深立井井筒冻结工法形成原因

根据热力学原理，利用制冷机组，进行热功转换，从被冷冻的物质中抽取热量，使其逐步降温达到预定温度的一种工艺方法。

将冻结法这一原理应用于地下岩土工程，进行人工冻土，截至2005年，在国际上已有130多年的历史。在中国也有五十多年，所开凿的井筒冻结深度由最初的百米到2005年的560多米，表土深度由最初的50多米达到了525米，已成为煤炭行业通过特殊地层的主要施工方法，随着冻结技术的发展，它已逐步应用于公路、桥梁、隧道、地铁等行业，成为解决特殊地质条件下，进行地下工程施工的主要施工工法。

利用水冻结成冰这一现象，通过制冷机组及其他辅助设施，在井筒周围冻结形成一个不透水的筒状冻结壁，井筒开挖在冻结壁的保护下进行，《深立井井筒冻结工法》的显著特点如下：

1.极大地改善了井筒施工条件

因冻结壁隔断了地下水与井筒开挖工作面的联系，使井筒掘进工作环境大为改观，取消了排水设施，省去了排水费用，改善了施工环境。

2.解决了普通法凿井难以解决的问题

当井筒地质条件复杂，井筒穿过流砂、淤泥、深厚黏土等不稳定地层，采取其他施工方法难以通过时，冻结法是顺利通过特殊地层的最有效手段。

3.极大地提高掘进速度

因井筒掘砌环境的改善，排水等辅助设施的取消，使井筒掘进速度大为提高。

4.适用范围广

利用冻结原理，该工法可广泛应用于地铁、桥涵、港口、深基础及其他地下工程建设中。

深立井井筒冻结工法适用范围

《深立井井筒冻结工法》的适用范围有：

1.冻结法主要应用于地层条件复杂，地层松软，有流砂及淤泥等特殊不稳定地层，用普通法无法进行地下工程施工的地层。

2.地质条件及地下水流速、流向是冻结法施工设计的两个主要参考指标。常规冻结一般要求地下水流速度小于10米/天，流速大时可采取加密冻结孔等措施来实施冻结。

3.根据冻结法原理，截至2005年，该工法成功地应用于煤炭、水利、交通、地铁、桥涵、港口、深基础等地下工程建设中，为特殊地质条件下工程建设的可靠工法。

深立井井筒冻结工法工艺原理

《深立井井筒冻结工法》的工艺原理叙述如下：

制冷工艺包括：a.盐水循环系统；b.氨循环系统；c.冷却水循环系统。

1.盐水循环系统

利用水的低温结冰性质，在立井井筒周围一定范围内施工钻孔（冻结孔），孔深为所需冻深，然后在钻孔内下置冻结器（冻结管、供液管等组成），经过冻结站降温的低温盐水（-20~-35℃的氯化钙水溶液）经管路输送，抵达冻结器底部，沿冻结管与供液管之间的环状空间上升，此时低温盐水吸收地层传给冻结管的热量，使低温盐水逐步升温，并返回到冻结站，进行再次冷却，这就是盐水循环系统。低温盐水吸收冻结管传来的热量。使冻结管四周温度逐步降低。结冰范围逐步打大形成冻结圆柱，各个冻结圆柱不断扩展，两两相连，形成一封闭的具有一定厚度和强度的冻结壁。当冻结管的强度与厚度达到设计要求后，井筒即可开挖。井筒在冻结壁的保护下安全施工。

2.冷却水系统

在冷凝器中，冷却水不断地流过冷凝器，吸收内部氨相态变化所放出的热量，并使冷却水水温升高，这就是冷却水循环系统。

综上所述，冻结法凿井的基本原理，就是盐水从地层中吸收热量，并将其热量传递给氨，氨经压缩机压缩后，将这部分热量传递给冷却水，最后由冷却水把热量散发到大自然中。这样通过三大循环，逐步地将地层降温并冻结，形成所需之冻结壁。

