軟巖地層中井筒控制凍結(jié)理論與實踐基本信息

ISBN：978-7-5646-2150-6

版次：1

頁數(shù)：168

字?jǐn)?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(shù)

本書以寧夏等西部地區(qū)軟弱、富含水地層非全井凍結(jié)法建井的凍結(jié)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(chǔ)上，綜合介紹了軟巖地層控制凍結(jié)的溫度場影響因素、控制凍結(jié)溫度場、既有井筒結(jié)構(gòu)保護技術(shù)、凍結(jié)設(shè)計計算理論、非全井凍結(jié)施工工藝及信息化施工技術(shù)等方面的研究成果。

1 概述

1．1 寧東地區(qū)地層的地質(zhì)條件

1．2 人工地層凍結(jié)法

1．3 項目研究的內(nèi)容

2 軟巖地層控制凍結(jié)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(jié)溫度場的數(shù)學(xué)模型

2．5 典型參數(shù)下凍結(jié)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(jié)溫度場數(shù)值計算結(jié)果分析

2．8 凍結(jié)溫度場的多因素回歸

3 人工凍結(jié)凍脹機理及井筒保護措施研究

3．1 凍結(jié)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(jié)物理模擬試驗研究

4．1 模擬試驗方法簡介

4．2 相似準(zhǔn)則與模化設(shè)計

4．3 試驗系統(tǒng)

4．4 試驗過程

4．5 試驗結(jié)果分析

5 軟巖地層既有井筒保護的控制凍結(jié)設(shè)計技術(shù)研究

5．1 常規(guī)的凍結(jié)壁設(shè)計方法

5．2 軟巖地層凍結(jié)壁設(shè)計理論分析

5．3 麥垛山煤礦副井和風(fēng)井的控制凍結(jié)設(shè)計

6 軟巖地層控制凍結(jié)的信息化施工技術(shù)研究

6．1 概述

6．2 凍結(jié)信息化監(jiān)測方案設(shè)計

6．3 麥垛山礦副井人工凍結(jié)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

6．4 麥垛山煤礦回風(fēng)立井凍結(jié)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

《深立井井筒凍結(jié)工法》的質(zhì)量控制要求如下：

1.鉆孔施工質(zhì)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(jié)管下置深度誤差<0.5米，開孔誤差<0.05米。

（3）凍結(jié)管下置完畢后進行打壓試驗，以確保凍結(jié)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(jié)管深度（米）。

2.凍結(jié)施工質(zhì)量要求

（1）凍結(jié)站安裝應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計圖紙施工。凍結(jié)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(shè)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(jié)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(yīng)達到設(shè)計值。

（4）凍結(jié)站開機后，其凍結(jié)器的檢查工作是凍結(jié)工程的重點，為此，加強對凍結(jié)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(jié)成敗的關(guān)鍵。

開機后，應(yīng)重點檢查：

a.凍結(jié)孔各孔流量不小于設(shè)計值。

b.凍結(jié)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(yīng)均勻下降，降幅一般為0.2~0.5℃/天。

（5）開機后應(yīng)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(nèi)水位變化，以及了解凍結(jié)壁交圈情況。

（6）凍結(jié)壁交圈檢驗：

a.當(dāng)經(jīng)過水文孔水位觀察，井筒內(nèi)水文孔水位有規(guī)律上漲，并冒出地面。

b.凍結(jié)器檢查沒有發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

c.測溫孔推算凍結(jié)壁已交圈時，可以認為凍結(jié)壁已交圈。

深立井井筒凍結(jié)工法適用范圍

《深立井井筒凍結(jié)工法》的適用范圍有：

1.凍結(jié)法主要應(yīng)用于地層條件復(fù)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(zhì)條件及地下水流速、流向是凍結(jié)法施工設(shè)計的兩個主要參考指標(biāo)。常規(guī)凍結(jié)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(jié)孔等措施來實施凍結(jié)。

3.根據(jù)凍結(jié)法原理，截至2005年，該工法成功地應(yīng)用于煤炭、水利、交通、地鐵、橋涵、港口、深基礎(chǔ)等地下工程建設(shè)中，為特殊地質(zhì)條件下工程建設(shè)的可靠工法。

