CN111350203A - 冷冻止液装置及冷冻止液方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的冷冻止液装置及冷冻止液方法中，制冷模块输出的冷媒沿冷媒传输通道循环传输，使周围的液体凝固并形成阻隔液体流动的冷冻止液层，避免了地下水对开采作业的影响，尤其是对于露天矿场的软岩边坡区域，边坡地下水被冷冻后的结构稳定性和隔水性大大增强。其采用的是物理方法，无需耗费形成阻水结构的材料，当冷冻止液层完全成型后，维持冰冻只需低功率运行，成本低但效果优良，特别适合高寒环境下开采作业。最重要的是，待完成开采，水资源在冷冻止液层融化后可恢复原状，不会如疏干降水一般造成水位的大幅下降，实现固土控水，是有利于生态可持续发展的绿色开采作业辅助方案，对于在矿产资源丰富的草原地区的植被保护具有重大意义。
Description
技术领域
本发明涉及土壤保水开采的技术领域，尤其是涉及冷冻止液装置及冷冻止液方法。
背景技术
目前的开采现场，土壤中往往存在可能会影响开采作业的水资源，比如在矿山开采的作业现场，矿山中地下水资源十分丰富，当地下水涌出时可能会导致开采效率的降低甚至导致开采作业的停止，并且还可能会引发安全隐患，尤其是在露天矿场常见类型的软岩边坡区域的开采作业，流动的水很容易引发软岩边坡的地形破坏，进而发生险情。
针对这一问题，业界以往常规的技术方案包括：采取疏干降水来排除作业现场的水、进行帷幕注浆形成阻水帷幕、设置局部混凝土防水墙等疏堵结合的方法。但是，这些技术方案都有着明显的缺陷，首先对于疏干降水的方法，作业现场的水资源往往是巨量的，利用该方法需要耗费较大的资源，造成作业成本大幅增加，而且其会影响整个区域的水资源分布，影响水位，将会对包括地表植被在内的局部区域生态系统造成严重破坏，不利于生态可持续发展，特别地，在矿产资源丰富的内蒙等草原地区，为了保护当地草原的生态系统，实现土壤保水开采尤为重要；而对于帷幕注浆的方法，需要使用大量的注浆材料来形成阻水帷幕，耗费成本同样较高，而且所形成的阻水帷幕限于水量少的区域，在水量过多的区域难以形成有效的阻挡，注浆材料也同样会对生态环境造成不利的影响；同理地，设置局部混凝土防水墙也需要大量的混凝土材料，也同样难以在水量过多的区域形成有效的阻挡，形成的混凝土难以处理，也会对生态环境造成不利的影响。
由此，有必要提出更加有效的解决方案。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本发明采用了如下的技术方案：
本发明提供了一种冷冻止液装置，所述冷冻止液装置包括制冷模块、冷媒传输通道以及动力模块。其中，所述冷媒传输通道的两端分别与所述制冷模块连通，用于供所述制冷模块输出的冷媒沿所述冷媒传输通道循环传输，以使所述冷媒传输通道周围的目标区域中的液体凝固并形成阻隔液体流动的冷冻止液层，所述动力模块用于为所述冷媒的传输提供动力。
优选地，所述冷媒传输通道安装至土壤中开设的安装孔内。
优选地，所述安装孔的开口处设置有隔热保温层，所述冷媒传输通道穿过所述隔热保温层。
优选地，所述隔热保温层包括反射隔热膜。
优选地，所述动力模块包括至少一个增压泵，当所述增压泵为多个时，多个增压泵依照沿所述冷媒传输通道上相等的间隔长度均匀地间隔分布。
优选地，所述冷冻止液装置还包括温度监测模块，所述温度监测模块用于监测所述目标区域的温度并进行显示。
优选地，所述冷冻止液装置还包括制冷调节模块，所述制冷调节模块用于获取所述温度监测模块所测得的目标区域的温度，根据所述目标区域的温度按照预编程序调节所述制冷模块的输出功率。
优选地，所述冷冻止液装置还包括定时模块，所述定时模块用于根据预编的时序控制程序对所述制冷模块和所述动力模块的启停进行控制。