深立井井筒冻结工法施工工艺

• 工艺流程

《深立井井筒冻结工法》的工艺流程见图2。

• 操作要点

《深立井井筒冻结工法》的操作要点如下：

1.根据地质及水文地质资料，全面掌握井筒所穿过的地层特性、地下水的流速与流向、冻结段终止位置的地层特点。根据地层结构、地下水流速大小及冻结终止部位的地层含水状况等资料编制施工组织设计。对于地下水流速较大的地层，可分别采取减少冻结孔间距、加大冻结管直径或布置双圈孔等措施以克服水流的冷量散失。对于冻结段终止的地层必须是不透水的稳定基岩，否则会使冻结段下部出水，造成透水事故。

2.冻结孔施工要重点把握冻结孔开孔位置准确，各水平钻孔偏斜率及间距不许超过设计值。

3.冻结管打压试漏合格，深度达到设计要求，并根据测斜情况绘制各水平冻结交圈图以备后用。

4.冻结站各设备管路安装完毕后，进行氨系统、盐水系统、冷却水系统的打压试漏工作，做到不渗不漏，设备单台及联合试运行正常。

5.根据地下水流向，确定好冻结水源井的位置，以水井抽水不影响井筒冻结为原则，要求冻结水源井应距井筒水流上游300米以上。盐水比重应达到设计要求。首次充氨量宜适量，随着盐水温度的降低，系统液氨须不断地加以补充。

6.试运转开机时要掌握系统中各压力、温度的变化应在正常指标的范围之内，如有异常要及时加以处理。

7.随着制冷系统的运行，盐水温度逐渐降低，地层温度也随之而降，此时应加强冻结器及测温孔温度的监测。冻结器应检查每根冻结管的盐水流量及去、回路温度，查看冻结器结霜情况，了解冻结器的运行。测温孔应每天测量记录，收集原始温度数据。掌握各地层冻结发展状况，及时分析异常数据。

8.开机20天后，对各个冻结器进行纵向测温，从而全面掌握每个冻结器的运行状况及各水平地层的冻土发展情况。

9.开机后应对井内水文孔及井外参考水井的水位进行每日观测，记录水文孔水位变化，掌握含水地层的冻结交圈时间。

10.当井内水文孔冒水，并经测温孔温度计算，冻结壁厚度、强度达到设计值时，开始井筒掘进。

11.当井筒掘进距设计冻结深度剩5～8米时，停止掘进，进行套内壁作业。当复壁正常，并经测温孔计算冻结壁可以满足复壁施工时，即可停止冻结运转，复壁工作结束后，可以进行下一步冻结站拆除及现场清理工作。

• 劳动组织

《深立井井筒冻结工法》的劳动组织安排如下：

1.劳动组织安排，见图3。

2.打钻管理辅助人员配备情况（见表1）。

3.冻结人员配备情况（见表2）。

《深立井井筒冻结工法》所用的设备明细如下：

1.打钻设备

截至2005年，中国国内常用的打钻设备，有DZJ-500/1000型、TSJ-2000E型等钻机，与之配套的有TBW-850/50型、TBW-120/TB型泥浆泵。

2.测斜设备

常用的有灯光测斜仪和陀螺测斜仪。灯光测斜仪适用于浅冻结孔，陀螺测斜仪为2005年前使用的较多的测斜仪。其中JDT-3型、JDT-5A型测斜仪均可实现不提钻测斜，所测结果可以自动打印。

