三人行矿业学院井巷特殊施工(第二章 冻结法(节3 冻结法施工)).ppt

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1、第2章 冻结法,1 概述2 蒸汽压缩制冷3 冻结法施工4 冻结方案5 冻土物理力学性质6 冻结温度场7 冻结壁计算8 冻结井壁9 冻结法设计计算,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.1 冷冻站安装3.2 钻孔施工3.3 井筒冻结3.4 井筒掘进3.5 井筒砌壁3.6 收尾工作,冷冻站位置 冷冻站位置应以供冷、供电、供水和排水方便为原则。同时应不影响永久建筑施工，尽量少占地。为减少冷量损失，冷冻站离井口应尽量近些，一般为一个井筒服务时，距离为20一50米，为主、副两个并筒服务时，位置选在两并中间，距离为50一60米左右，有关防火、通风等应符合安全规程。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.1 冷冻站

2、安装,冷冻站设备布置 冷冻站设备分站内、外两大区域布置。通常，站内区布置蒸发器（盐水箱），朝向井口，接着是低压机、氨液分离器、中间冷却器和高压机。站外区布置集油器、油氨分离器、贮氨器和冷凝器。冷却水池在冷凝器的外侧。冷冻站安装程序 冷冻站安装与打钻同时进行。对于氨压缩机的安装质量应予格外重视、氨压缩机的混凝土基础要严格照图纸施工，其他设备也应按各自的技术质量标准进行安装。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.1 冷冻站安装,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.1 冷冻站安装,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.1 冷冻站安装,管路耐压密封试验耐压密封试验。试验前，先进行氨压缩机的空载及负荷运转，运转

3、累计时间不得少于24小时，合格后，再对氨循环管路压风吹洗，清除管内碎屑杂物，然后进行耐压密封试验。试验可分压气和真空试漏两种。压气试漏时间规定为24小时，开始6小时由于压缩空气冷却，允许压降为0.02一0.03MPa，此后18小时内不再下降为合格。一般试压压力为正常工作压力的1.5倍。为了进一步检查管路的密封性，还要进行真空试验，将管路抽成真空度为0.0973一0.1013MPa，24小时后真空度仍保持在0.09337MPa以上的为合格。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.1 冷冻站安装,管路保温管路密封性试验合格后，应对低压管路和设备进行绝热保温。经保温处理后，一般冷冻站管路和盐水管路冷量损

4、失约占总制冷量的25。我国现场习惯使用棉花作管路保温材料，外缠塑料薄膜，其主要特点是拆装方便，并可复用。一般认为硬质泡沫塑料是一种很好的保温材料，保温层内外应敷设防湿层。绝热层厚度以计算为准。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.1 冷冻站安装,灌盐水及充氨根据设计的密度配制盐水。在灌盐水时，冻结管中的清水因小于盐水的密度而自动排出，灌盐水时应注意经常放空气，使干管、配液圈充满盐水，盐水箱内盐水要高出蒸发器立管200毫米。严禁将浓度很高的盐水直接灌入冻结管内，以防析盐堵管。灌盐水时开动盐水泵，经常循环，以防盐水结晶。盐水灌注后才能充氨，其方法如图所示。充氨前，应先将氨系统抽成真空，液氨由于氨瓶内

5、的压力作用自行流入，当系统内压力高于瓶内压力时，靠压缩机进行充氨，直至充到设计量为止。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.1 冷冻站安装,水源井位置 冷却水水源井位置在冻结法施工中至关重要。为避免人为加大地下水流速，影响冻结壁交圈，水源井的位置应使冻结井筒在其降水漏斗影响范围以外。除此，水源井还应位于地下水流的上游。一般水源井应距冻结井筒300m以上，两水源井间距不小于150m。水源井个数应视冷却水补充数量决定，一般不少于2个。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.1 冷冻站安装,钻孔布置 冻结法凿井所钻的钻孔按用途分为三种：冻结孔、水位观测孔和测温孔。1）冻结孔。冻结孔一般按等距离布置在与井筒

6、同心的圆周上，其圈径的大小由井筒掘进直径、冻结壁厚度、冻结深度及钻孔允许偏斜率来确定。布置冻结孔的圈径可按下式计算：D0Dj2(EdeH)式中 D0冻结孔单圈布置圈径，m；Dj冻结井筒掘进直径，m；冻结壁内侧扩展系数，=0.550.60；Ed冻结壁厚度，m；H冻结深度，m；e冻结孔允许偏斜率，一般要求0.3%。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.2 钻孔施工,钻孔布置 冻结孔数目：N=D0/l式中：N冻结孔数目；D0冻结孔布置圈径，m；l冻结孔间距，一般l=11.3m。求出孔数若为小数，则调整为整数后，再确定孔距。冻结孔的间距一般取0.9一1.3米。这个区间其冻结孔钻进成本、冻结器安装成本及冻