深立井井筒凍結(jié)工法工藝原理

《深立井井筒凍結(jié)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(jié)冰性質(zhì)，在立井井筒周圍一定范圍內(nèi)施工鉆孔（凍結(jié)孔），孔深為所需凍深，然后在鉆孔內(nèi)下置凍結(jié)器（凍結(jié)管、供液管等組成），經(jīng)過凍結(jié)站降溫的低溫鹽水（-20~-35℃的氯化鈣水溶液）經(jīng)管路輸送，抵達凍結(jié)器底部，沿凍結(jié)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(jié)管的熱量，使低溫鹽水逐步升溫，并返回到凍結(jié)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(jié)管傳來的熱量。使凍結(jié)管四周溫度逐步降低。結(jié)冰范圍逐步打大形成凍結(jié)圓柱，各個凍結(jié)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(jié)壁。當(dāng)凍結(jié)管的強度與厚度達到設(shè)計要求后，井筒即可開挖。井筒在凍結(jié)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(nèi)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(jié)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(jīng)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(jié)，形成所需之凍結(jié)壁。

深立井井筒凍結(jié)工法施工工藝

• 工藝流程

《深立井井筒凍結(jié)工法》的工藝流程見圖2。

• 操作要點

《深立井井筒凍結(jié)工法》的操作要點如下：

1.根據(jù)地質(zhì)及水文地質(zhì)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(jié)段終止位置的地層特點。根據(jù)地層結(jié)構(gòu)、地下水流速大小及凍結(jié)終止部位的地層含水狀況等資料編制施工組織設(shè)計。對于地下水流速較大的地層，可分別采取減少凍結(jié)孔間距、加大凍結(jié)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(jié)段終止的地層必須是不透水的穩(wěn)定基巖，否則會使凍結(jié)段下部出水，造成透水事故。

2.凍結(jié)孔施工要重點把握凍結(jié)孔開孔位置準(zhǔn)確，各水平鉆孔偏斜率及間距不許超過設(shè)計值。

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

4.凍結(jié)站各設(shè)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(shè)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(jié)水源井的位置，以水井抽水不影響井筒凍結(jié)為原則，要求凍結(jié)水源井應(yīng)距井筒水流上游300米以上。鹽水比重應(yīng)達到設(shè)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(zhuǎn)開機時要掌握系統(tǒng)中各壓力、溫度的變化應(yīng)在正常指標(biāo)的范圍之內(nèi)，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(yīng)加強凍結(jié)器及測溫孔溫度的監(jiān)測。凍結(jié)器應(yīng)檢查每根凍結(jié)管的鹽水流量及去、回路溫度，查看凍結(jié)器結(jié)霜情況，了解凍結(jié)器的運行。測溫孔應(yīng)每天測量記錄，收集原始溫度數(shù)據(jù)。掌握各地層凍結(jié)發(fā)展?fàn)顩r，及時分析異常數(shù)據(jù)。

8.開機20天后，對各個凍結(jié)器進行縱向測溫，從而全面掌握每個凍結(jié)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(yīng)對井內(nèi)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(jié)交圈時間。

10.當(dāng)井內(nèi)水文孔冒水，并經(jīng)測溫孔溫度計算，凍結(jié)壁厚度、強度達到設(shè)計值時，開始井筒掘進。

11.當(dāng)井筒掘進距設(shè)計凍結(jié)深度剩5～8米時，停止掘進，進行套內(nèi)壁作業(yè)。當(dāng)復(fù)壁正常，并經(jīng)測溫孔計算凍結(jié)壁可以滿足復(fù)壁施工時，即可停止凍結(jié)運轉(zhuǎn)，復(fù)壁工作結(jié)束后，可以進行下一步凍結(jié)站拆除及現(xiàn)場清理工作。

• 勞動組織

《深立井井筒凍結(jié)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(jié)人員配備情況（見表2）。

隨著煤礦建并技術(shù)的發(fā)展,特殊鑿井技術(shù)也有了長足的進步，特別是凍結(jié)法施工深厚沖積層井筒的掘砌技術(shù)得到了快速的發(fā)展，形成了鉆孔、凍結(jié)、掘進、砌壁等一系列完整的技術(shù)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(jié)法鑿井的主要原理就是在地面按設(shè)計鉆凍結(jié)鉆孔到預(yù)計需凍結(jié)的深度，然后在凍結(jié)鉆孔內(nèi)下凍結(jié)管，利用凍結(jié)站內(nèi)的制冷設(shè)備壓縮低溫鹽水在凍結(jié)鉆孔內(nèi)循環(huán)流動，形成凍結(jié)帷幕，當(dāng)凍結(jié)帷幕達到設(shè)計強度后，就可以在凍結(jié)帷幕的保護下進行井簡掘砌。

凍結(jié)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(yīng)遵循以下原則。

(1) 當(dāng)水文觀測孔內(nèi)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(shè)計值,證實凍結(jié)壁已全部澆圈，其強度具備開挖條件;

(3) 開挖前的準(zhǔn)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(jié)壁澆圈10 d 后進行，即預(yù)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(shè)備安裝，在開凍120 d 后井筒即可正式開挖。 2100433B