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 qs = 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/kg2－3：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/kg3－4绝热降压过程（等焓过程）k p （1 MPa ） 0p （0.15 MPa ） k t （＋25℃） 0t （－25℃）温降是由液氨随汽化成湿蒸汽，吸收自身的热量的结果。

4－1等温等压蒸发过程：氨蒸发吸收盐水的热量而制冷，氨由湿态变为饱和态，蒸发器热荷载 410h h q -= kJ/kg制冷系数： 12410h h h h l q --==ε 由图可知：若氨经冷凝器冷却到3ˊ点（3h ˊ<3h ），则单位制冷量0430q h h q >'-'='，可见降低冷却水温度对增加单位制冷量有重要作用。

2、氨压缩机的制冷能力因工作条件不同，有两种表示方法①标准制冷能力b q ——指冷凝温度k t ＝30℃，过冷温度N t ＝25℃，蒸发温度0t ＝－15℃条件下的每小时制冷量，KJ/h 。

压缩及名牌上的制冷能力既是②工作制冷能力q ——实际制冷能力：指压缩机在规定的冷凝温度、过冷温度和蒸发温度条件下每小时制冷量。

冷冻站内实际制冷能力既是根据工作条件计算出来的。

计算q （分四步）：①冷凝温度 k t 、蒸发温度0t设计时通常给出盐水温度y t 、冷却水温度s t ，而盐水温度一般比蒸发温度高5～7℃，冷却水温度比冷凝温度低5～10℃，从而得：0t ＝y t －（5～7）℃k t ＝s t ＋（5～10）℃②单位制冷量0q0t ，k t 0p ，k p 1h ，4h 0q ＝1h －4h kJ/kg.③氨循环量G （1小时氨循环量） kg/h与压缩机的理论排气量有关：G ＝v V N'λ式中： v ——气缸入口处氨的比容， m 3/kgλ——吸气系数，气缸余隙容积有一定损失，λ＝k k T T p p c 0011⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-- c ——余隙系数，立式：c ＝1％。

NV '——1小时压缩氨的体积（理论） 6042⋅⋅='n S D N V N π m 3/h式中： N ——气缸数量，D ——气缸直径，S ——活塞行程，n ——环数。

④工作制冷能力)(410h h vV Gq q N -'==λ KJ/h 三、双级压缩制冷原理（串联）对于深井冻结，地压大，若采用单级压缩制冷（蒸发温度－25℃），冻结壁厚度将很大，为加大冻土强度，减少冻结时间及冻结壁厚度，要求有较低的 盐水温度（－30℃以下），为获得低温而提出了双级制冷问题。

单级压缩制冷要求，由压缩比0p p k <8，压力差k p －0p ≤1.37Mpa ，当0p p k ≥8时，压缩机排气口压力大，温度过高，有可能超过润滑油的燃点，引起油碳化或造成爆炸事故，故当0p p k ≥8时必须采用双级压缩制冷（引入中间压力z p ，使z k p p <8，0p p z <8）。

双级压缩制冷是在单级制冷基础上增加了一个中间冷却器（中冷器），可以说是两个单级压缩制冷的叠加，如下图。

原理：①按n 介绍：1 2 3 4 5 6 7 10 1依次循环制冷。

②中冷器作用：6 7 10 A 冷却低压机排出的过热蒸汽，用高压机压缩8 3 B 液体氨过冷，以获得较低制冷温度。

双级压缩制冷过程同时也是一个卡诺逆循环过程，其热力循环也可用h —logp 图表示。

1—2 低压机做功（等焓过程）：121h h l -= KJ/kg2—3等压冷却：z p z p ， 2t z t3—4高压机做功（等熵过程）：342h h l -= KJ/kg4—5—6 等压冷却 ：k p k p ，4t k t ，冷凝器热负荷：64h h q k -=6—7过冷到7点：7t ＝z t ＋5℃＝9t ＋5℃7—10节源降压：k p 0p10—1 蒸发过程：单位制冷量（蒸发器热负荷）101h h q -= KJ/kg6—8 节源降压：k p z p8—3 等压蒸发：z p氨循环量： z d g G G G +=中冷器热平衡： )()()(763283h h G h h G h h G d d z -+-=-由此：单位压缩功： 341221h h h h l l l -+-=+=单位制冷量：1010h h q -=冷凝器热荷载：64h h q k -=制冷系数：()()3412101210h h k h h h h l G l G q G g d d -+--=+=ε 双级压缩制冷设计计算关键是确定中间压力z p 理想的中间压力使低压机与高压机压缩比相等，即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==00p p p p p p p z zk k z 实际上，高低压机氨量不等，所以 z p ≠k p p 0，通常采用插入法求算，具体计算相当复杂，z p 计算出来后，可根据p l log -图求出制冷能力。