段以上进行顺序冻结，当下段冻结一定时间并转入井筒掘砌后，再开始下段冻结。
④优缺点：冻结需冷量小，设备少，冻结费用底；合理使用冷量，加快了井筒上部的冻结；上段井筒的掘砌与下段冻结平行，为下段井筒少挖冻土提供了条件，可提高掘进速度；要估计和安排处理好上段掘砌速度都和下段开冻时间的关系，否则会造成下段冻结壁的厚度和强度减少，以及分期冻结分界面的盐水温差较大，容易引起冻结管断裂。
（5）双排孔冻结方案
①适用条件：适用于深部地压大，具有膨胀性，冻土流变性的厚粘土层及地温高的地层；地下水流速大；含有盐分的地层。
②特点：当双排冻结孔与单排冻结孔形成的冻结壁的有效厚度相同情况下，双排冻结孔平均温度比单排冻结孔降低15%—30%，平均扩展速度提高1.3—1.7倍，为此，形成冻结壁设计厚度的时间短，加快了冻结速度。
③优缺点：解决了冲积层厚度超过400m时，冻结壁的计算强度达8m以上时的技术问题；比单排冻结孔冻结时间短，形成冻结壁强度高；由于冻结壁强度高，蠕变变形小，能防止冻结管断裂，确保掘砌安全；打钻工程量大，制冷量大，安装量大，冻结费用高。
根据梁宝寺二号井实际地质情况及业主对工期质量的实际要求，并参照以上五种冻结方案的适用条件、特点和优缺点，确定副井采用三圈加防片孔冻结方案。
3.3 冻结深度的确定
冻结深度确定的一般原则：
（1）当冲积层底部基岩风化严重，且两者有水力联系时，冻结深度穿过基岩风化带，深入不透水基岩10m以上。
（2）当冲积层底部基岩下部30m左右仍含有含水层时，冻结深度应穿过含水基岩到不透水基岩。
（3）当冲积层底部为第三纪，并有水力联系，胶结性差，且含水量大时，冻结管应穿过第三纪到不透水的基岩。
（4）当冲积层较厚占井筒总深度的75%以上，且基岩段又有多层涌水量较大的含水层时，冻结管应全深冻结，冻结深度应达到不透水的基岩。
本井筒的冻结深度为536m。根据业主提供的资料，表土段厚度为464.4m，其中第四系表土厚度为148.90m，第三系表土厚度为315.50m。
3.4 冻结壁设计
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，因为砂层冻结壁具有脆性断裂的特性，因此期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，因为对于粘土层冻结壁厚度及强度必须满足变形条件，防止出现过大变形而导致冻结管断裂，盐水漏失融化冻结壁，危及井筒安全。
3.4.1 地压力计算
冻结壁设计控制层位为464m。
设计采用经验地压计算公式，
P=γH=0.013×464=6.032MPa
式中：γ───水土混合液比重，设计取0.013
H───控制层深度464m；
计算结果； P=6.032MPa
3.4.2冻结壁厚度计算
冻结壁厚度计算采用多姆克第三强度理论公式：
E=Ra[0.29（P/б）+2.3（P/б）2]
=4.5×[2.9×(6.032/6.9)+2.3×(6.032/6.9) 2]
=9.04(m)
式中：E───冻结壁厚度
Ra───冻结壁内半径（采用掘砌荒径）
P───控制层位地压值（采用水土悬浮公式）
б───冻土长时强度（冻土允许强度）
根据计算结果并结合国内外已施工或正在施工的深冻结井冻结壁设计厚度，确定梁宝寺副井控制层冻结壁设计厚度：9.04m（掘砌暴露段高2.0m，空帮时间20小时）。
3.4.3 冻结壁平均温度校核
根据冻土抗压试验结果,副井控制层冻结壁平均温度取-17℃。
利用国内目前普遍采用的单排孔冻结平均温度计算公式——成冰公式，加修正值。采用成冰公式：