优选地，所述冷媒包括液氮、甲烷和乙烷的衍生物、制冷用共沸溶液以及制冷用无机化合物中的任意一种制冷剂。
本发明还提供了一种冷冻止液方法，所述冷冻止液方法包括：在目标区域内开设安装孔；采用如上所述的冷冻止液装置，将所述冷冻止液装置的冷媒传输通道安装至所述安装孔内；启动所述冷冻止液装置的制冷模块和动力模块，使所述制冷模块输出的冷媒沿所述冷媒传输通道循环传输，以令所述冷媒传输通道周围的目标区域中的液体凝固并形成阻隔液体流动的冷冻止液层。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
以冷冻方法形成用于阻挡地下水的冷冻止液层，地下水被冷冻后的结构稳定性和隔水性大大增强，能完全满足开采的要求，尤其是能满足露天矿场常见的软岩边坡区域的要求；
无需耗费形成阻水结构的材料，也即不会存在阻水材料残留的问题，当冷冻止液层完全成型后，维持冰冻状态只需以较低的功率输出，所需成本较低但效果优良，经济效益高，适合在常年处于低温的高寒环境下的开采作业，冷冻止液层更容易实现，对制冷模块的功率等要求较低；
结构简易便于安装，现区域开采完毕后转移装置较为便捷；
开采作业完成后，冷冻止液层可以融化，现区域的水资源可再次恢复原状，不会如现有技术的疏干降水方案一般造成水位的大幅下降甚至干涸，实现固土控水，避免生态系统受到破坏，是有利于生态可持续发展的绿色开采作业辅助方案，特别对于在矿产资源丰富的草原地区的植被保护具有重大意义。
附图说明
图1是为本发明提供的冷冻止液装置的一种实施方式对应的结构示意图；
图2为所述冷冻止液装置的另一种实施方式对应的结构示意图；
图3为所述冷冻止液装置的在又一种实施方式对应的原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。
结合图1和图2所示，本发明提供了一种冷冻止液装置，所述冷冻止液装置包括制冷模块1、冷媒传输通道2以及动力模块3。
其中，所述冷媒传输通道2的两端分别与所述制冷模块1连通，用于供所述制冷模块1输出的冷媒沿所述冷媒传输通道2循环传输，以使所述冷媒传输通道2周围的目标区域中的液体凝固并形成阻隔液体流动的冷冻止液层，构成冷冻循环系统，所述动力模块3用于为所述冷媒的传输提供动力。
由此，将所述冷冻止液装置应用到开采现场，通过使在采矿掘进方向形成阻隔液体流动的冷冻止液层，矿坑周围能够构建一个冰墙的封闭体系，能够实现土壤中地下水的有效阻隔，获得一个安全的开采、生产以及操作领域，从而避免了地下水对开采效率的影响。尤其是对于露天矿场常见类型的软岩边坡区域，边坡地下水被冷冻后的结构稳定性和隔水性大大增强，能完全满足开采的阻水要求和安全要求。不同于现有技术中进行帷幕注浆形成阻水帷幕和设置局部混凝土防水墙等方案，其采用的是物理方法，无需耗费形成阻水结构的材料，也即不会存在阻水材料残留的问题，而且当冷冻止液层完全成型后，维持冰冻状态只需较低的功率输出即可实现，所需成本较低但效果优良，经济效益高，特别适合在常年处于低温的高寒环境下的开采作业，冷冻止液层更容易实现，对制冷模块1的功率等要求较低。采用所述冷冻止液装置，当现区域的开采工作完成后，可以按原定方案继续向当前方向掘进，所述冷冻止液装置一次性投入在后续采矿过程中随掘进方向移动进行装置设备搬迁即可。而最重要的是，由于冷冻止液层仅是土壤中的液体被暂时冻结所形成的，待完成现区域的开采工作完成后，冷冻止液层可以自然融化或者通过人工助融，现区域的水资源在冷冻止液层融化后可再次恢复原状，不会如现有技术的疏干降水方案一般造成水位的大幅下降甚至干涸，能够实现固土控水，避免生态系统受到破坏，是一种有利于生态可持续发展的绿色开采作业辅助装置，特别对于在矿产资源丰富的草原地区的植被保护具有重大意义。
