21-凍結(jié)法施工井筒(表土)課件

2立井表土凍結(jié)法施工概述：

120年，含水、軟弱、不穩(wěn)定地層礦山立井建設(shè)的成熟技術(shù)國外：1精選課件中國：1955年開灤470個井筒，總延米70km含水、不穩(wěn)定沖積層90%采用凍結(jié)法凍結(jié)深度650米，穿越?jīng)_積層厚度為567.7米井筒直徑8.0米英國的博爾比鉀鹽礦是世界上人工地層凍結(jié)深度最大的，達930m，但其凍結(jié)地層僅為645－930m的局部含水不穩(wěn)定巖層，而非表土層；在煤礦建井中凍結(jié)深度最深的是波蘭盧布林礦1號井副井，達725m，其表土層厚度為420m。2精選課件凍結(jié)法鑿井利用氨循環(huán)制冷系統(tǒng)。為形成能抵抗地壓、隔絕地下水的凍結(jié)壁，首先在欲開挖井筒周圍鉆進一定數(shù)量凍結(jié)孔，安設(shè)凍結(jié)器。凍結(jié)站制出的-25~-35℃低溫鹽水，經(jīng)去路鹽水干管（12）、配液圈（13）到供液管底部、沿凍結(jié)管和供液管之間的環(huán)形空間上升到回液管、集液圈（15）、回路鹽水干管（16）至蒸發(fā)器（2）——形成鹽水循環(huán)設(shè)計原理3精選課件低溫鹽水在凍結(jié)器中流動，吸收周圍地層熱量，形成凍結(jié)圓柱，凍結(jié)圓柱逐漸擴大并連接成封閉的凍結(jié)壁，直至達到其設(shè)計厚度和強度。通常將凍結(jié)壁擴展到設(shè)計厚度所需的時間稱為積極凍結(jié)期，將維護凍結(jié)壁的期間稱作消極（或維護）凍結(jié)期。4精選課件吸收了地層熱量的鹽水，在鹽水箱內(nèi)將熱量傳遞給蒸發(fā)器中的液氨，使液氨變?yōu)轱柡驼魵獍?，再被氨壓縮機（4）壓縮成過熱蒸氣進入冷凝器（7）冷卻，將地層和壓縮機產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻水，最后將這些熱量傳給大氣。5精選課件凍結(jié)法鑿井主要工藝過程包括： ——冷凍站安裝 ——鉆孔施工 ——井筒凍結(jié) ——井筒掘砌等四項主要內(nèi)容三大關(guān)鍵技術(shù)：凍結(jié)壁、井壁、凍結(jié)孔鉆進施工過程6精選課件凍結(jié)方案針對不同水文、地質(zhì)和工程條件，采用不同凍結(jié)方案，以達到最佳經(jīng)濟效益。實際工程常用凍結(jié)方案有：一次凍全深所有凍結(jié)孔的深度與最大凍結(jié)深度一致，并且全深一次凍結(jié)形成凍結(jié)壁的凍結(jié)方式。包括單圈管、雙圈管和異徑管。7精選課件

凍結(jié)方案一般采用單圈管凍結(jié)方案，即只在井筒周圍布置一圈凍結(jié)管當(dāng)表土厚，要求凍結(jié)壁厚、平均溫度低時可采用雙圈管凍結(jié)，即在井筒周圍布置兩圈凍結(jié)管為加速上部凍結(jié)，盡早開挖，可采用上粗下細(xì)異徑管凍結(jié)，上部凍結(jié)管吸熱面積大，凍結(jié)快，下部管吸熱面積小，凍結(jié)慢。8精選課件

長短管（差異）凍結(jié)方案長短管凍結(jié)，又稱“差異凍結(jié)”——指凍結(jié)管的深度不同，長短管交錯布置于一圈上，一次凍結(jié)形成凍結(jié)壁的凍結(jié)方式。此方案主要用于同時凍結(jié)沖積層和含水基巖的情況。長管超出短管深度的部分主要任務(wù)是凍結(jié)基巖、封堵地下水，而上部分則與短管共同形成承受水土壓力的凍結(jié)壁。9精選課件

分段（分期）凍結(jié)方案當(dāng)凍結(jié)深度較大，且水文、工程地質(zhì)條件比較適宜時，可將整個凍結(jié)深度自上而下分為數(shù)段，分段凍結(jié)形成凍結(jié)壁。這一方案的凍結(jié)管布置方式與一次凍全深相同，只是采用不同結(jié)構(gòu)的凍結(jié)器來實現(xiàn)分段凍結(jié)的目的。分期凍結(jié)凍結(jié)器1配液圈2集液圈3閥門4凍結(jié)管5、6供、回液管