式中：───冻结壁平均温度 ℃
───盐水温度 ℃
L ───冻结孔间距 m
E ───冻结壁厚度 m
───井帮温度 ℃
经校核结果可知，冻结壁厚度和强度均满足要求。
3.5 冻结孔布置
3.5.1 冻结孔深度
（1）外圈孔深度
外圈孔均采用全深冻结，冻结深度485m。冻结深度穿过表土层进入风化带并穿过强风化带，目的是保证强风化带以上冻结壁厚度和强度。
（2）中圈孔深度
中圈孔均采用全深冻结，副井冻结深度536m，保证冻结基岩段封水，提高冻结壁强度。
（3）内圈孔深度
内圈孔采用全深冻结，副井冻结深度490m。穿过风化带，保证冻结壁早交圈，按时开挖，加快下部冻土向内发展速度，降低巨厚粘土层井帮温度、提高冻结壁强度。
（4）防片孔深度
由于上部井壁均较薄，且内圈孔上部离荒径均较远，0～186米井壁厚度为1.20米，186m～280m井壁厚度为1.5m，内圈孔上部离荒径2.25～2.55米。考虑到上部冻土发展速度较慢，而要求开挖时间又短，开挖时易出现塌帮，影响井壁质量和施工安全。因此结合井壁结构与掘砌速度，设防片孔，深度282米。
3.5.2 冻结孔偏斜要求
深厚表土层冻结井施工中，冻结孔施工质量的好坏直接影响冻结工程的成败，因此为保证冻结壁均匀稳定和冻结工期，结合规范要求，提出冻结孔在300m以上钻孔偏斜率≤2.5‰；300m以下按靶域施工,靶域半径0.7m,防片孔向内偏斜≤300mm，其它冻结孔向内偏斜≤500mm。最大孔间距表土段：外圈孔、内圈孔≤2.6m，中圈孔、防片孔按偏斜及靶域要求；基岩段≤4.5m。
3.5.3 冻结圈径
（1）外圈孔布置圈径
采用下列公式：

式中：───冻结孔布置圈直径 m
───井筒掘进荒径 m
E ───冻结壁厚度 m
γ───冻结孔设计偏斜率 0.3-0.35%
H ───冲积层最大埋深 m
结合冻土向外发展速度、掘砌工期及要求的冻结壁厚度和以往深井冻结施工经验，确定外圈孔冻结孔圈径为：=23m
（2）中圈孔布置圈径

结合冻土发展速度、掘进速度、外圈孔布置情况，确定中圈冻结孔圈径为： =17.5m。
（3）内圈孔圈径

计算得内圈孔圈径： =14m。
（4）防片孔圈径
根据开挖时间和上部孔到荒径距离及预测冻土发展速度，确定防片孔圈径为11.5m。
3.5.4 冻结孔数
由于深冻结井冻结时间长，从减少钻孔工程量、冻结装机容量、缩短工期、降低工程造价以及减少冻结壁内部冻胀水等几方面考虑，在保证安全的前提下外圈孔及中圈孔适当加大冻结孔开孔间距，保证冻结壁的均匀与稳定。
冻结孔数计算采用下列公式：

式中：————冻结孔布置圈直径，m
————主冻结孔预选开孔间距，m
经计算得出：
外圈孔N外=44个；中圈孔N中=29个；内圈孔N内=29个；防片孔N防片=12个。
3.5.5 开孔间距
开孔间距计算采用下列公式：

式中：————主冻结空选定数量，个
经计算得出：
外圈孔L外=1.64m、中圈孔L中=1.89m、内圈孔L辅=1.48m、防片孔 L防片=3.0m。
3.6 冻结管、供液管
3.6.1 冻结管设计
外圈≤260m采用φ140×6 20#(GB8163—1999)优质低碳钢无缝管，内管箍连接， ≥260m采用φ159×7 20#(GB8163—1999)优质低碳钢无缝管，内管箍连接；中圈≤250mφ140×6; ≥250mφ159×7；内圈≤240mφ140×6; ≥240mφ159×7；防片孔φ140×6 mm 20#(GB8163—1999)优质低碳钢无缝管，内管箍连接。
3.6.2 供液管
供液管规格：全部采用φ75×6mm聚乙稀塑料软管。
3.7 观测孔布置
3.7.1 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，设计4个测温孔，其中2个外测孔，深度为485m/1个、536m/1个；2个内测孔，深度485m/1个、485m/1个。
测温孔均采用φ108×5mm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。
3.7.2 水文孔布置
设计三个水文孔：深度分别为460m、 265m、149m。水文管规格均采用φ140×6无缝钢管，外管箍连接。
3.8 冻结壁形成预测
水文孔冒水后证实主要含水层冻结壁已交圈，根据测温资料分析，井筒掘砌至各水平时，冻结壁能够达到设计需用的强度和厚度。冻结中不仅考虑砂层交圈，还应考虑粘土层的冻土发展状况，以合理确定试开挖时间，在试开挖后，经过检测来确定是否进行正式开挖，以保证冻结壁的强度和厚度。
4 冻结制冷系统设计
4.1 氨系统设计
4.1.1 基础数据
（1） 设计层位的盐水温度 -30℃。
（2） 冷却损失系数 1.15。
（3） 冷却水的温度为 20℃。
4.1.2 冻结管散热能力计算
冻结管散热能力的计算采用下列公式计算

