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文檔簡介

凍結法施工井筒表土第一頁,共五十九頁。中國:1955年開灤470個井筒,總延米70km含水、不穩定沖積層90%采用凍結法凍結深度650米,穿越沖積層厚度為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深度最大的,達930m,但其凍結地層僅為645-930m的局部含水不穩定巖層,而非表土層;在煤礦建井中凍結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。第二頁,共五十九頁。凍結法鑿井利用氨循環制冷系統。為形成能抵抗地壓、隔絕地下水的凍結壁,首先在欲開挖井筒周圍鉆進一定數量凍結孔,安設凍結器。凍結站制出的-25~-35℃低溫鹽水,經去路鹽水干管(12)、配液圈(13)到供液管底部、沿凍結管和供液管之間的環形空間上升到回液管、集液圈(15)、回路鹽水干管(16)至蒸發器(2)——形成鹽水循環設計原理第三頁,共五十九頁。低溫鹽水在凍結器中流動,吸收周圍地層熱量,形成凍結圓柱,凍結圓柱逐漸擴大并連接成封閉的凍結壁,直至達到其設計厚度和強度。通常將凍結壁擴展到設計厚度所需的時間稱為積極凍結期,將維護凍結壁的期間稱作消極(或維護)凍結期。第四頁,共五十九頁。吸收了地層熱量的鹽水,在鹽水箱內將熱量傳遞給蒸發器中的液氨,使液氨變為飽和蒸氣氨,再被氨壓縮機(4)壓縮成過熱蒸氣進入冷凝器(7)冷卻,將地層和壓縮機產生的熱量傳遞給冷卻水,最后將這些熱量傳給大氣。第五頁,共五十九頁。凍結法鑿井主要工藝過程包括: ——冷凍站安裝 ——鉆孔施工 ——井筒凍結 ——井筒掘砌等四項主要內容三大關鍵技術:凍結壁、井壁、凍結孔鉆進施工過程第六頁,共五十九頁。凍結方案針對不同水文、地質和工程條件,采用不同凍結方案,以達到最佳經濟效益。實際工程常用凍結方案有:一次凍全深所有凍結孔的深度與最大凍結深度一致,并且全深一次凍結形成凍結壁的凍結方式。包括單圈管、雙圈管和異徑管。第七頁,共五十九頁。

凍結方案一般采用單圈管凍結方案,即只在井筒周圍布置一圈凍結管當表土厚,要求凍結壁厚、平均溫度低時可采用雙圈管凍結,即在井筒周圍布置兩圈凍結管為加速上部凍結,盡早開挖,可采用上粗下細異徑管凍結,上部凍結管吸熱面積大,凍結快,下部管吸熱面積小,凍結慢。第八頁,共五十九頁。

長短管(差異)凍結方案長短管凍結,又稱“差異凍結”——指凍結管的深度不同,長短管交錯布置于一圈上,一次凍結形成凍結壁的凍結方式。此方案主要用于同時凍結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是凍結基巖、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壁。第九頁,共五十九頁。分段(分期)凍結方案當凍結深度較大,且水文、工程地質條件比較適宜時,可將整個凍結深度自上而下分為數段,分段凍結形成凍結壁。這一方案的凍結管布置方式與一次凍全深相同,只是采用不同結構的凍結器來實現分段凍結的目的。分期凍結凍結器1配液圈2集液圈3閥門4凍結管5、6供、回液管

第十頁,共五十九頁。

局部凍結方案當只有局部地層需要凍結時,可采用局部凍結方案。局部凍結凍結器隔板(b)壓氣隔離(c)鹽水隔離(d)上下凍結第十一頁,共五十九頁。凍結深度

凍結深度應穿過風化帶延深至穩定的基巖10m以上。基巖段涌水較大時,應加深凍結深度

----《煤礦安全規程》第十二頁,共五十九頁。凍結孔的布置圈徑:D0=Dj+2(ηEd+eH)式中D0

——凍結孔單圈布置的圈徑,mDj——凍結井筒掘進直徑,mEd

——凍結壁厚度,m

η——凍結壁內側擴展系數,0.55—0.6e——凍結孔允許偏斜率,3‰H——凍結深度,m第十三頁,共五十九頁。凍結孔的布置凍結孔數目:N=πD0

/L式中:N——凍結孔數目,個

D0

——凍結孔圈徑,m

L——凍結孔間距,1-1.3m

若計算結果為小數,則調整為整數后,再確定孔距第十四頁,共五十九頁。凍結站實際制冷能力Q0

=KπdnHq式中:Q0

——凍結一個井筒的實際制冷能力,kwK

——管路冷量損失系數,K=1.1-1.25d——凍結管直徑,mn——凍結管數目,個H——凍結深度,mq——凍結管的吸熱率,q=0.26-0.29kw/m2第十五頁,共五十九頁。凍結管的吸熱率----單位時間、單位面積凍結管內的鹽水帶走的熱量q-凍結管吸熱率,w/m2;t0-地層初始溫度;tc-鹽水溫度-凍結管內換熱系數,70-128w/m2kr0-凍結管半徑,m;R-凍結影響半徑,m