当然，以上所述仅为冷冻止液装置形成所述冷冻止液层所必要的基本结构，在此基础上，上述冷冻止液装置还可以进行进一步的改进，可以增加更多细节的具体设置，具备更多的功能，获得更多的优点，详细示例请参照以下所述内容：
如图2所示，作为一种具体的实施方式，所述冷媒传输通道2通过安装至土壤中开设的安装孔4内，使冷媒传输通道2周围土壤中的液体凝固并形成阻隔液体流动的冷冻止液层。在实际作业过程中，在考虑到土壤的不同稳固性，可以先在采矿掘进方向通过钻孔的方式均匀地开设所述安装孔4，来布置所述冷媒传输通道2到土壤中。其中，所述安装孔4的数量可以根据所述制冷模块1的功率、由所述冷媒传输通道2构成的制冷循环系统的制冷面积自行设定。
进一步地，所述安装孔4的开口处设置有隔热保温层41，所述冷媒传输通道2穿过所述隔热保温层41。通过在所述安装孔4的开口处设置隔热保温层41，能够隔绝安装孔3与外界在其开口处的热量交换，使所述安装孔3所处环境构成一个保温系统，达到确保安装孔4内的低温效果的作用，进一步节省能耗。
示例性地，所述隔热保温层41包括反射隔热膜。隔热保温层41中包括有反射隔热膜，构成反射系统，能够将外界的光进行反射，防止吸收光线的热量造成温度上升，尤其是能对对太阳光谱中的红外热量起到持久反射隔热作用，有利于进一步确保安装孔4内的低温效果。
在本实施例中，所述制冷模块1可以选用常规制冷机组，所述动力模块3可以选用常规制冷剂增压泵，其中，所述动力模块3包括至少一个增压泵，当所述增压泵为多个时，多个增压泵依照沿所述冷媒传输通道上相等的间隔长度均匀地间隔分布。示例性地，所述动力模块3包括外部设置的一个增压总泵31以及依照沿所述冷媒传输通道2上相等的间隔长度均匀地间隔分布的分段加压泵32。如上所述，由于在实际的开采作业中，需要形成冷冻止液层来进行阻水的目标区域一般范围较大，所以造成所述冷媒传输通道2将会随之设置长度较大，虽然不同的增压泵的输出压力有所不同，但是对于仅靠一个增压总泵31的动力仍是一般不足以推动长距离传输的制冷剂的，因此，设置多个分段加压泵32均匀分布到各段冷媒传输通道2上，能够起到中继点的作用，保证整个冷媒传输通道2中的冷媒能够稳定地获得足够的动力进行传输。
如上所述，上述冷冻止液装置还可以进行进一步的改进，参照图3所示出的各模块之间的控制信号及连接关系，例如：作为一种具体的实施方式，示例性地，所述冷冻止液装置还包括温度监测模块5，所述温度监测模块5用于监测所述目标区域的温度并进行显示。通过上述温度监测模块5的设置，能够实时监测目标区域的温度，由此，用户能够及时根据目标区域的温度对制冷模块1的输出功率进行对应的调整，比如当发现温度达到对应阈值，冷冻止液层完全成型后，可以相应地调低功率输出使得恰好维持冰冻状态，达到降低能耗，进一步压缩作业成本。
更进一步地，所述冷冻止液装置还可以包括制冷调节模块6，所述制冷调节模块6用于获取所述温度监测模块5所测得的目标区域的温度，根据所述目标区域的温度按照预编程序调节所述制冷模块1的输出功率。也即是说，所述制冷调节模块6能够实时根据所述温度监测模块5所测得的目标区域温度，凭借预先编译的程序自动调节所述制冷模块1的输出功率，使得功率输出的调节更为智能化。其中，用户可以自行考量实际环境等因素的影响，通过编程对具体的调节策略进行调整，以达到最佳的调节效果。
示例性地，所述冷冻止液装置还包括定时模块7，所述定时模块7用于根据预编的时序控制程序对所述制冷模块1和所述动力模块3的启停进行控制。由此，用户可以利用所述定时模块7定时地启动或者关停所述冷冻止液装置，能够配合开采作业的时间安排，使得所述冷冻止液装置的工作更为智能化。
