專利名稱：一種高梯度非均質凍結壁的凍結方法
技術領域：
本發(fā)明屬于井筒凍結施工領域，涉及超深井筒凍結法施工中的凍結方法，尤其是非均質凍結壁的凍結方法。
背景技術：
凍結法鑿井是我國應用最廣泛的井筒特殊施工方法，至今已經完成近600個井筒。經過近幾十年的發(fā)展，煤炭深部資源開采問題日益突出。進入21世紀后不少新建礦井的沖積層厚度超過600米，凍結深度最大達到702米。因此研究解決深厚沖積層的井筒施工技術成為我國深井開發(fā)中的突出問題?，F階段深井凍結主要采用多排管鹽水凍結系統(tǒng)，如圖1、圖2所示，多排鹽水凍結管11凍結形成的溫度場近似可看成均勻分布的，由于凍土材料性質與溫度近似呈正比，因此凍結壁12也可近似為均質體。其主要缺點有(1)深井凍結需要較厚的凍土帷幕，因此采用鹽水制冷系統(tǒng)必然導致凍結管排數較多，相應的凍結孔孔數較多，增加了打孔的成本。另一方面，隨著凍土范圍的擴大和厚度的增加，土體凍脹融沉對周邊環(huán)境帶來的影響將加劇。(2)深井凍結在深厚粘土層中，由于凍土的擴展速度慢、強度低、凍結壁蠕變位移大，成為井筒掘砌過程中凍結管斷裂和井壁破壞的主要原因。(3)隨著開挖表土層厚度的增大，凍結深度增加，地壓加大，凍結壁徑向變形量過大，易導致凍結管斷裂，井壁破裂漏水等事故。(4)鹽水凍結需要較長的時間，特別在深井凍結中，再考慮到多排鹽水凍結中打凍結孔的時間，凍結工期很長。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對在深井施工中上述多排鹽水凍結的缺陷，提供一種高梯度非均質凍結壁的凍結方法，采用“鹽水+液氮”的混合凍結模式，按特殊的方式布置鹽水凍結管和液氮凍結管，使凍結壁溫度場形成內低外高的高梯度非均勻分布，進而構造出一種高梯度非均質、具有優(yōu)越的特殊力學性質的凍結壁結構。為達到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是一種非均質凍結壁的凍結方法，其在井筒周圍的土體需凍結處布設凍結管，凍結壁內側布設鹽水凍結管，外圍布設液氮凍結管。所述液氮凍結管僅有一排，鹽水凍結管至少布設一排，每一排都布置成圓環(huán)狀，鹽水凍結管位于液氮凍結管內側，因而鹽水凍結管的圓環(huán)圈徑小于液氮凍結管的圓環(huán)圈徑。所述鹽水凍結管和液氮凍結管的總排數由凍結壁厚度確定。所述液氮凍結管的圓環(huán)圈徑=井筒半徑+凍結壁厚度-0. 5X液氮凍結區(qū)厚度d， 其中液氮凍結區(qū)厚度d常為4 6m。所述液氮凍結管的排內孔距為1. 5 2. 0m。
所述鹽水凍結管的排數=[凍結壁厚度-液氮凍結區(qū)厚度d]/鹽水凍結管排間距 1。所述鹽水凍結管的排間距為1. 5 2. 0m，排內孔距為1. 2 1. 8m。所述鹽水凍結管為兩排及以上時，其最內排的圓環(huán)圈徑大小應確保開挖時井幫溫度不高于有利于井幫穩(wěn)定的理想值；鹽水凍結管的鹽水溫度設定應保證能形成由內而外逐漸降低的溫度場。本發(fā)明用鹽水+液氮制冷系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一鹽水制冷系統(tǒng)。其中內排凍結管仍使用鹽水凍結，最外排凍結管采用液氮制冷。由于液氮的超低相變溫度可在外圍形成較低溫的凍土，而內排鹽水凍結溫度相對較高，整體可以形成一種內部溫度較高而外部溫度較低的凍土帷幕，凍土帷幕最低溫度較傳統(tǒng)鹽水凍結大為降低，凍結溫度場沿徑向有很明顯的不均勻性，這樣可彌補單一鹽水凍結的缺陷。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(1)力學分析表明，在考慮凍結壁塑性發(fā)展的深井凍結壁計算中，具有內部凍土偏弱、向外迅速增強的高梯度不均勻特性的凍結壁有利于充分發(fā)揮其承載能力。(2) 一方面鹽水+液氮凍結系統(tǒng)相比傳統(tǒng)單一鹽水凍結可以使凍結管排數減少； 另一方面，由于最外排凍結管采用液氮制冷，能夠將深層土體冷卻到傳統(tǒng)鹽水凍結所遠遠達不到的溫度，制冷效果強于傳統(tǒng)鹽水凍結，因此凍結壁厚度減小，同時最外排液氮凍結管的圈徑也會相對減小，再加上液氮凍結效果好，液氮管的排內孔距也會相應增大；綜合以上兩個方面可以發(fā)現鹽水+液氮凍結系統(tǒng)可以使得凍結孔數量顯著減少，降低凍結孔的施工成本和工期。(3)由于深部液氮汽化釋放的冷量極大，相比傳統(tǒng)鹽水凍結，凍土形成時間大為減小，加快了凍結進度，減少凍結工期。并且在深部液氮凍結形成的凍土帷幕溫度明顯低于傳統(tǒng)鹽水凍結，凍結強度高。(4)相比傳統(tǒng)鹽水凍結布管排數少，此種布管方式形成的凍結壁厚度小，加上液氮凍結速度快，凍脹融沉量也會較小。(5)液氮凍結管在縱向上的溫度分布可通過采用特殊凍結器得到控制，從而使得凍結壁縱向的溫度可控，易于形成符合凍結壁的受力特征的上部溫度高、下部溫度低的縱向溫度場分布，可以避免液氮資源的浪費。