3.冻结设备

主机及附属设备包括：

（1）主机

主要有氨工质的8AS-12.5、8AS-17、8AS-25等活塞式压缩机，螺杆机有25CF、KA20C等。

（2）附属设备

主要有冷凝器、蒸发器、中冷器、油分器、储液器、盐水泵、清水泵等设备、管路、阀门。

《深立井井筒冻结工法》的质量控制要求如下：

1.钻孔施工质量要求

（1）钻孔偏斜：

在冲积层中要求偏斜率<0.3%，基岩段<0.5%。钻孔孔间距：冲积层<3米、基岩段<5米。

（2）冻结管下置深度误差<0.5米，开孔误差<0.05米。

（3）冻结管下置完毕后进行打压试验，以确保冻结管不渗不漏。试验压力公式为P=P₁ 2（d-1）H/10，式中P₁——盐水泵压（千克/平方厘米）；d——盐水比重；H——冻结管深度（米）。

2.冻结施工质量要求

（1）冻结站安装应严格按设计图纸施工。冻结站安装完毕后，对氨系统进行打压试漏试验压力：

高压系统18千克/平方厘米；中压14千克/平方厘米；低压12千克/平方厘米；观察24小时，压力降<0.2千克/平方厘米为合格。

（2）开机前，对三大循环系统从单台设备、单个系统到整体系统进行逐步试运行，确认各系统运行良好后方可进行化盐水、充氨等最后工序。

（3）冻结站盐水降温在0℃以上，每天不得超过5℃，盐水达到0℃以下时，每天不少于2℃，一般在开机40～60天后，盐水温度应达到设计值。

（4）冻结站开机后，其冻结器的检查工作是冻结工程的重点，为此，加强对冻结器运行状况的检查和对测温孔数据的分析是确保冻结成败的关键。

开机后，应重点检查：

a.冻结孔各孔流量不小于设计值。

b.冻结孔纵向温度自上而下，比较均匀无突变点现象。

c.测温孔温度应均匀下降，降幅一般为0.2~0.5℃/天。

（5）开机后应对水文孔水位及井筒四周参考井水位进行观测，掌握地下水位与井筒内水位变化，以及了解冻结壁交圈情况。

（6）冻结壁交圈检验：

a.当经过水文孔水位观察，井筒内水文孔水位有规律上涨，并冒出地面。

b.冻结器检查没有发现异常现象。

c.测温孔推算冻结壁已交圈时，可以认为冻结壁已交圈。

《深立井井筒冻结工法》除严格遵守《煤矿安全规程》、《矿山井巷工程施工及验收规范》等规程、规定之外，为保证工法的顺利实施，还应注意的主要安全措施有：

1.打钻部分

（1）安、拆钻塔要有专人统一指挥，有秩序的进行，严禁塔上、塔下平行作业。

（2）高空作业人员要戴安全帽，系安全带，穿防滑鞋，所用工具要用工具包接送，防止坠物伤人。

（3）钻孔期间要严格按照操作规程作业，并做好防雷、防火等防护工作。

2.冻结部分

（1）加强各种设备、管路的巡查，杜绝氨、盐水、油的跑、冒、漓、漏现象，各种压力容器按有关规定进行试验。

（2）冻结站内要做好防火、防爆、防毒等安全防护工作。冻结制冷操作人员要有防毒面具、橡胶手套等防护用品。

（3）冬期施工不得赤手触及金属物件，场地周围应采取防滑措施，供水管路采用保温材料包扎，当停止供水时，应及时将设备和管路内的水放净。雨期施工时，应了解当地情况，要安装避雷针，连接好接地极。

《深立井井筒冻结工法》无污染，对周围环境大气、土壤、地下水没有有害影响。该工法对冷却水系统进行改进，相比其他施工工法可以节省了大量水，同时选用新型高效的冷冻机，可以节省电费，符合国家节能降耗的方针。

《深立井井筒冻结工法》的效益分析如下：

冻结法凿井主要用于特殊地层条件下的井筒掘进，在冲积层较深，地层含流砂、淤泥等条件，采用普通施工方法难以通过时采用。虽然冻结法施工成本较高，但综合考虑工期、质量、施工速度等因素，冻结法在特殊地质条件下具有优越性，截至2005年，若一个井筒要穿过赋存在300米以下的富水厚砂层，或350米以下的厚黏土层，采用其他施工工艺可能无法通过，但是采用冻结法施工，施工速度快，效益好，所以立井井简冻结法凿井是解决复杂地质条件下井筒顺利掘进的有效工法。