-凍結圓柱擴展半徑,m-融土和凍土的導熱系數第十六頁,共五十九頁。井筒凍結時間

T=ηEd/v式中:T-凍結時間,d

η-凍結壁向井心內的擴散系數,0.55~0.6Ed-凍結壁設計厚度,mmv-向井筒中心的平均擴展速度,mm/d經驗值:礫石層v=35~45mm/d砂層v=20~25mm/d粘土層v=10~15mm/d第十七頁,共五十九頁。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,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%第十八頁,共五十九頁。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、回路鹽水溫差第十九頁,共五十九頁。鹽水體積V=V1+V2+V3V1-鹽水干管、配、集液圈總容積V2-凍結管總容積V3-鹽水箱總容積第二十頁,共五十九頁。固體氯化鈣用量G=ρVa/bρ-鹽水密度V-鹽水體積a-單位質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=0.70第二十一頁,共五十九頁。主副井均采用凍結施工先凍結主井,后凍結副井--順序凍結凍結站實際制冷能力=主井維護凍結+副井積極凍結Q0=Q0f+(0.25~0.5)Q0z式中:Q0-冷凍站實際制冷能力,kwQ0f-副井積極凍結所需制冷量,kwQ0z-主井積極凍結所需制冷量,kw影響砂層凍結壁變形的主要因素是凍結壁平均溫度影響粘土凍結壁的因素要復雜得多,主要為地壓、凍結壁平均溫度和段高第二十二頁,共五十九頁。凍結溫度場--凍結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

求凍結壁的平均溫度,確定凍土強度;l

確定凍結鋒面的位置,計算凍結壁的厚度;l

計算熱量,確定凍結站的制冷能力;l確定凍結壁的擴展速度,估算積極凍結時間。

第二十三頁,共五十九頁。隨著凍結壁厚度設計計算方法的發展,凍結壁材料經歷了多種假設,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壁材料模式(a)完全彈性(b)部分彈性、部分塑性(c)完全塑性第二十四頁,共五十九頁。S1T1Domke;T2ViscousS3T3Mises;S4T4TrescaS5T5Mohr-CoulombS6T6Drucker-Prager

凍結壁厚度與井深的關系(a)

無內支護(b)有內支護,2MPaS砂,φ=30°,c=1.15MPa,K=4MPa,B=2T粘土,φ=0°,c=2MPa,K=4MPa,B=4第二十五頁,共五十九頁。Lame和Clapeyron(1883)假設凍土體材料為完全彈性體,將厚壁圓筒按軸對稱平面應變來處理,得凍結壁厚度計算公式:式中,q是凍土的無側限抗壓強度,p0是上覆地層壓力,a是凍結壁內半徑。若采用第四強度理論,則Lame公式修正為Lame將凍結壁視為無限長彈性厚壁圓筒,符合淺部地壓較小的凍結壁工作狀況,當表土厚小于100m時,Lame公式適用第二十六頁,共五十九頁。Domke(1915)認為凍結壁屬無限長彈塑性厚壁圓筒,凍結管布置圈外為彈性區,布置圈內為塑性區,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,假設凍土區為塑性區,得出凍結壁厚度計算公式

式中,ф—凍土內摩擦角。對于無內支撐狀況相當符合第二十七頁,共五十九頁。4立井工程凍結法Klein(1981)引入凍土“內摩擦角”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公式適用于凍結深度<200m。實際工程中一般采用短段掘砌方式施工凍結井筒,采用有限段高進行凍結壁厚度的計算將更為符合實際。第二十八頁,共五十九頁。凍結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壁厚度,假設:(1)凍結壁外側水平地壓為(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,得到凍結壁厚度式中,h—施工段高,m;K—安全系數,一般1.1~1.2;σt—與凍結壁暴露時間相關的凍土長時抗壓強度,MPa第二十九頁,共五十九頁。前蘇聯學者維亞洛夫、扎列茨基采用與里別爾曼基本相同的假設,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,(1)井內未凍實,可視為上端固定,下端不固定,

