軟巖地層中井筒控制凍結理論與實踐目錄

1 概述

1．1 寧東地區(qū)地層的地質條件

1．2 人工地層凍結法

1．3 項目研究的內容

2 軟巖地層控制凍結的溫度場影響規(guī)律數(shù)值模擬研究

2．1 有限單元法基本理論

2．2 ANSYS計算軟件簡介

2．3 ANSYS熱分析與相變問題

2．4 井筒控制凍結溫度場的數(shù)學模型

2．5 典型參數(shù)下凍結溫度場數(shù)值計算

2．6 溫度場影響規(guī)律的數(shù)值計算方案

2．7 凍結溫度場數(shù)值計算結果分析

2．8 凍結溫度場的多因素回歸

3 人工凍結凍脹機理及井筒保護措施研究

3．1 凍結過程中的水分遷移規(guī)律

3．2 凍脹模型的建立

3．3 土體凍脹性分類

3．4 凍土的凍脹影響因素

3．5 既有井筒保護措施的研究

4 軟巖地層控制凍結物理模擬試驗研究

4．1 模擬試驗方法簡介

4．2 相似準則與?；O計

4．3 試驗系統(tǒng)

4．4 試驗過程

4．5 試驗結果分析

5 軟巖地層既有井筒保護的控制凍結設計技術研究

5．1 常規(guī)的凍結壁設計方法

5．2 軟巖地層凍結壁設計理論分析

5．3 麥垛山煤礦副井和風井的控制凍結設計

6 軟巖地層控制凍結的信息化施工技術研究

6．1 概述

6．2 凍結信息化監(jiān)測方案設計

6．3 麥垛山礦副井人工凍結監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

6．4 麥垛山煤礦回風立井凍結監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

6．5 井壁保護效果分析

附錄 控制凍土邊界熱鹽水循環(huán)系統(tǒng)及裝置

參考文獻 2100433B

本書以寧夏等西部地區(qū)軟弱、富含水地層非全井凍結法建井的凍結壁和井壁為研究對象，在解析計算、數(shù)值模擬、模擬試驗和工程實測研究的基礎上，綜合介紹了軟巖地層控制凍結的溫度場影響因素、控制凍結溫度場、既有井筒結構保護技術、凍結設計計算理論、非全井凍結施工工藝及信息化施工技術等方面的研究成果。

ISBN：978-7-5646-2150-6

版次：1

頁數(shù)：168

字數(shù)：26200

印刷時間：2016-09-02

印次：1

裝幀：平裝

分類：一般工業(yè)技術

《深立井井筒凍結工法》的質量控制要求如下：

1.鉆孔施工質量要求

（1）鉆孔偏斜：

在沖積層中要求偏斜率<0.3%，基巖段<0.5%。鉆孔孔間距：沖積層<3米、基巖段<5米。

（2）凍結管下置深度誤差<0.5米，開孔誤差<0.05米。

（3）凍結管下置完畢后進行打壓試驗，以確保凍結管不滲不漏。試驗壓力公式為P=P₁ 2（d-1）H/10，式中P₁——鹽水泵壓（千克/平方厘米）；d——鹽水比重；H——凍結管深度（米）。

2.凍結施工質量要求

（1）凍結站安裝應嚴格按設計圖紙施工。凍結站安裝完畢后，對氨系統(tǒng)進行打壓試漏試驗壓力：

高壓系統(tǒng)18千克/平方厘米；中壓14千克/平方厘米；低壓12千克/平方厘米；觀察24小時，壓力降<0.2千克/平方厘米為合格。

（2）開機前，對三大循環(huán)系統(tǒng)從單臺設備、單個系統(tǒng)到整體系統(tǒng)進行逐步試運行，確認各系統(tǒng)運行良好后方可進行化鹽水、充氨等最后工序。

