超大直径深立井建井关键技术及成套装备

2015年度国家科学技术进步奖二等奖。 2100433B

主要完成人：王 安，周国庆，龙志阳，祁和刚，蒲耀年，沈慰安，杨仁树，陆 伦，李新宝，黄亮高

主要完成单位：中国中煤能源集团有限公司，北京中煤矿山工程有限公司，中国矿业大学，中煤第五建设有限公司，中煤建设集团有限公司，中煤第一建设有限公司，中国矿业大学（北京）

内容介绍

《深立井与隧道工程理论和实践(2000-2008年学术论文选集)》以重大地下岩土工程的关键技术研究、设计和施工为基础，以单篇论文的形式阐述了深立井井筒开凿、隧道施工理论和技术的创新、发展及推广应用。主要内容包括：深立井开凿实用钻爆新技术研究和应用，立井冻结基岩深孔钻爆掘进和大段高砌壁，深立井硬岩深孔钻爆参数的研究与应用，特厚表土层大直径深立井冻结法施工及关键技术研究，深冻结立井高膨胀巨厚黏土层安全快速施工，深立井综合机械化配套快速高效施工，立井井筒基岩段工作面预注浆，小直径深立井施工提升系统设计和应用，立井冻结段内壁可缩装置设计思路及安装工作，井筒装备设计与施工，两井共用一个转水站的排水系统设计与安装，隧道出口段高压旋喷注浆加固设计与施工等。

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2008年01月31日，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2005-2006年度国家级工法的通知》建质[2008]22号，《深立井井筒冻结工法》被评定为2005-2006年度国家一级工法。 2100433B

深立井井筒冻结工法适用范围

《深立井井筒冻结工法》的适用范围有：

1.冻结法主要应用于地层条件复杂，地层松软，有流砂及淤泥等特殊不稳定地层，用普通法无法进行地下工程施工的地层。

2.地质条件及地下水流速、流向是冻结法施工设计的两个主要参考指标。常规冻结一般要求地下水流速度小于10米/天，流速大时可采取加密冻结孔等措施来实施冻结。

3.根据冻结法原理，截至2005年，该工法成功地应用于煤炭、水利、交通、地铁、桥涵、港口、深基础等地下工程建设中，为特殊地质条件下工程建设的可靠工法。

深立井井筒冻结工法工艺原理

《深立井井筒冻结工法》的工艺原理叙述如下：

制冷工艺包括：a.盐水循环系统；b.氨循环系统；c.冷却水循环系统。

1.盐水循环系统

利用水的低温结冰性质，在立井井筒周围一定范围内施工钻孔（冻结孔），孔深为所需冻深，然后在钻孔内下置冻结器（冻结管、供液管等组成），经过冻结站降温的低温盐水（-20~-35℃的氯化钙水溶液）经管路输送，抵达冻结器底部，沿冻结管与供液管之间的环状空间上升，此时低温盐水吸收地层传给冻结管的热量，使低温盐水逐步升温，并返回到冻结站，进行再次冷却，这就是盐水循环系统。低温盐水吸收冻结管传来的热量。使冻结管四周温度逐步降低。结冰范围逐步打大形成冻结圆柱，各个冻结圆柱不断扩展，两两相连，形成一封闭的具有一定厚度和强度的冻结壁。当冻结管的强度与厚度达到设计要求后，井筒即可开挖。井筒在冻结壁的保护下安全施工。

2.冷却水系统

在冷凝器中，冷却水不断地流过冷凝器，吸收内部氨相态变化所放出的热量，并使冷却水水温升高，这就是冷却水循环系统。

综上所述，冻结法凿井的基本原理，就是盐水从地层中吸收热量，并将其热量传递给氨，氨经压缩机压缩后，将这部分热量传递给冷却水，最后由冷却水把热量散发到大自然中。这样通过三大循环，逐步地将地层降温并冻结，形成所需之冻结壁。

深立井井筒冻结工法施工工艺

• 工艺流程

《深立井井筒冻结工法》的工艺流程见图2。

• 操作要点

《深立井井筒冻结工法》的操作要点如下：

1.根据地质及水文地质资料，全面掌握井筒所穿过的地层特性、地下水的流速与流向、冻结段终止位置的地层特点。根据地层结构、地下水流速大小及冻结终止部位的地层含水状况等资料编制施工组织设计。对于地下水流速较大的地层，可分别采取减少冻结孔间距、加大冻结管直径或布置双圈孔等措施以克服水流的冷量散失。对于冻结段终止的地层必须是不透水的稳定基岩，否则会使冻结段下部出水，造成透水事故。

2.冻结孔施工要重点把握冻结孔开孔位置准确，各水平钻孔偏斜率及间距不许超过设计值。

3.冻结管打压试漏合格，深度达到设计要求，并根据测斜情况绘制各水平冻结交圈图以备后用。

4.冻结站各设备管路安装完毕后，进行氨系统、盐水系统、冷却水系统的打压试漏工作，做到不渗不漏，设备单台及联合试运行正常。

5.根据地下水流向，确定好冻结水源井的位置，以水井抽水不影响井筒冻结为原则，要求冻结水源井应距井筒水流上游300米以上。盐水比重应达到设计要求。首次充氨量宜适量，随着盐水温度的降低，系统液氨须不断地加以补充。

6.试运转开机时要掌握系统中各压力、温度的变化应在正常指标的范围之内，如有异常要及时加以处理。

7.随着制冷系统的运行，盐水温度逐渐降低，地层温度也随之而降，此时应加强冻结器及测温孔温度的监测。冻结器应检查每根冻结管的盐水流量及去、回路温度，查看冻结器结霜情况，了解冻结器的运行。测温孔应每天测量记录，收集原始温度数据。掌握各地层冻结发展状况，及时分析异常数据。

8.开机20天后，对各个冻结器进行纵向测温，从而全面掌握每个冻结器的运行状况及各水平地层的冻土发展情况。

9.开机后应对井内水文孔及井外参考水井的水位进行每日观测，记录水文孔水位变化，掌握含水地层的冻结交圈时间。

10.当井内水文孔冒水，并经测温孔温度计算，冻结壁厚度、强度达到设计值时，开始井筒掘进。

11.当井筒掘进距设计冻结深度剩5～8米时，停止掘进，进行套内壁作业。当复壁正常，并经测温孔计算冻结壁可以满足复壁施工时，即可停止冻结运转，复壁工作结束后，可以进行下一步冻结站拆除及现场清理工作。

• 劳动组织

《深立井井筒冻结工法》的劳动组织安排如下：

1.劳动组织安排，见图3。

2.打钻管理辅助人员配备情况（见表1）。

3.冻结人员配备情况（见表2）。