10精選課件

局部凍結(jié)方案當(dāng)只有局部地層需要凍結(jié)時，可采用局部凍結(jié)方案。局部凍結(jié)凍結(jié)器隔板(b)壓氣隔離(c)鹽水隔離(d)上下凍結(jié)11精選課件凍結(jié)深度

凍結(jié)深度應(yīng)穿過風(fēng)化帶延深至穩(wěn)定的基巖10m以上?；鶐r段涌水較大時，應(yīng)加深凍結(jié)深度

----《煤礦安全規(guī)程》12精選課件凍結(jié)孔的布置圈徑：D0=Dj+2(ηEd+eH)式中D0

——凍結(jié)孔單圈布置的圈徑，m

Dj——凍結(jié)井筒掘進直徑，m

Ed

——凍結(jié)壁厚度，m

η——凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)擴展系數(shù)，0.55—0.6e——凍結(jié)孔允許偏斜率，3‰H——凍結(jié)深度，m13精選課件凍結(jié)孔的布置凍結(jié)孔數(shù)目：N=πD0

／L式中：N——凍結(jié)孔數(shù)目，個

D0

——凍結(jié)孔圈徑，m

L——凍結(jié)孔間距，1－1.3m

若計算結(jié)果為小數(shù)，則調(diào)整為整數(shù)后，再確定孔距14精選課件凍結(jié)站實際制冷能力Q0

＝KπdnHq式中：Q0

——凍結(jié)一個井筒的實際制冷能力，kwK

——管路冷量損失系數(shù)，K＝1.1－1.25d——凍結(jié)管直徑，mn——凍結(jié)管數(shù)目，個H——凍結(jié)深度，mq——凍結(jié)管的吸熱率，q＝0.26－0.29kw/m215精選課件凍結(jié)管的吸熱率----單位時間、單位面積凍結(jié)管內(nèi)的鹽水帶走的熱量q－凍結(jié)管吸熱率，w/m2;t0－地層初始溫度；tc－鹽水溫度－凍結(jié)管內(nèi)換熱系數(shù)，70-128w/m2kr0－凍結(jié)管半徑，m；R－凍結(jié)影響半徑，m

－凍結(jié)圓柱擴展半徑，m－融土和凍土的導(dǎo)熱系數(shù)16精選課件井筒凍結(jié)時間

T＝ηEd/v式中：T－凍結(jié)時間，d

η－凍結(jié)壁向井心內(nèi)的擴散系數(shù)，0.55～0.6Ed－凍結(jié)壁設(shè)計厚度，mmv－向井筒中心的平均擴展速度，mm/d經(jīng)驗值：礫石層v=35~45mm/d砂層v=20~25mm/d粘土層v=10~15mm/d17精選課件第一次充氨量G＝KQ0A式中：Q0－冷凍站實際制冷能力，kwK－充氨損失系數(shù)，K＝1.1A－每1kw制冷能力的需氨量，A＝1.7－2.6kg正常運行，每月需補充總氨量的2.5－10％18精選課件鹽水流量Q＝Q0/ρcΔt式中：Q0－冷凍站實際制冷能力，kwρ－鹽水密度，ρ＝1250－1270kg/m3c－鹽水比熱，c＝2.73Δt－去、回路鹽水溫差19精選課件鹽水體積V=V1+V2+V3V1－鹽水干管、配、集液圈總?cè)莘eV2－凍結(jié)管總?cè)莘eV3－鹽水箱總?cè)莘e20精選課件固體氯化鈣用量G＝ρVa/bρ－鹽水密度V－鹽水體積a－單位質(zhì)量鹽水中氯化鈣的含量b－固體氯化鈣的純度，無水氯化鈣b＝0.96晶體氯化鈣b＝0.7021精選課件主副井均采用凍結(jié)施工先凍結(jié)主井，后凍結(jié)副井－－順序凍結(jié)凍結(jié)站實際制冷能力＝主井維護凍結(jié)＋副井積極凍結(jié)Q0=Q0f+(0.25~0.5)Q0z式中：Q0－冷凍站實際制冷能力，kwQ0f－副井積極凍結(jié)所需制冷量，kwQ0z－主井積極凍結(jié)所需制冷量，kw影響砂層凍結(jié)壁變形的主要因素是凍結(jié)壁平均溫度影響粘土凍結(jié)壁的因素要復(fù)雜得多，主要為地壓、凍結(jié)壁平均溫度和段高22精選課件凍結(jié)溫度場－－凍結(jié)過程中井筒周圍空間溫度隨時間變化求解溫度場是進行熱力計算的重要工作、是進行靜力計算的重要前提，目的：l

