關(guān)于召開(kāi) 2024 山西省煤炭學(xué)會(huì)煤礦智能化委員會(huì)年會(huì)暨千人智庫(kù)科創(chuàng)服務(wù)站工作會(huì)的通知

一、項(xiàng)目背景

目前斜井凍結(jié)一般均采用分段分期垂直孔局部?jī)鼋Y(jié)方式，每段一次性全部投入積極凍結(jié)，這種斜井凍結(jié)方式會(huì)導(dǎo)致每段段首凍結(jié)滿足設(shè)計(jì)要求，但在掘進(jìn)至段中或段尾時(shí)，因凍結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，凍結(jié)溫度過(guò)低，凍結(jié)太實(shí)，井幫及開(kāi)挖斷面溫度過(guò)低，給斜井井筒掘進(jìn)施工帶來(lái)困難。

本項(xiàng)目研究提供了一種全新斜井垂直孔凍結(jié)投入方式，使得掘進(jìn)單位施工至迎頭時(shí)凍結(jié)恰到好處，實(shí)現(xiàn)不挖凍土或少挖凍土目標(biāo)，改變以前分區(qū)分段凍結(jié)，各段投入凍結(jié)的時(shí)間沒(méi)有成熟的理論依據(jù)及計(jì)算方法的現(xiàn)狀，為斜井凍結(jié)設(shè)計(jì)和施工提供了新的經(jīng)驗(yàn)。

二、研究?jī)?nèi)容

1.步進(jìn)式斜井凍結(jié)工藝概述

所謂步進(jìn)式斜井凍結(jié)就是在每個(gè)凍結(jié)段中，前面的凍結(jié)孔根據(jù)掘進(jìn)速度和凍結(jié)時(shí)間的要求，循序漸進(jìn)地逐排滾動(dòng)投入凍結(jié)，而不拘泥于凍結(jié)造孔施工時(shí)所分的段長(zhǎng)，一次性全部投入凍結(jié)。這樣，既能保證該處凍結(jié)效果，又能有效控制井幫溫度，從而也就能實(shí)現(xiàn)凍結(jié)孔逐排滾動(dòng)投入凍結(jié)，保證每排凍結(jié)孔在掘進(jìn)到其所在位置時(shí)，凍結(jié)效果最佳。在凍結(jié)孔投入凍結(jié)過(guò)程中，可根據(jù)斜井井筒掘進(jìn)速度及實(shí)測(cè)的井幫溫度及時(shí)調(diào)整投入時(shí)間，使步進(jìn)式斜井凍結(jié)工法更加科學(xué)合理，實(shí)現(xiàn)凍結(jié)與掘進(jìn)的密切配合，為快速掘砌施工創(chuàng)造有利條件。

2.步進(jìn)式斜井凍結(jié)工藝

采用步進(jìn)式斜井凍結(jié)施工法的基本做法如下：

假設(shè)斜井按圖1所示方式進(jìn)行垂直孔分段凍結(jié)。在凍結(jié)范圍內(nèi)布置5列凍結(jié)孔分別標(biāo)示為A、B、C、D、E，每列沿井筒開(kāi)挖方向成排布置凍結(jié)孔，第一凍結(jié)段第1個(gè)凍結(jié)孔定義為第一凍結(jié)段第1排，第2個(gè)凍結(jié)孔定義為第一凍結(jié)段第2排，以此類推。第二凍結(jié)段第一個(gè)凍結(jié)孔定義為第二凍結(jié)段第1排，第二個(gè)凍結(jié)孔定義為第二凍結(jié)段第2排，以此類推。其他凍結(jié)段采取相同定義方式。

圖1  斜井凍結(jié)孔設(shè)計(jì)圖

第一凍結(jié)段造孔施工后開(kāi)始采用一次性全部投入法對(duì)第一凍結(jié)段進(jìn)行凍結(jié)，同時(shí)要求對(duì)第二凍結(jié)段順序造孔施工，直到全部?jī)鼋Y(jié)孔施工完畢。

第一凍結(jié)段開(kāi)始凍結(jié)后，相鄰的第二凍結(jié)段第1排凍結(jié)孔投入的時(shí)間，可根據(jù)預(yù)計(jì)的掘進(jìn)速度、第一凍結(jié)段凍結(jié)時(shí)間、第一凍結(jié)段凍結(jié)斜長(zhǎng)及凍土試驗(yàn)提供的凍土發(fā)展速度、第二凍結(jié)段凍結(jié)時(shí)間等來(lái)加以確定，保證第二凍結(jié)段第1排凍結(jié)孔的凍結(jié)時(shí)間比掘進(jìn)到此處所需要的時(shí)間稍長(zhǎng)，這樣既保證第二凍結(jié)段第1排處的凍結(jié)效果，又保證掘進(jìn)施工安全。第二凍結(jié)段第2排其余各排凍結(jié)孔投入凍結(jié)時(shí)間的確定方法和第二凍結(jié)段第1排凍結(jié)孔相同。

圖2 凍結(jié)造孔施工現(xiàn)場(chǎng)