=3.14×250×4.187(260×0.14×44+225×0.159×44+250×0.14×29+286×0.159×29+240×0.14×29+250×0.159×29+282×0.14×12)
=26657×kJ/h
式中：————冻结管总散热能力，kJ/h
————冻结管外直径，m
————冻结深度，m
————冻结孔数，个
————冻结管散热系数或单位热流量，kJ/( ·h )取为1046
冻结站最大需冷量为

=1.15×26657×
=30656×KJ/h
4.1.3串联双级压缩制冷计算
（1）中间压力的计算
1）根据蒸发温度和冷凝温度查《氨的热力性质表》得蒸发压力为0.09504Mpa，冷凝压力为1.2618Mpa，修正系数取0.95。按公式求得理想的中间压力为=1.0 =0.32898 MPa。查《氨的热力性质表》得出理想的中间温度为=-7℃时，相应的中间压力为0.33452 MPa.。假设另一中间温度为1℃，（比理想中间温度高8℃）其相应的压力为=0.45452Mpa。
2）绘制理想和假设的串联双级压缩制冷热力循环图2-4-1，求得各状态下氨的热力参数。热力参数计算结果见表2-4-1。
表2-4-1 理想的和假想的热力参数

各状态点参数

单位

理想条件
假设条件
=0.33452 MPa
=-7℃
=0.45452 MPa
=1℃

焓

焓

1633
1633
，
1798
1840
，
1672
1681
，
1861
1823

1705
1705

570
570
，
404
442
，
570
570
，
386
423
，
404
442

比容
，

0.3735
1.216

0.2795
1.216

3） 根据经验理论容积比范围，选用14台8AS-25型作低压机，5台8AS-25型作高压机；
低压机的总理论吸气容积=2800´14=39200/h
高压机的总理论吸气容积=2800´5=14000/h
高、低压机的理论容积比为：

式中：—高、低压机的理论容积比
计算得：

4）根据冷冻及试配组，按相应公式计算有关参数，求得理想的和架设的高、低压理论容积比见表2-4-2。
5）绘制高、低压机理想和假设的理论容积比与中间压力的直角坐标图2-4-2，得试配组的高、低压机理论容积比。

图2-4-1 理想和假设的串联双级压缩制冷热力循环图
表 2-4-2 串联双级压缩制冷的理想和假设基本参数
基本参数
计算公式
计算结果
符号意义
低压机
吸气系数
理想

0.79
、理想的和架设的中间压力
理想的和架设的预热系数
冷凝压力
蒸发压力
冷凝温度，30℃
蒸发温度-35℃
C压缩机的余隙系数，取0.03
假设
0.77
氨循环量
理想

25467
假设
24822
高压机
吸气系数
理想

0.80
假设
0.85
氨循环量
理想

32215
假设
31234
理想吸气容积
理想

15040/h

假设
10270/h

高、低压机的容积比

理想

0.384
假设
0.262
6）绘制高、低压机理想的和架设的理论溶剂比与中间压力的直角坐标图（见图2-4-2），得试配组的中间压力为0.36108 MPa。
（2）根据冷冻机实际配组及其工作条件计算制冷量。
1）根据实际含、隔水层配组的中间温度、蒸发温度、冷凝温度及其相应压力为0.3824MP，绘制热力循环图（图2-4-3），求得各状态氨的热力参数，如表2-4-3所示。