圖1是現有技術的凍結方法的凍結管橫向布設圖。圖2是現有技術的凍結方法的凍結管縱向布設圖。圖3是本發(fā)明的凍結方法的凍結管橫向布設圖。圖4是本發(fā)明的凍結方法的凍結管縱向布設圖。
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明一種非均質凍結壁的凍結方法，按特殊的方式布置鹽水凍結管和液氮凍結管，可形成高梯度非均質凍結壁3。其采用凍結壁3內側鹽水凍結、外側液氮凍結的模式，構成凍結壁徑向由內而外溫度逐漸降低的溫度場，即由內而外各排凍結管內鹽水溫度或氮氣工作溫度逐級遞減，鹽水溫度控制在 _34°C的范圍，氮氣工作溫度根據需要可調，一般控制在_180°C以上。本發(fā)明的凍結管布管方式如圖3和圖4(以兩排鹽水管及一排液氮管為例)所示， 內排為鹽水凍結管1，最外排為一排液氮凍結管2。具體設計中應遵循如下原則1本發(fā)明中凍結管總排數由凍結壁3的厚度所決定，視具體情況來排布凍結管。2最外排液氮管2的圈徑由凍結壁3厚度及液氮凍結可形成凍土帷幕厚度的能力決定。近似可表示為液氮管圈徑=井筒半徑+凍結壁厚度-0. 5 X液氮凍結區(qū)厚度d，其中液氮凍結區(qū)厚度d常為4 6m。3內排鹽水凍結管1排數由凍結壁3厚度及液氮凍結區(qū)厚度d確定，鹽水凍結管1 排間距1 一般為1. 5 2. 0m。因此鹽水凍結管1排數=[凍結壁厚度-液氮凍結區(qū)厚度 d]/l。鹽水凍結管布置時應注意1)最內排鹽水凍結管的圈徑大小應保證開挖時井幫溫度不高于有利于井幫穩(wěn)定的理想值，一般為_8°C _12°C。鹽水凍結管1的鹽水溫度設定需保證能形成由內而外逐漸降低的溫度場。4液氮凍結管2的排內孔距4 一般為1. 5 2. 0m，但要保證在一定時間內凍土可以完成交圈并形成環(huán)向分布較均勻的理想溫度場。上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明的范疇所做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種非均質凍結壁的凍結方法，其在井筒周圍的土體需凍結處布設凍結管，其特征在于凍結壁內側布設鹽水凍結管，外圍布設液氮凍結管。
2.如權利要求1所述的非均質凍結壁的凍結方法，其特征在于所述液氮凍結管僅有一排，鹽水凍結管至少布設一排，每一排都布置成圓環(huán)狀。
3.如權利要求2所述的非均質凍結壁的凍結方法，其特征在于所述鹽水凍結管和液氮凍結管的總排數由凍結壁厚度確定。
4.如權利要求2所述的非均質凍結壁的凍結方法，其特征在于所述液氮凍結管的圓環(huán)圈徑=井筒半徑+凍結壁厚度-0. 5X液氮凍結區(qū)厚度d，其中液氮凍結區(qū)厚度d常為4 6m ο
5.如權利要求2所述的非均質凍結壁的凍結方法，其特征在于所述液氮凍結管的排內孔距為1. 5 2. Om0
6.如權利要求2所述的非均質凍結壁的凍結方法，其特征在于所述鹽水凍結管的排數=[凍結壁厚度-液氮凍結區(qū)厚度d]/鹽水凍結管排間距1。
7.如權利要求2所述的非均質凍結壁的凍結方法，其特征在于所述鹽水凍結管的排間距為1. 5 2. 0m，排內孔距為1. 2 1. 8m。
8.如權利要求2所述的非均質凍結壁的凍結方法，其特征在于所述鹽水凍結管為兩排及以上時，其最內排的圓環(huán)圈徑大小應確保開挖時井幫溫度不高于有利于井幫穩(wěn)定的理想值；鹽水凍結管的鹽水溫度設定應保證能形成由內而外逐漸降低的溫度場。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高梯度非均質凍結壁的凍結方法，采用“鹽水+液氮”的混合凍結模式，其在井筒周圍的土體需凍結處布設凍結管，凍結壁內側布設鹽水凍結管，外圍布設液氮凍結管。所述液氮凍結管布置一排，鹽水凍結管至少布設一排，每一排都布置成圓環(huán)狀。鹽水凍結管為兩排及以上時，其最內排的圓環(huán)圈徑大小應確保開挖時井幫溫度不高于有利于井幫穩(wěn)定的理想值；鹽水凍結管的鹽水溫度設定應保證能形成由內而外逐漸降低的溫度場。本發(fā)明凍結管布法形成的溫度場具有明顯的高梯度非均勻性。相比常規(guī)鹽水凍結，相同荷載條件下，此種布管方式形成的凍結壁厚度小但具有更高的承載力，這樣會使凍脹融沉量減小，且凍結孔造孔工程量減小、凍結工期縮短。
文檔編號E21D1/12GK102287190SQ20111026793
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月8日 優(yōu)先權日2011年9月8日
發(fā)明者嚴長征, 余睿智, 胡向東, 舒暢 申請人:同濟大學