第一凍結(jié)段開(kāi)始掘進(jìn)后，要根據(jù)揭露的井幫溫度及凍結(jié)壁厚度來(lái)驗(yàn)算凍土發(fā)展速度；并根據(jù)驗(yàn)算后的凍土發(fā)展速度，及時(shí)調(diào)整未投入凍結(jié)的凍結(jié)孔處的凍結(jié)時(shí)間，再根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)速度、經(jīng)驗(yàn)算的凍土發(fā)展速度及調(diào)整后的凍結(jié)期，確定未投入積極凍結(jié)的凍結(jié)孔投入凍結(jié)的時(shí)間，始終保證每排凍結(jié)孔的凍結(jié)的時(shí)間比掘進(jìn)到此處的時(shí)間稍長(zhǎng)。這樣既能保證該處凍結(jié)效果，又能有效控制井幫溫度，從而實(shí)現(xiàn)凍結(jié)孔逐排滾動(dòng)投入，保證每排凍結(jié)孔在掘進(jìn)到其所在位置時(shí)凍結(jié)效果最佳。

在凍結(jié)孔投入凍結(jié)過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)施工情況、掘進(jìn)速度及實(shí)測(cè)井幫溫度，及時(shí)調(diào)整投入時(shí)間，使步進(jìn)式凍結(jié)工法更加科學(xué)合理，實(shí)現(xiàn)凍結(jié)與掘進(jìn)的密切配合，為快速掘砌施工創(chuàng)造有利條件。步進(jìn)式凍結(jié)投入法可用如下方法進(jìn)行簡(jiǎn)單控制：假設(shè)掘進(jìn)單位月掘進(jìn)速度為L(zhǎng)米/月，根據(jù)第一凍結(jié)段內(nèi)測(cè)溫孔數(shù)據(jù)推測(cè)出斜井凍結(jié)控制層的凍土發(fā)展速度，設(shè)為d米/天，根據(jù)凍結(jié)孔測(cè)斜數(shù)據(jù)計(jì)算出各凍結(jié)段內(nèi)相鄰兩排凍結(jié)孔最大終間距，設(shè)為l米，則該相鄰兩排凍結(jié)交圈時(shí)間即為l/2d天，掘進(jìn)進(jìn)尺為M米時(shí)應(yīng)開(kāi)始投入M+Ll/50d處的凍結(jié)孔，為了保證凍結(jié)安全，對(duì)M+Ll/50d進(jìn)行向上取整的位置進(jìn)行投入凍結(jié)，根據(jù)上述步驟就可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式斜井凍結(jié)。

圖3  步進(jìn)式斜井凍結(jié)管路連接

三、施工實(shí)例

某礦步進(jìn)式斜井凍結(jié)法施工與一次性投入凍結(jié)施工在開(kāi)挖區(qū)域?qū)崪y(cè)溫度曲線如圖所示。

1.左側(cè)墻  2.右側(cè)墻  3.開(kāi)挖區(qū)

圖4 一次性投入凍結(jié)開(kāi)挖區(qū)域?qū)崪y(cè)溫度曲線

1.開(kāi)挖區(qū) 2.左側(cè)墻 3.右側(cè)墻

圖5 步進(jìn)式凍結(jié)時(shí)的開(kāi)挖區(qū)域?qū)崪y(cè)溫度曲線

1.步進(jìn)式凍結(jié) 2.一次性投入積極凍結(jié)

圖6  開(kāi)挖區(qū)域?qū)崪y(cè)溫度對(duì)比曲線

從測(cè)得的開(kāi)挖區(qū)域溫度可以看出：

無(wú)論是一次性投入法，還是步進(jìn)式凍結(jié)工法，在開(kāi)始階段，中間保溫效果都很好。隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，一次性投入法保溫效果明顯降低，不能實(shí)現(xiàn)少挖或不挖凍土的目的；步進(jìn)式斜井凍結(jié)法自始至終保溫效果明顯，實(shí)現(xiàn)了少挖或不挖凍土的目的。

四、項(xiàng)目效果

步進(jìn)式斜井凍結(jié)工藝既能保證凍結(jié)效果，又能有效控制井幫溫度，保證每排凍結(jié)孔在掘進(jìn)到其所在位置時(shí)，凍結(jié)效果最佳，滿足凍結(jié)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了斜井凍結(jié)投入的靈活性和動(dòng)態(tài)性。

在一次性全部投入凍結(jié)過(guò)程中，掘進(jìn)施工單位掘進(jìn)速度一般在20米/月，采用步進(jìn)式斜井凍結(jié)后，因凍土進(jìn)入掘進(jìn)斷面小，實(shí)現(xiàn)了少挖凍土，掘進(jìn)速度達(dá)到40米/月，提高了掘進(jìn)速度 ，降低了掘進(jìn)成本。

該工藝可以根據(jù)斜井井筒掘進(jìn)施工速度動(dòng)態(tài)投入，實(shí)現(xiàn)了斜井凍結(jié)的動(dòng)態(tài)調(diào)整與控制，降低了凍結(jié)站內(nèi)鹽水溫度波動(dòng)范圍，有利于凍結(jié)站的維護(hù)運(yùn)轉(zhuǎn)，減少凍結(jié)站的裝機(jī)容量，使凍結(jié)與掘進(jìn)進(jìn)度相配合，少挖凍土，降低了斜井凍結(jié)施工成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

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