7、结成本之和数值变化不大。当孔间距小于0.9米或大于1.3米时成本有明显的增高。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.2 钻孔施工,钻孔布置 冻结孔多布置在一圈上，近年来由于冻结深度增加，冻结壁加厚，为减少冻结时间，提高冻结壁的承载力，也有布置在两圈上的，两圈冻结孔应相间交错分开。冻结孔的偏斜率一般小于0.5。随着冻结深度的增大，在允许一定偏斜率的情况下，井筒下部的偏斜值将很大，将影响冻结壁的质量和增加冻结时间。国外在冻结深井时规定钻孔偏斜值控制在5001000毫米以内。超过此值就必须纠偏到合格为止，或者重新钻孔。冻结孔的深度按冻结深度来确定，一般情况下，为防止冻结孔底沉渣，冻结孔应较冻结深度大0

8、.5m以上。而冻结深度应根据地质条件来决定，一般要进入不透水层5一15米，以至20m，用以形成“冻结底垫”，防止底部涌冒砂水等事故。冻结孔开孔（深1020m）直径应比正常钻进直径大2040mm。终孔直径应较冻结管外箍大1520mm。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.2 钻孔施工,钻孔布置 2）水位观测孔 水位观测孔一般应打在距井心1米左右的地方，以不影响掘进为宜。孔数为12个，孔数过多会影响掘进工作，其深度不应超过冻结深度但应穿过所有含水层。在主要含水层应装有滤水装置。水位观测孔的作用是：当冻结壁交圈以后，井筒周围形成密封的冻结圆筒，由于土的冻胀作用使孔内之静水位上升以致滥出地面，这是冻结壁

9、交圈的主要标志。必须注意，在安装主要含水层的滤水装置时，绝不可使各含水层连通，以便分层观察其水位变化。如果高压含水层与低压含水层沟通，则将形成地下环流，影响冻结圆柱的交圈时间，若环流流速过大，则可能不交圈。倘若在预定交圈时间仍不交圈，要全面分析不交圈的原因，并及时处理。水文孔不要偏出井简，否则起不到水文观测孔的作用，水文观测孔的套管应高出地面并加盖。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.2 钻孔施工,钻孔布置 3）测温孔 为了确定冻结壁的厚度和开挖时间，在冻结壁内必须打一定数量的测温孔，根据测量温度结果分析判断计算冻结壁峰面即零度等温线的位置。测温孔一般布置在冻结壁外缘界面上。根据冻结孔偏斜情况

10、，也可打在偏斜最大的两孔之间，或打在难以冻结的需要控制观察的主要含水层中。数量按需要而定，一般3一4个。其允许偏斜率与冻结孔相同。我国现场常用铜-康铜热电偶测温。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.2 钻孔施工,冻结孔钻进我国现均使用旋转式钻机钻冻结孔。常用的有XB-100A、红旗1000型，THJ-1500、SPJ-300及DZJ500-1000。其中DZJ500-1000是为打冻结孔和注浆孔设计的专用钻机，属旋转转盘钻机，有较高的打垂直孔的性能。钻机配用镶合金钻头、三翼钻头和牙轮钻头。钻孔前，在井口修筑一个带有轨道的环形平台。平台基础是一个灰土盘。钻机对称布置，钻机及电动机等全部设备均安装

11、在一个带滑撬的铁制或木质梯形台基上，台基可沿轨道滑动，钻完一孔后，钻机向同一方向自行移动。钻场布置好后，安装钻机，钻机应安设水平，主轴应垂直，钻具应处于良好工作状态。开孔时，首先用长1米，直径为219240毫米的岩芯管钻进，钻进至56米后，下放直径为219毫米的套管固井，然后继续钻进。为保持孔垂直，不得把钻杆重量作钻压，只能用钻铤自重作钻压。每10米测斜一次，直至全深。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.2 钻孔施工,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.2 钻孔施工,测斜方法 在钻孔工作中，必须树立“防偏为主、纠偏为辅”的思想，钻进过程中要经常测斜，了解孔的偏斜情况以便采取措施。目前所使用的测斜

