CN102287190A - 一种高梯度非均质冻结壁的冻结方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高梯度非均质冻结壁的冻结方法，采用“盐水+液氮”的混合冻结模式，其在井筒周围的土体需冻结处布设冻结管，冻结壁内侧布设盐水冻结管，外围布设液氮冻结管。所述液氮冻结管布置一排，盐水冻结管至少布设一排，每一排都布置成圆环状。盐水冻结管为两排及以上时，其最内排的圆环圈径大小应确保开挖时井帮温度不高于有利于井帮稳定的理想值；盐水冻结管的盐水温度设定应保证能形成由内而外逐渐降低的温度场。本发明冻结管布法形成的温度场具有明显的高梯度非均匀性。相比常规盐水冻结，相同荷载条件下，此种布管方式形成的冻结壁厚度小但具有更高的承载力，这样会使冻胀融沉量减小，且冻结孔造孔工程量减小、冻结工期缩短。

Description

一种高梯度非均质冻结壁的冻结方法

技术领域

本发明属于井筒冻结施工领域，涉及超深井筒冻结法施工中的冻结方法，尤其是非均质冻结壁的冻结方法。

背景技术

冻结法凿井是我国应用最广泛的井筒特殊施工方法，至今已经完成近600个井筒。经过近几十年的发展，煤炭深部资源开采问题日益突出。进入21世纪后不少新建矿井的冲积层厚度超过600米，冻结深度最大达到702米。因此研究解决深厚冲积层的井筒施工技术成为我国深井开发中的突出问题。

现阶段深井冻结主要采用多排管盐水冻结系统，如图1、图2所示，多排盐水冻结管11冻结形成的温度场近似可看成均匀分布的，由于冻土材料性质与温度近似呈正比，因此冻结壁12也可近似为均质体。其主要缺点有：

(1)深井冻结需要较厚的冻土帷幕，因此采用盐水制冷系统必然导致冻结管排数较多，相应的冻结孔孔数较多，增加了打孔的成本。另一方面，随着冻土范围的扩大和厚度的增加，土体冻胀融沉对周边环境带来的影响将加剧。

(2)深井冻结在深厚粘土层中，由于冻土的扩展速度慢、强度低、冻结壁蠕变位移大，成为井筒掘砌过程中冻结管断裂和井壁破坏的主要原因。

(3)随着开挖表土层厚度的增大，冻结深度增加，地压加大，冻结壁径向变形量过大，易导致冻结管断裂，井壁破裂漏水等事故。

(4)盐水冻结需要较长的时间，特别在深井冻结中，再考虑到多排盐水冻结中打冻结孔的时间，冻结工期很长。

发明内容

本发明的目的在于针对在深井施工中上述多排盐水冻结的缺陷，提供一种高梯度非均质冻结壁的冻结方法，采用“盐水+液氮”的混合冻结模式，按特殊的方式布置盐水冻结管和液氮冻结管，使冻结壁温度场形成内低外高的高梯度非均匀分布，进而构造出一种高梯度非均质、具有优越的特殊力学性质的冻结壁结构。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种非均质冻结壁的冻结方法，其在井筒周围的土体需冻结处布设冻结管，冻结壁内侧布设盐水冻结管，外围布设液氮冻结管。

所述液氮冻结管仅有一排，盐水冻结管至少布设一排，每一排都布置成圆环状，盐水冻结管位于液氮冻结管内侧，因而盐水冻结管的圆环圈径小于液氮冻结管的圆环圈径。

所述盐水冻结管和液氮冻结管的总排数由冻结壁厚度确定。

所述液氮冻结管的圆环圈径＝井筒半径+冻结壁厚度-0.5×液氮冻结区厚度d，其中液氮冻结区厚度d常为4～6m。

所述液氮冻结管的排内孔距为1.5～2.0m。

所述盐水冻结管的排数＝[冻结壁厚度-液氮冻结区厚度d]/盐水冻结管排间距l。

所述盐水冻结管的排间距为1.5～2.0m，排内孔距为1.2～1.8m。

所述盐水冻结管为两排及以上时，其最内排的圆环圈径大小应确保开挖时井帮温度不高于有利于井帮稳定的理想值；盐水冻结管的盐水温度设定应保证能形成由内而外逐渐降低的温度场。

本发明用盐水+液氮制冷系统代替传统的单一盐水制冷系统。其中内排冻结管仍使用盐水冻结，最外排冻结管采用液氮制冷。由于液氮的超低相变温度可在外围形成较低温的冻土，而内排盐水冻结温度相对较高，整体可以形成一种内部温度较高而外部温度较低的冻土帷幕，冻土帷幕最低温度较传统盐水冻结大为降低，冻结温度场沿径向有很明显的不均匀性，这样可弥补单一盐水冻结的缺陷。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：