（3）凍結站鹽水降溫在0℃以上，每天不得超過5℃，鹽水達到0℃以下時，每天不少于2℃，一般在開機40～60天后，鹽水溫度應達到設計值。

（4）凍結站開機后，其凍結器的檢查工作是凍結工程的重點，為此，加強對凍結器運行狀況的檢查和對測溫孔數(shù)據(jù)的分析是確保凍結成敗的關鍵。

開機后，應重點檢查：

a.凍結孔各孔流量不小于設計值。

b.凍結孔縱向溫度自上而下，比較均勻無突變點現(xiàn)象。

c.測溫孔溫度應均勻下降，降幅一般為0.2~0.5℃/天。

（5）開機后應對水文孔水位及井筒四周參考井水位進行觀測，掌握地下水位與井筒內水位變化，以及了解凍結壁交圈情況。

（6）凍結壁交圈檢驗：

a.當經過水文孔水位觀察，井筒內水文孔水位有規(guī)律上漲，并冒出地面。

b.凍結器檢查沒有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

c.測溫孔推算凍結壁已交圈時，可以認為凍結壁已交圈。

深立井井筒凍結工法適用范圍

《深立井井筒凍結工法》的適用范圍有：

1.凍結法主要應用于地層條件復雜，地層松軟，有流砂及淤泥等特殊不穩(wěn)定地層，用普通法無法進行地下工程施工的地層。

2.地質條件及地下水流速、流向是凍結法施工設計的兩個主要參考指標。常規(guī)凍結一般要求地下水流速度小于10米/天，流速大時可采取加密凍結孔等措施來實施凍結。

3.根據(jù)凍結法原理，截至2005年，該工法成功地應用于煤炭、水利、交通、地鐵、橋涵、港口、深基礎等地下工程建設中，為特殊地質條件下工程建設的可靠工法。

深立井井筒凍結工法工藝原理

《深立井井筒凍結工法》的工藝原理敘述如下：

制冷工藝包括：a.鹽水循環(huán)系統(tǒng)；b.氨循環(huán)系統(tǒng)；c.冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

1.鹽水循環(huán)系統(tǒng)

利用水的低溫結冰性質，在立井井筒周圍一定范圍內施工鉆孔（凍結孔），孔深為所需凍深，然后在鉆孔內下置凍結器（凍結管、供液管等組成），經過凍結站降溫的低溫鹽水（-20~-35℃的氯化鈣水溶液）經管路輸送，抵達凍結器底部，沿凍結管與供液管之間的環(huán)狀空間上升，此時低溫鹽水吸收地層傳給凍結管的熱量，使低溫鹽水逐步升溫，并返回到凍結站，進行再次冷卻，這就是鹽水循環(huán)系統(tǒng)。低溫鹽水吸收凍結管傳來的熱量。使凍結管四周溫度逐步降低。結冰范圍逐步打大形成凍結圓柱，各個凍結圓柱不斷擴展，兩兩相連，形成一封閉的具有一定厚度和強度的凍結壁。當凍結管的強度與厚度達到設計要求后，井筒即可開挖。井筒在凍結壁的保護下安全施工。

2.冷卻水系統(tǒng)

在冷凝器中，冷卻水不斷地流過冷凝器，吸收內部氨相態(tài)變化所放出的熱量，并使冷卻水水溫升高，這就是冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

綜上所述，凍結法鑿井的基本原理，就是鹽水從地層中吸收熱量，并將其熱量傳遞給氨，氨經壓縮機壓縮后，將這部分熱量傳遞給冷卻水，最后由冷卻水把熱量散發(fā)到大自然中。這樣通過三大循環(huán)，逐步地將地層降溫并凍結，形成所需之凍結壁。

深立井井筒凍結工法施工工藝

• 工藝流程

《深立井井筒凍結工法》的工藝流程見圖2。

• 操作要點

《深立井井筒凍結工法》的操作要點如下：

1.根據(jù)地質及水文地質資料，全面掌握井筒所穿過的地層特性、地下水的流速與流向、凍結段終止位置的地層特點。根據(jù)地層結構、地下水流速大小及凍結終止部位的地層含水狀況等資料編制施工組織設計。對于地下水流速較大的地層，可分別采取減少凍結孔間距、加大凍結管直徑或布置雙圈孔等措施以克服水流的冷量散失。對于凍結段終止的地層必須是不透水的穩(wěn)定基巖，否則會使凍結段下部出水，造成透水事故。