求凍結(jié)壁的平均溫度，確定凍土強度；l

確定凍結(jié)鋒面的位置，計算凍結(jié)壁的厚度；l

計算熱量，確定凍結(jié)站的制冷能力；l確定凍結(jié)壁的擴展速度，估算積極凍結(jié)時間。

23精選課件隨著凍結(jié)壁厚度設(shè)計計算方法的發(fā)展，凍結(jié)壁材料經(jīng)歷了多種假設(shè)，如完全彈性；部分彈性、部分塑性；完全塑性和完全粘性材料等凍結(jié)壁材料模式(a)完全彈性(b)部分彈性、部分塑性(c)完全塑性24精選課件S1T1Domke;T2ViscousS3T3Mises;S4T4TrescaS5T5Mohr-CoulombS6T6Drucker-Prager

凍結(jié)壁厚度與井深的關(guān)系(a)

無內(nèi)支護(b)有內(nèi)支護，2MPaS砂，φ=30°，c=1.15MPa，K=4MPa，B=2T粘土，φ=0°，c=2MPa，K=4MPa，B=425精選課件Lame和Clapeyron(1883)假設(shè)凍土體材料為完全彈性體，將厚壁圓筒按軸對稱平面應(yīng)變來處理，得凍結(jié)壁厚度計算公式：式中，q是凍土的無側(cè)限抗壓強度，p0是上覆地層壓力，a是凍結(jié)壁內(nèi)半徑。若采用第四強度理論，則Lame公式修正為Lame將凍結(jié)壁視為無限長彈性厚壁圓筒，符合淺部地壓較小的凍結(jié)壁工作狀況，當(dāng)表土厚小于100m時，Lame公式適用26精選課件Domke(1915)認(rèn)為凍結(jié)壁屬無限長彈塑性厚壁圓筒，凍結(jié)管布置圈外為彈性區(qū)，布置圈內(nèi)為塑性區(qū)，并運用第三強度理論作為極限條件，提出了著名的計算凍結(jié)壁厚度的“多姆克公式”Vyaloy(1962)按Mohr線性及非線性屈服條件，研究了無限長凍土筒蠕變，假設(shè)凍土區(qū)為塑性區(qū)，得出凍結(jié)壁厚度計算公式

式中，ф—凍土內(nèi)摩擦角。對于無內(nèi)支撐狀況相當(dāng)符合27精選課件4立井工程凍結(jié)法Klein(1981)引入凍土“內(nèi)摩擦角”φ來修正Domke公式我國還常常采用Dmoke公式的第四強度理論形式Dmoke公式適用于凍結(jié)深度<200m。實際工程中一般采用短段掘砌方式施工凍結(jié)井筒，采用有限段高進行凍結(jié)壁厚度的計算將更為符合實際。28精選課件凍結(jié)壁厚度計算里別爾曼提出用軸對稱極限平衡理論計算凍結(jié)壁厚度，假設(shè)：（1）凍結(jié)壁外側(cè)水平地壓為（2）段高的上下端固定（3）凍土為理想塑性體（4）抗剪強度為抗壓強度的一半（5）凍土強度隨時間變化（6）按第三強度理論計算，得到凍結(jié)壁厚度式中，h—施工段高，m；K—安全系數(shù)，一般1.1~1.2；σt—與凍結(jié)壁暴露時間相關(guān)的凍土長時抗壓強度，MPa29精選課件前蘇聯(lián)學(xué)者維亞洛夫、扎列茨基采用與里別爾曼基本相同的假設(shè)，利用第四強度理論，考慮凍土暴露段高的支撐條件，得到有限段高公式：式中，—支撐條件系數(shù)，（1）井內(nèi)未凍實，可視為上端固定，下端不固定，=1；（2）井內(nèi)凍實，可視為上下兩端均固定，=0.5。30精選課件我國學(xué)者根據(jù)已有工程經(jīng)驗，利用數(shù)理統(tǒng)計的方法，將所有井筒掘進直徑變換成8m等效直徑，繪出安全施工曲線，推導(dǎo)出經(jīng)驗公式：31精選課件工程實例簡介凍結(jié)法早就成功用于含水、不穩(wěn)定表土層中立井井筒的開鑿，這一領(lǐng)域的工程實例很多。1.中國淮南潘謝礦區(qū)淮南潘謝礦區(qū)于1973年開發(fā)，至1989年共施工井筒19個，其中16個采用凍結(jié)法，設(shè)計采用Domke公式計算凍結(jié)壁厚度，凍土強度安全系數(shù)2.0~3.0,各井筒均采用雙層鋼筋混凝土井壁，井壁厚度在900~1700mm之間32精選課件井筒名稱井筒凈直徑(m)表土層厚(m)凍結(jié)壁凍結(jié)管測溫孔數(shù)(個)標(biāo)準(zhǔn)制冷能力(104kJ/h)鹽水溫度(℃)開工時間平均溫度(℃)極限抗壓強度(MPa)計算厚度(m)布置圈徑(m)凍結(jié)孔數(shù)(個)潘一主井7.5160-7.011.04.516.34441490.5-301972潘一副井8.0152-7.011.04.4717.04641490.5-301973潘一東風(fēng)井6.5292.5-10.011.55.3615.038221792-301974潘一中央風(fēng)井6.5167.9-7.011.04.014.53841490.5-301975潘二主井7.5252-7.511.55.117.04243290.8-301975潘二副井8.0247-7.511.55.117.54433290.8-301976潘二西風(fēng)井6.5284-7.511.54.8416.03831792-301976潘二南風(fēng)井6.5275.4-7.510.85.1416.038112198.1-301977潘三主井7.5210.4-10.012.02.6714.33833745.5-301978潘三副井8.0210.4-10.012.02.8315.04033745.5-301978潘三中央風(fēng)井6.6210.4-10.012.02.3513.03433745.5-301979潘三東風(fēng)井6.5358.5-10.012.05.2217.04283642.5-321979謝橋矸石井6.6244.5-8.512.53.4314.03635618.7-301982謝橋副井8.0298.7-12.015.15.3116.5-20.637