12、仪中，都是测得孔长、倾斜角和方位角，再求算偏斜值。常用的测斜方法有：灯光测斜仪（适于浅孔），磁性单点测斜仪和陀螺测斜仪。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.2 钻孔施工,1）磁性单点测斜仪磁性单点测斜仪是由球形磁罗盘及与外壳联在一起的照像机构等部件所组成，整个仪器无论处于何种状态，球罗盘因受地球磁场作用其南、北方向永远不变，球内重锤体因受重力作用，球体竖轴永远指向地球中心。故球罗盘上的经纬线可以直接反映出钻孔的方位角和倾斜角。测斜时，将仪器放入一节非磁性钻铤内，该钻铤由强度很高的镍、铜、铝、铁组成的蒙乃尔合金制成。磁性单点测斜仪外壳装有橡胶扶正器和非磁性钻铤呈同一倾斜状态，按照预定时间拍出照片

13、，用放大镜可以读出方位角和偏斜角。磁性单点测斜仪外套直径44.5毫米，可以在直径50毫米的钻杆内不提钻测斜，精度高、尺寸小、操作简单、耐用价廉。,第2章 冻结法,测斜方法,3 冻结法施工3.2 钻孔施工,2）陀螺测斜仪。JDT和JDT型陀螺测斜仪是我国自行设计制造的精度较高的测斜仪。它用陀螺马达及相应的一套控制系统来保证定向。倾角测量是利用重锤保持垂直当仪器在钻孔中随孔倾斜时，其四个传感器就与重锤发生角度变化，使传感器电压变化，显示出倾角在直角坐标中的两个分量。孔长由电缆长测出，则可计算出所测点的偏斜值、方位及偏斜率。整套仪器由下井仪器、地面量测仪、直流稳压器、变流器、测井电缆、CJ1000型

14、绞车组成。,第2章 冻结法,测斜方法,3 冻结法施工3.2 钻孔施工,第2章 冻结法,纠偏钻孔偏斜原因很多，大致分两类；地质原因：由于地层软硬不同、地层倾斜角度不同、卵石层、大裂隙、空洞等都能引起钻孔偏斜。操作技术原因：导向管安装不正，钻机主铀不垂直，钻杆弯曲，泥浆质量不好，钻压过大、钻孔中有落物等均可引起钻孔偏斜。当孔斜超过允许值，可以刷孔纠偏，也可以把斜孔充填后重新钻进，但必须是减压快转速、慢给进的通过这一孔段。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.2 钻孔施工,第2章 冻结法,冻结管安装 冻结管安装顺序是钻好一个孔，安装一个孔的冻结管。对冻结管的安装要求是：冻结管总长度应符合设计深度；冻结

15、管不漏。为此要对冻结管进行试压和试漏。其后方可安装供液管、回液管与集、配液圈等，构成盐水循环。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.2 钻孔施工,从开始冻结到冻结壁达到设计厚度，这个时期叫积极冻结期，积极冻结期的主要工作是维护冷冻站的正常运转，使用一切测试手段检查冻结壁发展情况，保证高速度、高质量形成冻结壁，创造开挖条件。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.3 井筒冻结,一、二级压缩混合系统的合理使用 这种系统的优点在于能够适应积极陈结期间对盐水温度和冷量变化的要求。积极冻结初期，冻结器中热交换强烈，采用一级压缩比较合理。随着冻结时间的延长，冻结器中热交换强度下降，而需要降低盐水温度增强热交换时

16、，采用二级压缩比较合理。这样可以充分发挥冷冻站设备潜力，提高压缩机的制冷效率。特别在积极冻结期的后朗，盐水温度一般可达到-30以下，对于加快冻结速度是有利的。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.3 井筒冻结,正、反盐水循环的合理使用 在积极冻结期间可根据地层需要冷量情况，灵活运用正反盐水循环，达到既能提前开挖又能不挖冻土的目的。例如深井冻结时，深部地层温度高，可先用正循环而后再用反循环。而浅井冻结时，由于上下岩层温度相差不大，用正循环时会使冻结壁下厚上薄，对提前开挖和下部掘进均不利。根据此种情况，最好初期用反循环，使冻结壁早日交圈提前开挖，而后期用正循环，维护上部冻结壁，加速下部冻结壁扩展速度

17、。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.3 井筒冻结,去、回路盐水温差及流量观察 开始冻结时，去、回路盐水温差较大。但随着冻结壁的形成，热交换强度降低并趋于稳定，去、回路盐水温差也趋于稳定。其值为：冻结深度在100米以内时，其温差为23，深度大于100米时，为34。为了观察每根冻结管盐水冷量供应和盐水流失情况，应在去、回路干管和供液管与回液管上安装流量计，如有流失，及时处理。温度测量 在冻结过程中要经常测量测温孔各点温度变化情况，根据所测数据，求解冻结壁扩展位置，给开挖时间提供可靠依据。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.3 井筒冻结,水位观察孔的水位观察 当冻结壁形成一个封闭圆筒后，因水温下降

