软岩地层中井筒控制冻结理论与实践目录

1 概述

1．1 宁东地区地层的地质条件

1．2 人工地层冻结法

1．3 项目研究的内容

2 软岩地层控制冻结的温度场影响规律数值模拟研究

2．1 有限单元法基本理论

2．2 ANSYS计算软件简介

2．3 ANSYS热分析与相变问题

2．4 井筒控制冻结温度场的数学模型

2．5 典型参数下冻结温度场数值计算

2．6 温度场影响规律的数值计算方案

2．7 冻结温度场数值计算结果分析

2．8 冻结温度场的多因素回归

3 人工冻结冻胀机理及井筒保护措施研究

3．1 冻结过程中的水分迁移规律

3．2 冻胀模型的建立

3．3 土体冻胀性分类

3．4 冻土的冻胀影响因素

3．5 既有井筒保护措施的研究

4 软岩地层控制冻结物理模拟试验研究

4．1 模拟试验方法简介

4．2 相似准则与模化设计

4．3 试验系统

4．4 试验过程

4．5 试验结果分析

5 软岩地层既有井筒保护的控制冻结设计技术研究

5．1 常规的冻结壁设计方法

5．2 软岩地层冻结壁设计理论分析

5．3 麦垛山煤矿副井和风井的控制冻结设计

6 软岩地层控制冻结的信息化施工技术研究

6．1 概述

6．2 冻结信息化监测方案设计

6．3 麦垛山矿副井人工冻结监测数据分析

6．4 麦垛山煤矿回风立井冻结监测数据分析

6．5 井壁保护效果分析

附录 控制冻土边界热盐水循环系统及装置

参考文献 2100433B

本书以宁夏等西部地区软弱、富含水地层非全井冻结法建井的冻结壁和井壁为研究对象，在解析计算、数值模拟、模拟试验和工程实测研究的基础上，综合介绍了软岩地层控制冻结的温度场影响因素、控制冻结温度场、既有井筒结构保护技术、冻结设计计算理论、非全井冻结施工工艺及信息化施工技术等方面的研究成果。

ISBN：978-7-5646-2150-6

版次：1

页数：168

字数：26200

印刷时间：2016-09-02

印次：1

装帧：平装

分类：一般工业技术

《深立井井筒冻结工法》的质量控制要求如下：

1.钻孔施工质量要求

（1）钻孔偏斜：

在冲积层中要求偏斜率<0.3%，基岩段<0.5%。钻孔孔间距：冲积层<3米、基岩段<5米。

（2）冻结管下置深度误差<0.5米，开孔误差<0.05米。

（3）冻结管下置完毕后进行打压试验，以确保冻结管不渗不漏。试验压力公式为P=P₁ 2（d-1）H/10，式中P₁——盐水泵压（千克/平方厘米）；d——盐水比重；H——冻结管深度（米）。

2.冻结施工质量要求

（1）冻结站安装应严格按设计图纸施工。冻结站安装完毕后，对氨系统进行打压试漏试验压力：

高压系统18千克/平方厘米；中压14千克/平方厘米；低压12千克/平方厘米；观察24小时，压力降<0.2千克/平方厘米为合格。

（2）开机前，对三大循环系统从单台设备、单个系统到整体系统进行逐步试运行，确认各系统运行良好后方可进行化盐水、充氨等最后工序。

（3）冻结站盐水降温在0℃以上，每天不得超过5℃，盐水达到0℃以下时，每天不少于2℃，一般在开机40～60天后，盐水温度应达到设计值。

（4）冻结站开机后，其冻结器的检查工作是冻结工程的重点，为此，加强对冻结器运行状况的检查和对测温孔数据的分析是确保冻结成败的关键。

开机后，应重点检查：

a.冻结孔各孔流量不小于设计值。

b.冻结孔纵向温度自上而下，比较均匀无突变点现象。

c.测温孔温度应均匀下降，降幅一般为0.2~0.5℃/天。

（5）开机后应对水文孔水位及井筒四周参考井水位进行观测，掌握地下水位与井筒内水位变化，以及了解冻结壁交圈情况。

（6）冻结壁交圈检验：

a.当经过水文孔水位观察，井筒内水文孔水位有规律上涨，并冒出地面。

b.冻结器检查没有发现异常现象。

c.测温孔推算冻结壁已交圈时，可以认为冻结壁已交圈。

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）。

随着煤矿建并技术的发展,特殊凿井技术也有了长足的进步，特别是冻结法施工深厚冲积层井筒的掘砌技术得到了快速的发展，形成了钻孔、冻结、掘进、砌壁等一系列完整的技术系统，已成为施工深厚冲积层立井井简主要的施工方法。

冻结法凿井的主要原理就是在地面按设计钻冻结钻孔到预计需冻结的深度，然后在冻结钻孔内下冻结管，利用冻结站内的制冷设备压缩低温盐水在冻结钻孔内循环流动，形成冻结帷幕，当冻结帷幕达到设计强度后，就可以在冻结帷幕的保护下进行井简掘砌。

冻结井简施工适时开挖，是加快井简施工速度、缩短工期的重要一环。开挖过早，会发生片帮甚至通砂透水;开挖过迟,随着冻土墙的不断扩展，会增加施工难度，影响施工进度。因此，并简开挖时间应遵循以下原则。

(1) 当水文观测孔内的水位已有规律地上升并冒水;

(2) 测温孔的温度已降至设计值,证实冻结壁已全部浇圈，其强度具备开挖条件;

(3) 开挖前的准备工作均已就绪,完全具备井筒施工条件。

根据以上条件开挖时间一般选定在冻结壁浇圈10 d 后进行，即预计主机开冻90 d后试挖,井简试挖30 m 后进行吊盘及其他凿井悬吊设备安装，在开冻120 d 后井筒即可正式开挖。 2100433B