5618.7-301983謝橋主井7.2291.4-9.513.54.76外17內(nèi)13外42內(nèi)12

5618.7-301983潘一東二風(fēng)井7.0291.811.5外17內(nèi)13外6內(nèi)124

-301989我國潘謝礦區(qū)立井凍結(jié)工程情況

33精選課件謝橋副井原凍結(jié)孔布置34精選課件3龍固礦副井龍固礦井位于山東省巨野縣境內(nèi),設(shè)計生產(chǎn)能力為600萬噸/年，立井開拓，設(shè)兩主一副一風(fēng)四個井筒，在同一工業(yè)廣場內(nèi)，主井、風(fēng)井采用鉆井法施工；副井井筒的表土段及基巖上部含水層段采用凍結(jié)法施工。

35精選課件龍固礦副井井筒深度874.6m表土層厚度567.7m井筒凈直徑φ7.0m最大掘砌荒徑11.4m最大井壁厚度2.2m地溫:由孔深11m至凍結(jié)深度650m，地溫由21℃上升至36.7℃

36精選課件龍固礦副井－－完成試驗工作

凍結(jié)溫度導(dǎo)熱系數(shù)單軸抗壓強度三軸抗壓強度粘土凍脹量單軸蠕變實驗三軸蠕變試驗37精選課件龍固礦井副井粘土凍結(jié)溫度測試結(jié)果匯總表層位試樣編號含水量（%）凍結(jié)溫度（℃）1層FUDJ1-123.99-1.17FUDJ1-225.26-1.252層FUDJ2-116.62-2.03FUDJ2-219.08-1.133層FUDJ3-122.13-2.80FUDJ3-223.98-1.675層FUDJ5-114.39-3.14FUDJ5-219.20-1.097層FUDJ7-116.48-4.28FUDJ7-218.96-2.3138精選課件龍固礦副井凍結(jié)設(shè)計參數(shù)⑴凍結(jié)方案：主圈加雙圈輔助孔方案⑵凍結(jié)孔布置圈徑：內(nèi)15.5m/中21m/外27m⑶凍結(jié)孔數(shù)：內(nèi)18個/中24個/外46個⑷凍結(jié)孔深度：內(nèi)圈573m