所述冷媒具体可以根据实际需要选用，本实施例中，所述冷媒包括但不限于液氮、甲烷和乙烷的衍生物、制冷用共沸溶液以及制冷用无机化合物中的任意一种制冷剂。示例性地，所述制冷用无机化合物可以选用液氨或者二氧化碳，所述甲烷和乙烷的衍生物可以选用氟利昂。
另外，本实施例中，所述冷冻止液层的厚度由土壤中液体的量所决定，一般地，冷冻止液层的厚度为50～100厘米即可达到开采作业的要求。
以下为本发明提供的冷冻止液装置的两个实际使用例：
矿区的地下水水位为20米，矿层埋深100米，开采方式为露天开采，通过上述冷冻止液装置在矿区内先将首采区冷冻，安装孔4的深度设置为105米，安装孔4需做止水处理，每隔30cm布置一个安装孔4，安装孔4内布置耐高压无缝钢管为所述冷媒传输通道2，所述冷媒选用氟利昂，布置好安装孔4并铺设所述冷媒传输通道2后开始制冷工作，经过连续15天制冷工作后，在冷冻区域打水文孔，发现孔内已无地下水，说明冷冻效果良好，可以进行采矿作业，后续使冷冻区域维持冷冻状态，待本区域矿物开采完成后冷冻止液装置向掘进方向移动继续制冷止液工作。
矿区的地下水水位为30米，矿层埋深80米，开采方式为矿井内开采，通过上述冷冻止液装置在矿区内先将首采区冷冻，安装孔4的深度设置为85米，安装孔4需做止水处理，每隔30cm布置一个安装孔4，安装孔4内布置耐高压无缝钢管为所述冷媒传输通道2，所述冷媒选用液氨，布置好安装孔4并铺设所述冷媒传输通道2后开始制冷工作，经过连续12天制冷工作后，在冷冻区域打水文孔，发现孔内已无地下水，说明冷冻效果良好，可以进行采矿作业，后续使矿井内的温度维持在-5℃左右以避免局部高温对冷冻止液层造成破坏，待本区域矿物开采完成后冷冻止液装置向掘进方向移动继续制冷止液工作。
本发明还提供了一种冷冻止液方法，包括：
在目标区域内开设安装孔4；
采用如上所述的冷冻止液装置，将所述冷冻止液装置的冷媒传输通道2安装至所述安装孔4内；
启动所述冷冻止液装置的制冷模块1和动力模块3，使所述制冷模块1输出的冷媒沿所述冷媒传输通道2循环传输，以令所述冷媒传输通道2周围的目标区域中的液体凝固并形成阻隔液体流动的冷冻止液层。
上述冷冻止液方法的实施完全可以参照前述的冷冻止液装置相关内容，此处不再赘述。
综上所述，本发明提供的冷冻止液装置及冷冻止液方法，利用所述制冷模块1输出的冷媒沿所述冷媒传输通道2循环传输，以使所述冷媒传输通道2周围的目标区域中的液体凝固并形成阻隔液体流动的冷冻止液层，地下水被冷冻后的结构稳定性和隔水性大大增强，能完全满足开采的要求；其无需耗费形成阻水结构的材料，也即不会存在阻水材料残留的问题，当冷冻止液层完全成型后，维持冰冻状态只需以较低的功率输出，所需成本较低但效果优良，经济效益高；装置的结构简易便于安装，转移便捷；关键的是，开采作业完成后，冷冻止液层可以融化，现区域的水资源可再次恢复原状，不会如现有技术的方案一般造成水位的大幅下降甚至干涸，实现固土控水，能避免生态系统受到破坏，是有利于生态可持续发展的绿色开采作业辅助方案。本发明十分适合在露天矿场常见的软岩边坡区域、常年处于低温的高寒环境下的开采现场以及产资源丰富的草原地区所进行的开采作业。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (10)
1.一种冷冻止液装置，其特征在于，包括制冷模块、冷媒传输通道以及动力模块，
其中，所述冷媒传输通道的两端分别与所述制冷模块连通，用于供所述制冷模块输出的冷媒沿所述冷媒传输通道循环传输，以使所述冷媒传输通道周围的目标区域中的液体凝固并形成阻隔液体流动的冷冻止液层，所述动力模块用于为所述冷媒的传输提供动力。
2.根据权利要求1所述的冷冻止液装置，其特征在于，所述冷媒传输通道安装至土壤中开设的安装孔内。
3.根据权利要求2所述的冷冻止液装置，其特征在于，所述安装孔的开口处设置有隔热保温层，所述冷媒传输通道穿过所述隔热保温层。