《深立井井筒冻结工法》的应用实例如下：

• 实例1

郭屯煤矿隶属于山东鲁能集团菏泽煤电公司，设计生产能力240万吨/年。郭屯煤矿主井表土

层埋深587.5米，强风化带底板埋深609.8米，弱风化带底板埋深614.0米，冻结深度为702米。中煤第一建设公司特殊凿井处运用立井井筒冻结施工工法，安全、顺利完成冻结工程。

• 实例2

口孜东煤矿风井井筒冻结工程，该矿风井表土层厚度573.2米，冻结深度626米，井简净直径7.5米。表土深，净径大、地压大，冻土蠕变性大，地质条件极其复杂。由于采用深立井冻结工法，口孜东煤矿风井井简达到提前开挖。

• 实例3

山东郓北煤矿副井冻结工程，副井表土层厚度为536.63米，冻结深度为590米。中煤第一建设公司特殊凿井处采用立井冻结工法，于2006年11月6日开机冻结。

2008年01月31日，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2005-2006年度国家级工法的通知》建质[2008]22号，《深立井井筒冻结工法》被评定为2005-2006年度国家一级工法。 2100433B

随着煤矿建并技术的发展,特殊凿井技术也有了长足的进步，特别是冻结法施工深厚冲积层井筒的掘砌技术得到了快速的发展，形成了钻孔、冻结、掘进、砌壁等一系列完整的技术系统，已成为施工深厚冲积层立井井简主要的施工方法。

冻结法凿井的主要原理就是在地面按设计钻冻结钻孔到预计需冻结的深度，然后在冻结钻孔内下冻结管，利用冻结站内的制冷设备压缩低温盐水在冻结钻孔内循环流动，形成冻结帷幕，当冻结帷幕达到设计强度后，就可以在冻结帷幕的保护下进行井简掘砌。

冻结井简施工适时开挖，是加快井简施工速度、缩短工期的重要一环。开挖过早，会发生片帮甚至通砂透水;开挖过迟,随着冻土墙的不断扩展，会增加施工难度，影响施工进度。因此，并简开挖时间应遵循以下原则。

(1) 当水文观测孔内的水位已有规律地上升并冒水;

(2) 测温孔的温度已降至设计值,证实冻结壁已全部浇圈，其强度具备开挖条件;

(3) 开挖前的准备工作均已就绪,完全具备井筒施工条件。

根据以上条件开挖时间一般选定在冻结壁浇圈10 d 后进行，即预计主机开冻90 d后试挖,井简试挖30 m 后进行吊盘及其他凿井悬吊设备安装，在开冻120 d 后井筒即可正式开挖。 2100433B

内容介绍

《深立井与隧道工程理论和实践(2000-2008年学术论文选集)》以重大地下岩土工程的关键技术研究、设计和施工为基础，以单篇论文的形式阐述了深立井井筒开凿、隧道施工理论和技术的创新、发展及推广应用。主要内容包括：深立井开凿实用钻爆新技术研究和应用，立井冻结基岩深孔钻爆掘进和大段高砌壁，深立井硬岩深孔钻爆参数的研究与应用，特厚表土层大直径深立井冻结法施工及关键技术研究，深冻结立井高膨胀巨厚黏土层安全快速施工，深立井综合机械化配套快速高效施工，立井井筒基岩段工作面预注浆，小直径深立井施工提升系统设计和应用，立井冻结段内壁可缩装置设计思路及安装工作，井筒装备设计与施工，两井共用一个转水站的排水系统设计与安装，隧道出口段高压旋喷注浆加固设计与施工等。

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