中圈長短管650(573)m外573m⑸凍結(jié)方式：兩圈輔助孔200m以上雙供液管39精選課件龍固礦副井凍結(jié)設(shè)計參數(shù)⑹開機至開挖時間：160天；開挖至停機時間390天；凍結(jié)總工期550天。控制層（567.7m）凍結(jié)壁達到設(shè)計厚度時間409天⑺預(yù)計控制層凍土發(fā)展速度：向內(nèi)22mm/d、向外10mm/d；⑻計算掘砌段高：2.0m40精選課件凍結(jié)方式主圈(外圈)孔采用局部凍結(jié)，凍結(jié)范圍380～573m，確保表土層及強風(fēng)化帶凍結(jié)壁厚度和強度。中圈輔助孔采用差異凍結(jié)，長腿深度650m，穿過基巖第二個含水巖層8.5m，終孔在不透水的鋁質(zhì)泥巖中；短腿深度573m，穿過第三系及強風(fēng)化帶。內(nèi)圈輔助孔采用全深凍結(jié)，深度573m，穿過第三系及強風(fēng)化帶，上部防片幫，下部降低井幫溫度、提高凍結(jié)壁強度，且保證強風(fēng)化帶凍結(jié)強度。41精選課件凍結(jié)管外圈凍結(jié)管0～380m采用φ140×6mm優(yōu)質(zhì)低碳鋼無縫管，380m以下采用φ159×7mm優(yōu)質(zhì)低碳鋼無縫管，內(nèi)管箍連接。中圈孔、輔助孔0～300m采用φ159×6mm優(yōu)質(zhì)低碳鋼無縫管，300m以下采用φ159×7mm優(yōu)質(zhì)低碳鋼無縫管。

供液管：φ75×6mm聚乙稀塑料軟管

42精選課件43精選課件根據(jù)龍固副井厚粘土層賦存特點，分別以197m和四個厚粘土層底板及400m處粘土層作為控制層計算不同深度所需凍結(jié)壁厚度

各分層凍結(jié)壁厚度為：0～197m：4.5m200～300m：6.0m300～400m：7.8m400～500m：9.0m500m以下：11.5m

44精選課件4立井工程凍結(jié)法45精選課件凍結(jié)壁厚度設(shè)計取值≤400m：7.8m＞400m：10.5m

46精選課件序號名稱型號單位數(shù)量生產(chǎn)廠家1螺桿式制冷壓縮機KA25C臺15煙臺2氨壓縮機8AS—17臺17煙臺3蒸發(fā)器LZ—240臺25煙臺4中間冷卻器ZL—10臺6煙臺5氨油分離器YF—125TL臺26煙臺6氨貯液器ZA—5.0臺5煙臺7蒸發(fā)式冷凝器ZNX—900臺26煙臺8集油器JY—300臺4煙臺9空氣分離器ZKF—2臺4煙臺10濾油機臺2寧波11油泵臺4寧波12清水泵10SH—19臺3淄博13移動變電站1600KVA0.6/0.4KV臺2荷澤14移動變電站1250KVA0.6/0.4KV塊2荷澤15移動變電站1000KVA0.6/0.4KV塊2荷澤16軟化水處理器反滲透塊2濟寧17冷卻塔200M3/h臺2德州18鹽水泵12SH—6A臺6淄博龍固副井主要凍結(jié)施工設(shè)備表

47精選課件尚未完全解決的問題凍結(jié)壁變形與凍結(jié)管斷裂——現(xiàn)象：凍結(jié)壁變形、凍結(jié)管斷裂——措施：超低溫、凍實、減少段高，強行通過——實質(zhì)：凍結(jié)壁，尤其是深部凍土的形成特性、力學(xué)性質(zhì)、與未凍土的相互作用、與施工力學(xué)行為的關(guān)系48精選課件

凍結(jié)井壁破裂：——現(xiàn)象：70多深厚表土凍結(jié)井壁發(fā)生破裂——措施：破裂機理，注漿加固含水及融土層、可縮井壁、 開槽卸壓等措施、井壁安全監(jiān)測技術(shù)——實質(zhì)：深部土體(未凍土、融土)力學(xué)特性 深部地層與井壁相互作用關(guān)系49精選課件未來工程對理論和施工技術(shù)的要求華東地區(qū)巨野井田 沖積層600~700m、第三系、第四系含水層

——必須采用特殊鑿井技術(shù)前提：超深厚土凍結(jié)鑿井理論與技術(shù)50精選課件4立井工程凍結(jié)法待解決和研究中的理論與技術(shù)問題三個理論

n

超深厚表土(凍土)荷載理論

——深部地層初始應(yīng)力

——深土物理、力學(xué)性質(zhì)

——深凍、融土物理、力學(xué)性質(zhì)

——深凍結(jié)壁土壓力

——深井井壁上凍、融土壓力51精選課件4立井工程凍結(jié)法

n

凍結(jié)壁的形成與設(shè)計理論 ——特殊土凍結(jié)壁形成規(guī)律 ——多圈凍結(jié)溫度場中土的水、熱、力耦合作用 ——融土結(jié)構(gòu)性變化以及對井壁受力的作用 ——施工過程中凍