图2-4-2 中间压力与容积比关系图

图2-4-3 热力循环图
表2-4-3 氨的各状态的热力参数
状态点

焓 值
(kJ/g)
1633
1809
1674
1851
1705
570
410
570
395
410

2）根据已经确定的冷冻机实际配组情况：低压机9台，高压机3台。来计算和实际中间压力有关的参数。
低压机的吸气系数

低压机的氨循环量

高压机的吸气系数

高压机的氨循环量

高压机的理论吸气容积

3）计算出串联双级压缩制冷的实际制冷量

（3）计算低、高压机的电动机功率
1) 低压机
压缩机的理论功率

--低压机的台数
--蒸发了结时氨的焓；kJ/kg
--从蒸发压力绝热压缩至中间压力时蒸汽焓；kJ/kg
低高机的氨循环量
860—功率的换算系数

压缩机的指示效率

T—绝对温度，273℃
—氨的蒸发温度，℃
—氨的中间温度，℃
b—系数，立式压缩机取0.001
压缩机的指示功率

—压缩机的理论功率KW

压缩机的摩擦功率

—摩擦压力，MPa，立式低压机取0.3
—低压机的活塞理论容积，

压缩机的有效功率

压缩机的轴功率

—低压机的传动效率，直接驱动取1.0
电动机的功率

2） 高压机
压缩机的理论功率

压缩机的指示效率

压缩机的指示功率

压缩机的摩擦功率
—摩擦压力 ，立式高压机取0.5。

压缩机的有效功率

压缩机的轴功率

电动机的功率

（4）附属设备计算
1）冷凝器
冷凝器是将氨在蒸发器和压缩机中吸收的热量传递给冷却水的热交换装置，使经压缩机压缩后的过热氨气凝结成液体。采用立式冷凝器，冷凝器单位面积的热负荷取为
双级压缩热负荷计算：

双级压缩冷却面积计算：

—双级压缩制冷高压机的氨循环量，kg/h
选用LN-250型，14台，总的冷却面积为3388
2）蒸发器
采用立式蒸发器

—冷冻站最大制冷能力，kJ/h
—蒸发器单位面积上的热负荷，取为8364
—蒸发器工作条件系数，一般取1.1（新设备）
选用LZL-240型的蒸发器，18台，总的蒸发面积为4320
3）中间冷却器
安装在低压机和高压机之间，冷却低压机排出的过热蒸汽氨，避免高压机的排气温度过高，以保持高、低压机的之间压力；是液氨在进入蒸发器之前得到过冷，提高低压机的制冷量；分离低压机排气中夹带的润滑油，起油氨分离器的作用。
数量：8个。
筒体直径：

—拟用的中冷器的数量，个
—通过中冷器筒体的蒸汽氨的允许流速，取0.6m/s
选用XQ-100型（直径为1m）的中间冷却器8个。冷却面积为66.4
4）高压储液桶
容积

—双级为高压机氨的循环量，kg/h
—冷凝压力下氨的比容，/kg
选用ZA-2型氨贮液桶11台，总贮液量为921.12
5）氨油分离器
用来除去氨气中夹带的油雾，保证冷凝器和蒸发器的传热效率。

—双级压缩制冷时，为高压机的总吸气容积，/h
—双级压缩制冷时，为高压机的吸气系数
—拟用氨油分离器的数量，个
—油氨分离器内氨气的允许流速，一般取0.8m/s
选用YF-125型（直径为0.6m）氨油分离器14个。
6）氨液分离器
分离由气体中所带的液滴，防止进入制冷压缩机而造成磨损或冲缸的危险。对保证压缩机的安全运转和提高制冷效率由良好的作用。

—双级压缩制冷时，为通过低压机的氨的总循环量，kg/h
—在蒸发压力下的饱和蒸汽氨的比容，/kg
—拟选液氨分离器的数量，个
—液氨分离器内气氨的流速，一般取0.5m/s
选用AF-1000型氨液分离器（直径1m）23个。
7）集油器
冻结需冷量高峰时要开19台8AS—25冷冻机总的标准制冷量：

安装JY-300型集油器5个。
8）空气分离器
用以排除在制冷系统中的不凝性气体，保证制冷装置长期正常运转和减少制冷剂的损失，提高制冷效果。在设计盐水温度低于-25℃时就应该安装空气分离器。
安装3台KF-20型空气分离器。
4.2冷却水系统设计
4.2.1 基本资料
（1）冷冻站最多开5台高压机（8AS-25，每台需冷却量8/h）和14台低压机（8AS-25），高压机的总循环量为33220kg/h；
（2）冷凝器进口处的温度为20℃，冷凝器的出口温度为25℃，氨的冷凝温度为32℃，中间温度为-5℃；
（3）氨的中间压力为0.36186MPa,冷凝压力为1.2618MPa；
4.2.2 冷却需水量
（1）总需水量W
总需水量W按下式计算：

式中 W—冷却水的总需求量
—冷凝器的总热负荷
—冷凝器的进出口温差
（2）冷冻机的冷却水需用量

式中 —冷冻机台数
—每