(1)力学分析表明，在考虑冻结壁塑性发展的深井冻结壁计算中，具有内部冻土偏弱、向外迅速增强的高梯度不均匀特性的冻结壁有利于充分发挥其承载能力。

(2)一方面盐水+液氮冻结系统相比传统单一盐水冻结可以使冻结管排数减少；另一方面，由于最外排冻结管采用液氮制冷，能够将深层土体冷却到传统盐水冻结所远远达不到的温度，制冷效果强于传统盐水冻结，因此冻结壁厚度减小，同时最外排液氮冻结管的圈径也会相对减小，再加上液氮冻结效果好，液氮管的排内孔距也会相应增大；综合以上两个方面可以发现盐水+液氮冻结系统可以使得冻结孔数量显著减少，降低冻结孔的施工成本和工期。

(3)由于深部液氮汽化释放的冷量极大，相比传统盐水冻结，冻土形成时间大为减小，加快了冻结进度，减少冻结工期。并且在深部液氮冻结形成的冻土帷幕温度明显低于传统盐水冻结，冻结强度高。

(4)相比传统盐水冻结布管排数少，此种布管方式形成的冻结壁厚度小，加上液氮冻结速度快，冻胀融沉量也会较小。

(5)液氮冻结管在纵向上的温度分布可通过采用特殊冻结器得到控制，从而使得冻结壁纵向的温度可控，易于形成符合冻结壁的受力特征的上部温度高、下部温度低的纵向温度场分布，可以避免液氮资源的浪费。

附图说明

图1是现有技术的冻结方法的冻结管横向布设图。

图2是现有技术的冻结方法的冻结管纵向布设图。

图3是本发明的冻结方法的冻结管横向布设图。

图4是本发明的冻结方法的冻结管纵向布设图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明一种非均质冻结壁的冻结方法，按特殊的方式布置盐水冻结管和液氮冻结管，可形成高梯度非均质冻结壁3。其采用冻结壁3内侧盐水冻结、外侧液氮冻结的模式，构成冻结壁径向由内而外温度逐渐降低的温度场，即由内而外各排冻结管内盐水温度或氮气工作温度逐级递减，盐水温度控制在-24～-34℃的范围，氮气工作温度根据需要可调，一般控制在-180℃以上。

本发明的冻结管布管方式如图3和图4(以两排盐水管及一排液氮管为例)所示，内排为盐水冻结管1，最外排为一排液氮冻结管2。具体设计中应遵循如下原则：

1本发明中冻结管总排数由冻结壁3的厚度所决定，视具体情况来排布冻结管。

2最外排液氮管2的圈径由冻结壁3厚度及液氮冻结可形成冻土帷幕厚度的能力决定。

近似可表示为液氮管圈径＝井筒半径+冻结壁厚度-0.5×液氮冻结区厚度d，其中液氮冻结区厚度d常为4～6m。

3内排盐水冻结管1排数由冻结壁3厚度及液氮冻结区厚度d确定，盐水冻结管1排间距l一般为1.5～2.0m。因此盐水冻结管1排数＝[冻结壁厚度-液氮冻结区厚度d]/l。

盐水冻结管布置时应注意：1)最内排盐水冻结管的圈径大小应保证开挖时井帮温度不高于有利于井帮稳定的理想值，一般为-8℃～-12℃。盐水冻结管1的盐水温度设定需保证能形成由内而外逐渐降低的温度场。

4液氮冻结管2的排内孔距4一般为1.5～2.0m，但要保证在一定时间内冻土可以完成交圈并形成环向分布较均匀的理想温度场。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非均质冻结壁的冻结方法，其在井筒周围的土体需冻结处布设冻结管，其特征在于：冻结壁内侧布设盐水冻结管，外围布设液氮冻结管。

2.如权利要求1所述的非均质冻结壁的冻结方法，其特征在于：所述液氮冻结管仅有一排，盐水冻结管至少布设一排，每一排都布置成圆环状。

3.如权利要求2所述的非均质冻结壁的冻结方法，其特征在于：所述盐水冻结管和液氮冻结管的总排数由冻结壁厚度确定。

4.如权利要求2所述的非均质冻结壁的冻结方法，其特征在于：所述液氮冻结管的圆环圈径＝井筒半径+冻结壁厚度-0.5×液氮冻结区厚度d，其中液氮冻结区厚度d常为4～6m。

5.如权利要求2所述的非均质冻结壁的冻结方法，其特征在于：所述液氮冻结管的排内孔距为1.5～2.0m。

6.如权利要求2所述的非均质冻结壁的冻结方法，其特征在于：所述盐水冻结管的排数＝[冻结壁厚度-液氮冻结区厚度d]/盐水冻结管排间距l。

7.如权利要求2所述的非均质冻结壁的冻结方法，其特征在于：所述盐水冻结管的排间距为1.5～2.0m，排内孔距为1.2～1.8m。

8.如权利要求2所述的非均质冻结壁的冻结方法，其特征在于：所述盐水冻结管为两排及以上时，其最内排的圆环圈径大小应确保开挖时井帮温度不高于有利于井帮稳定的理想值；盐水冻结管的盐水温度设定应保证能形成由内而外逐渐降低的温度场。

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