18、可能会引起水文孔内水位暂短下降，但随后不久，因冻结壁向井内扩展时体积膨胀，迫使地下水沿水文孔上升，以致冒水，它仅仅表明冻结壁已经初步形成。开挖时间的确定 通过综合资料分析，在水位观察孔水位明显上升，测温孔资料已测知冻土壁位置而冷冻站工作正常以及冻结时间与设计时间基本相符时，可进行试挖。如无异常，则可正式掘进。注意利用天然冷量 积极冻结期最好选择在冬季开工，以便利用天然冷量提高冷冻站的制冷效率。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.3 井筒冻结,作好掘砌前的准备工作 四通一平、临时工业建筑、锁口、井架、井口棚、各种盘台、提升信号系统、压风系统、混凝土搅拌运输系统、试挖、技术培训等。井筒掘进 短断掘

19、砌单行作业。根据掘进进度、土层性质，选用不同段高，掘一段，砌一段，如何提高掘砌效率是冻结井筒施工的关键。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.4 井筒掘进,1）井筒掘进施工的特点井内无淋水、涌水，不需井筒排水设备，无需临时支护，设备除水、防冻。2）掘进段高掘进段高是指掘进段未经支护的高度。地压、掘进速度、平均温度、冻结壁形成过程。目前，国外掘进段高一般取1030m，我国取220m。3）压风除湿设备过滤干燥法：压风入井前通过活性炭和无水氯化钙过滤除湿；压风入井前通过冷凝器，使压风中的水蒸气凝结成水放出，或者使压风通过井口环形沟槽，达到除湿目的,最好利用液压动力工具。,第2章 冻结法,3 冻结法施工

20、3.4 井筒掘进,井筒掘进,4）钻爆法破碎冻土效率较人工提高35倍。浅打眼少装药。0.6m；风化带0.3m；周边眼到冻结管的距离：冲击层1.5m；基岩1.2m。5）冻结管断裂原因：接头质量；冻结壁强度；爆破影响低温冻结工艺，研究冻结管连接方式。6）工作面底鼓与冻结壁变形原因：井筒未冻实，井帮径向超前变形；水位观察孔堵塞，地下冻胀水无出处时，可能导致底鼓。井壁交圈不好，有窗口时，涌砂冒泥和冻结管断裂、盐水漏失，都会导致底鼓。主要措施：冻实，提高冻土强度和稳定性，降低平均温度，减小段高，加快掘进速度，减少井帮暴露时间等。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.4 井筒掘进,井筒掘进,冻结井壁的施工特点

21、1）冻结并壁座落在地压大含水量丰富的不稳定地层，为了抵抗地压，井壁必须有足够的强度、厚度和良好的防水性能；2）矿井投产后，能承受采动压力的影响；3）低温环境下施工，养护条件差，不能达到预期的强度等级；4）有较高的初期强度来限制冻结壁的径向变形。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.5 井筒砌壁,冻结井壁的结构类型1）单层井壁；2）双层井壁；3）复合井壁。3钢筋混凝土复合井壁施工外层井壁采用自上而下的短段掘砌单行作业。内层井壁采用自下而上的一次或分次砌筑到顶的施工方法。近年来，为了提高砌壁效率，保证井壁质量，开始试行多工序平行或部分平行作业的砌壁新工艺。内层井壁一般多使用滑模工艺，其显著特点是：井

22、壁连续浇灌，无接茬缝，整体性和封水性好。模板及液压滑升模板外层井壁一般采用钢模板施工：弧形钢模板和活动钢模板。内层井壁用滑模施工。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.5 井筒砌壁,加快掘砌速度的措施1）处理好冻结和掘砌之间的关系；2）设备维护；3）施工管理；4）施工方法。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.5 井筒砌壁,冻结法施工的收尾工作包括：回收氨、盐水、拆除冷冻站设备及管路，拔冻结管和充填冻结孔等。一般氨及盐水的收回率为70左右。冻结管的收回率一般在浅井可达70一90。因此，搞好回收工作对降低冻结凿井成本具有重要意义。近年来，随着冻结深度的增加，冻结管收回率有所降低，在拔管以后尽管充填了冻结孔，但由于充填质量差，在冻结壁解冻后均有不同程度的地表沉陷，所以在深井冻结是否要拔冻结管还要权衡利害。,第2章 冻结法,3 冻结法施工3.6 收尾工作,