4.根据权利要求3所述的冷冻止液装置，其特征在于，所述隔热保温层包括反射隔热膜。
5.根据权利要求1所述的冷冻止液装置，其特征在于，所述动力模块包括至少一个增压泵，当所述增压泵为多个时，多个增压泵依照沿所述冷媒传输通道上相等的间隔长度均匀地间隔分布。
6.根据权利要求1所述的冷冻止液装置，其特征在于，所述冷冻止液装置还包括温度监测模块，所述温度监测模块用于监测所述目标区域的温度并进行显示。
7.根据权利要求6所述的冷冻止液装置，其特征在于，所述冷冻止液装置还包括制冷调节模块，所述制冷调节模块用于获取所述温度监测模块所测得的目标区域的温度，根据所述目标区域的温度按照预编程序调节所述制冷模块的输出功率。
8.根据权利要求1所述的冷冻止液装置，其特征在于，所述冷冻止液装置还包括定时模块，所述定时模块用于根据预编的时序控制程序对所述制冷模块和所述动力模块的启停进行控制。
9.根据权利要求1所述的冷冻止液装置，其特征在于，所述冷媒包括液氮、甲烷和乙烷的衍生物、制冷用共沸溶液以及制冷用无机化合物中的任意一种制冷剂。
10.一种冷冻止液方法，其特征在于，包括：
在目标区域内开设安装孔；
采用如权利要求1至9任一项所述的冷冻止液装置，将所述冷冻止液装置的冷媒传输通道安装至所述安装孔内；
启动所述冷冻止液装置的制冷模块和动力模块，使所述制冷模块输出的冷媒沿所述冷媒传输通道循环传输，以令所述冷媒传输通道周围的目标区域中的液体凝固并形成阻隔液体流动的冷冻止液层。
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| CN111350203A true CN111350203A (zh) | 2020-06-30 |
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|---|---|---|---|
| CN202010153418.1A Pending CN111350203A (zh) | 2020-03-06 | 2020-03-06 | 冷冻止液装置及冷冻止液方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4039016A1 (de) * | 1990-12-04 | 1992-08-27 | Tholl Juergen Dipl Ing | Gefrierdamm-wasserzufuhrschutz fuer tagebaue |
| CN106759245A (zh) * | 2016-12-16 | 2017-05-31 | 中国矿业大学 | 露天煤矿开采冻结含水层的保水方法 |
| CN107524459A (zh) * | 2016-12-26 | 2017-12-29 | 北京城建集团有限责任公司 | 一种地铁暗挖车站竖井和横通道的冻结止水结构和方法 |
| CN109236367A (zh) * | 2018-10-11 | 2019-01-18 | 沈阳建筑大学 | 一种具有防渗排水功能的隧道结构及其冻结施工方法 |
| CN212129188U (zh) * | 2020-03-06 | 2020-12-11 | 呼伦贝尔东明矿业有限责任公司 | 冷冻止液装置 |
-
2020
- 2020-03-06 CN CN202010153418.1A patent/CN111350203A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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