冻结法施工技术

特殊凿井

绪论

一、特殊凿井分类

特殊施工是相对于普通施工技术而言，可定义为：在松散不稳定含水地层，或在涌水量很大的稳定裂隙岩层中，采用围岩加固、堵水、超前支护或采用大型钻井机械施工的技术，这种技术主要有：冻结法、注浆法、钻井法、沉井法、混凝土帷幕法等表土施工技术。

深表土——冻结法、沉井法、钻井法、注浆法。

特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三类：

1、超前支护类

在地下工程挖掘之前，采用超前支护以隔绝或减少流砂和地下水的涌入，然后在超前支护的保护下掘进，属于此类者有：沉井法、混凝土帷幕法。

2、围岩加固类

在地下工程开凿之前，采用措施暂时，永久地加固围岩，改善围岩的稳定条件，而后进行掘砌作业，如冻结法、注浆法等。

3、机械破岩类

应用大型机械直接破岩、出矸，使卸掘砌作业机械化图钻井法等。

二、岩特殊凿井的历史

53年新汶孙村矿注浆井首次采用深井法。

55年新汶张庄矿首次在井筒进行工作面预注浆

55年开滦矿物局林西矿采用冻结法（波兰设计与施工）

56年开滦矿物局唐家矿采用冻结法（苏联指导，自己设计施工）

58年峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆

69年淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法

74年鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法

目前：

①沉井法（沉箱法）于90年代在煤矿使用，软表土地基中土建工程用的很多。沉深192m——曲阜单家村主副井，上海基础公司沉井。

②帷混凝土帷幕法84年施工新汶鄂庄注浆井是使用，单深57m，主要用于地下挡土墙，水电部的应用较多，

③钻井法主要在西淮地区，φ9m，单深513m，

④冻结法，目前龙崮主副风井三个井筒采用，副井冻结深度650m，巨野煤田郭屯冻结达到702m；国投新集口孜东主井冻深737m，万福主井894m，万福副风井840mm。

⑤注浆法遍及各矿区主井，平巷，硐室均在采用。

主要内容：冻结法、注浆法、钻井法、沉井法、混凝土帷幕法看录像。

第一章：冻结法施工

冻结法应用较多，尤其对深层表土的矿区，目前冻结法施工逐渐有城市的地铁发展，这里我们以矿区为例介绍。

§1、概述

冻结法凿井既是在井筒开挖之前，用人工制冷的方法，将井筒周围的岩层冻结形成封闭的圆筒——冻结壁，以抵抗地压，隔绝地下水与井筒的联系，然后在其保护下，进

行掘砌工作的 一种特殊施工方法，其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地

层。

为了形成冻结壁，首先在井筒周围打一定数量的冻结孔，并安装冻结器，冷冻站制

出的低温盐水（－30℃）送给冻结器，以吸收地层热量，使土层冻结形成具有一定厚度

和强度的冻结壁，最后在冻结壁保护下进行井筒掘砌。

为此，冻结法凿井可分为：打钻——冻结——掘砌 三大工作内容。

三大工作内容中，冻结为重点，也是难点，低盐水在地下如何把土层变成冰层的，

实际上就使几个热平衡问题，常讲制冷三大循环。 压送盐水泵 冻结管内 热交换 返回 蒸发皿

低温盐水 再进入冻结管多次循环 岩层降温，形成冻结壁 土层热量被盐水吸收。

②氨循环系统——高温盐水靠氨的状态变化而降温的，即氨吸热，液氨吸热蒸发变

成气态氨，那么气氨如何变为液氨呢？

吸收盐水热量蒸发后 作功压缩后 高压过热气氨降温

与降温器 高压液氨

降压减压阀 液态氨 再次进入蒸发皿，形成氨循环系统 盐水热量被氨吸收。

③冷却水系统——气氨变液氨的实现，靠冷却水系统来实现。

升温冷凝器 降温冷却水池 低温水压送

水泵 水吸收气氨热量，并把这热分传到大气中去。

三大循环中，重点使氨循环系统，即制冷系统。

除此之外，液有采用液氨冻结，液氨制冷，无需三大循环，主要靠液氨气化吸收地

热制冷。

§2、制冷原理

一、焓、熵及压焓图

1、焓（h ）

为状态参数，pv u h += KJ/kg

其物理意义：在开口系统中，工质某状态的焓等于该状态的内能与流动功之和，它

是温度的单值函数，()12T T C h pm -=∆ kJ/kg ， pm C ——定压平均比热。

两点焓差只与两点温度有关。

2、熵（s ）

状态参数，T d d q

s = kJ/kg.k 微熵

其物理意义为：工质熵的变化，等

于工质从热源吸收的热量除以热源温度

所得之商。它也是温度的单值函数。

式中：vm C ——定容平均比热，

R ——气体常数，

n l ——比容

3、压—焓图（h —logp 图）

各状态参数之间的函数关系

图形中一点三区四线组成。

一点 K ——临界点，一个体系将压力达到某一状态时，其饱和液体线和饱和蒸汽线

交于一点，此时，饱和液体和饱和蒸汽有着相同的压力、温度和比容。

NH 3：P k =17.5Mpa ，k t =132.4℃，k v ＝0.00413m 3/kg

三区——未饱和液体区（液态区）、温蒸汽区（过渡区）、过热蒸汽区（以x=0,x=1

为界）

四线——等干度线x ，等温线t ，等熵线v ，（等压线p ，等焓线h ）

等干度线——1kg 湿蒸汽中饱和蒸汽的含量，x=0.3表示1kg 湿蒸汽中有0.3kg 饱和

蒸汽。X=0饱和液体线，x ＝1饱和蒸汽线，将全区分为三个区域。

在该图中，任给两曲线点，即可查出其它曲线值，见书后附图。

二、一级压缩制冷原理

1、一级压缩制冷理论循环

制冷过程即为三大循环过程，其循环系统设备主要为压缩机、冷凝器、蒸发器及节

流阀。如下图：

制冷过程可表述为：

1）压缩过程（1—2）饱和蒸汽氨被压缩或高温高压的过热蒸汽。（115℃，1MPa ）

2）冷却过程（2－3）过热蒸汽被冷凝器中20℃冷却水降温或低温高压液体氨，（25℃，

1MPa ）

3）降压过程（3－4）液氨节流降压为低温低压的液氨（－25℃，0.15MPa ）

4）蒸发过程（4－1）液氨在蒸发器中气化，成低温低压饱和气体（－25℃，0.15MPa ）

吸收盐水热量而制冷，即制冷过程。

实际上，氨制冷过程是一个卡诺逆循环过程，可用热力学中的h —logp 图表示。

1－2绝热压缩过程（等熵过程）

汽氨被压缩机压缩成过热蒸汽，压力由蒸发压力0p ＝0.05 冷凝压力k p （1MPa ）

蒸发温度0t ＝－25℃， 2t ＝115℃

压缩机做功：12h h l -= kJ/kg

2－3：等压冷却过程，过热蒸汽2 饱和蒸汽2ˊ 饱和液体3

所放热量被冷却水吸收。

冷凝器热荷载 32h h q k -= kJ/kg