2.凍結孔施工要重點把握凍結孔開孔位置準確，各水平鉆孔偏斜率及間距不許超過設計值。

3.凍結管打壓試漏合格，深度達到設計要求，并根據(jù)測斜情況繪制各水平凍結交圈圖以備后用。

4.凍結站各設備管路安裝完畢后，進行氨系統(tǒng)、鹽水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)的打壓試漏工作，做到不滲不漏，設備單臺及聯(lián)合試運行正常。

5.根據(jù)地下水流向，確定好凍結水源井的位置，以水井抽水不影響井筒凍結為原則，要求凍結水源井應距井筒水流上游300米以上。鹽水比重應達到設計要求。首次充氨量宜適量，隨著鹽水溫度的降低，系統(tǒng)液氨須不斷地加以補充。

6.試運轉開機時要掌握系統(tǒng)中各壓力、溫度的變化應在正常指標的范圍之內，如有異常要及時加以處理。

7.隨著制冷系統(tǒng)的運行，鹽水溫度逐漸降低，地層溫度也隨之而降，此時應加強凍結器及測溫孔溫度的監(jiān)測。凍結器應檢查每根凍結管的鹽水流量及去、回路溫度，查看凍結器結霜情況，了解凍結器的運行。測溫孔應每天測量記錄，收集原始溫度數(shù)據(jù)。掌握各地層凍結發(fā)展狀況，及時分析異常數(shù)據(jù)。

8.開機20天后，對各個凍結器進行縱向測溫，從而全面掌握每個凍結器的運行狀況及各水平地層的凍土發(fā)展情況。

9.開機后應對井內水文孔及井外參考水井的水位進行每日觀測，記錄水文孔水位變化，掌握含水地層的凍結交圈時間。

10.當井內水文孔冒水，并經測溫孔溫度計算，凍結壁厚度、強度達到設計值時，開始井筒掘進。

11.當井筒掘進距設計凍結深度剩5～8米時，停止掘進，進行套內壁作業(yè)。當復壁正常，并經測溫孔計算凍結壁可以滿足復壁施工時，即可停止凍結運轉，復壁工作結束后，可以進行下一步凍結站拆除及現(xiàn)場清理工作。

• 勞動組織

《深立井井筒凍結工法》的勞動組織安排如下：

1.勞動組織安排，見圖3。

2.打鉆管理輔助人員配備情況（見表1）。

3.凍結人員配備情況（見表2）。

隨著煤礦建并技術的發(fā)展,特殊鑿井技術也有了長足的進步，特別是凍結法施工深厚沖積層井筒的掘砌技術得到了快速的發(fā)展，形成了鉆孔、凍結、掘進、砌壁等一系列完整的技術系統(tǒng)，已成為施工深厚沖積層立井井簡主要的施工方法。

凍結法鑿井的主要原理就是在地面按設計鉆凍結鉆孔到預計需凍結的深度，然后在凍結鉆孔內下凍結管，利用凍結站內的制冷設備壓縮低溫鹽水在凍結鉆孔內循環(huán)流動，形成凍結帷幕，當凍結帷幕達到設計強度后，就可以在凍結帷幕的保護下進行井簡掘砌。

凍結井簡施工適時開挖，是加快井簡施工速度、縮短工期的重要一環(huán)。開挖過早，會發(fā)生片幫甚至通砂透水;開挖過遲,隨著凍土墻的不斷擴展，會增加施工難度，影響施工進度。因此，并簡開挖時間應遵循以下原則。

(1) 當水文觀測孔內的水位已有規(guī)律地上升并冒水;

(2) 測溫孔的溫度已降至設計值,證實凍結壁已全部澆圈，其強度具備開挖條件;

(3) 開挖前的準備工作均已就緒,完全具備井筒施工條件。

根據(jù)以上條件開挖時間一般選定在凍結壁澆圈10 d 后進行，即預計主機開凍90 d后試挖,井簡試挖30 m 后進行吊盤及其他鑿井懸吊設備安裝，在開凍120 d 后井筒即可正式開挖。 2100433B