=1;(2)井內凍實,可視為上下兩端均固定,

=0.5。第三十頁,共五十九頁。我國學者根據已有工程經驗,利用數理統計的方法,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,推導出經驗公式:第三十一頁,共五十九頁。工程實例簡介凍結法早就成功用于含水、不穩定表土層中立井井筒的開鑿,這一領域的工程實例很多。1.中國淮南潘謝礦區淮南潘謝礦區于1973年開發,至1989年共施工井筒19個,其中16個采用凍結法,設計采用Domke公式計算凍結壁厚度,凍土強度安全系數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之間第三十二頁,共五十九頁。井筒名稱井筒凈直徑(m)表土層厚(m)凍結壁凍結管測溫孔數(個)標準制冷能力(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)凍結孔數(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潘一東風井6.5292.5-10.011.55.3615.038221792-301974潘一中央風井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潘二西風井6.5284-7.511.54.8416.03831792-301976潘二南風井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潘三中央風井6.6210.4-10.012.02.3513.03433745.5-301979潘三東風井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13外42內12

5618.7-301983潘一東二風井7.0291.811.5外17內13外6內124

-301989我國潘謝礦區立井凍結工程情況

第三十三頁,共五十九頁。謝橋副井原凍結孔布置第三十四頁,共五十九頁。3龍固礦副井龍固礦井位于山東省巨野縣境內,設計生產能力為600萬噸/年,立井開拓,設兩主一副一風四個井筒,在同一工業廣場內,主井、風井采用鉆井法施工;副井井筒的表土段及基巖上部含水層段采用凍結法施工。

第三十五頁,共五十九頁。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至凍結深度650m,地溫由21℃上升至36.7℃

第三十六頁,共五十九頁。龍固礦副井--完成試驗工作

凍結溫度導熱系數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第三十七頁,共五十九頁。龍固礦井副井粘土凍結溫度測試結果匯總表層位試樣編號含水量(%)凍結溫度(℃)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FUDJ7-116.48-4.28FUDJ7-218.96-2.31第三十八頁,共五十九頁。龍固礦副井凍結設計參數⑴凍結方案:主圈加雙圈輔助孔方案⑵凍結孔布置圈徑:內15.5m/中21m/外27m⑶凍結孔數:內18個/中24個/外46個⑷凍結孔深度:內圈573m

中圈長短管650(573)m外573m⑸凍結方式:兩圈輔助孔200m以上雙供液管第三十九頁,共五十九頁。龍固礦副井凍結設計參數⑹開機至開挖時間:160天;開挖至停機時間390天;凍結總工期550天。控制層(567.7m)凍結壁達到設計厚度時間409天⑺預計控制層凍土發展速度:向內22mm/d、向外10mm/d;⑻計算掘砌段高:2.0m第四十頁,共五十九頁。凍結方式主圈(外圈)孔采用局部凍結,凍結范圍380~573m,確保表土層及強風化帶凍結壁厚度和強度。中圈輔助孔采用差異凍結,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泥巖中;短腿深度573m,穿過第三系及強風化帶。內圈輔助孔采用全深凍結,深度573m,穿過第三系及強風化帶,上部防片幫,下部降低井幫溫度、提高凍結壁強度,且保證強風化帶凍結強度。第四十一頁,共五十九頁。凍結管外圈凍結管0~380m采用φ140×6mm優質低碳鋼無縫管,380m以下采用φ159×7mm優質低碳鋼無縫管,內管箍連接。中圈孔、輔助孔0~300m采用φ159×6mm優質低碳鋼無縫管,300m以下采用φ159×7mm優質低碳鋼無縫管。

供液管:φ75×6mm聚乙稀塑料軟管

第四十二頁,共五十九頁。第四十三頁,共五十九頁。根據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壁厚度

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

第四十四頁,共五十九頁。4立井工程凍結法第四十五頁,共五十九頁。凍結壁厚度設計取值≤400m:7.8m>400m:10.5m

第四十六頁,共五十九頁。序號名稱型號單位數量生產廠家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施工設備表

第四十七頁,共五十九頁。尚未完全解決的問題凍結壁變形與凍結管斷裂——現象:凍結壁變形、凍結管斷裂——措施:超低溫、凍實、減少段高,強行通過——實質:凍結壁,尤其是深部凍土的形成特性、力學性質、與未凍土的相互作用、與施工力學行為的關系第四十八頁,共五十九頁。

凍結井壁破裂:——現象:70多深厚表土凍結井壁發生破裂——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、井壁安全監測技術——實質:深部土體(未凍土、融土)力學特性 深部地層與井壁相互作用關系第四十九頁,共五十九頁。未來工程對理論和施工技術的要求華東地區巨野井田 沖積層600~700m、第三系、第四系含水層 ——必須采用特殊鑿井技術前提:超深厚土凍結鑿井理論與技術第五十頁,共五十九頁。4立井工程凍結法待解決和研究中的理論與技術問題三個理論 n

超深厚表土(凍土)荷載理論

——深部地層初始應力 ——深土物理、力學性質 ——深凍、融土物

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