2.1 冻结法施工井筒(表土)
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－融土和冻土的导热系数
精选课件
16
井筒冻结时间
T＝η Ed /v
式中：T－冻结时间，d
η－冻结壁向井心内的扩散系数，0.55～0.6
Ed－冻结壁设计厚度，mm v－向井筒中心的平均扩展速度，mm/d
经验值：砾石层v=35~45mm/d
砂层 v=20~25mm/d
粘土层v=10~15mm/d
精选课件
----《煤矿安全规程》
精选课件
12
冻结孔的布置
圈径：D0=Dj+2(ηEd+eH)
式中D0 ——冻结孔单圈布置的圈径，m Dj ——冻结井筒掘进直径，m Ed ——冻结壁厚度，m η ——冻结壁内侧扩展系数，0.55—0.6 e ——冻结孔允许偏斜率，3‰ H ——冻结深度，m
精选课件
13
冻结孔的布置
精选课件
1
中国：
1955年 开滦 470个井筒，总延米70km 含水、不稳定冲积层90%采用冻结法 冻结深度650米，穿越冲积层厚度为567.7米 井筒直径8.0米 英国的博尔比钾盐矿是世界上人工地层冻结深度最大的，达 930 m，但其冻结地层仅为645－930 m的局部含水不稳定岩层， 而非表土层；在煤矿建井中冻结深度最深的是波兰卢布林矿1号 井副井，达725 m，其表土层厚度为420 m。
精选课件
19
盐水体积
V=V1+V2+V3 V1－盐水干管、配、集液圈总容积 V2－冻结管总容积 V3－盐水箱总容积
精选课件
20
固体氯化钙用量
G＝ρV a /b ρ－盐水密度 V－盐水体积 a －单位质量盐水中氯化钙的含量 b －固体氯化钙的纯度，
冻结孔数目：N=π D0 ／L 式中：N ——冻结孔数目，个 D0 ——冻结孔圈径，m L ——冻结孔间距，1－1.3m
若计算结果为小数，则调整为整数后，再确定孔距
精选课件
14
冻结站实际制冷能力来自百度文库
Q0＝Kπd n H q 式中： Q0 ——冻结一个井筒的实际制冷能力，kw
K ——管路冷量损失系数，K＝1.1－1.25 d ——冻结管直径，m n ——冻结管数目，个 H ——冻结深度，m q ——冻结管的吸热率，q＝0.26－0.29kw/m2
精选课件
15
冻结管的吸热率----单位时间、单位面积冻结管内的盐水带走
的热量
q
1
r0
t0 tc
ln
r0
lnR
2 r0 1
q－冻结管吸热率，w/m2;
t0－地层初始温度；tc－盐水温度
－冻结管内换热系数，70-128w/m2k
r0－冻结管半径，m；R－冻结影响半径，m 12 －冻结圆柱扩展半径，m
精选课件
7
冻结方案
一般采用单圈管冻结方案，即只在井筒周围布置一圈冻
结管
➢ 当表土厚，要求冻结壁厚、平均温度低时可采用双圈
管冻结，即在井筒周围布置两圈冻结管
➢ 为加速上部冻结，尽早开挖，可采用上粗下细异径管
冻结，上部冻结管吸热面积大，冻结快，下部管吸热面
积小，冻结慢。
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8
长短管（差异）冻结方案
长短管冻结，又称“差异冻结”——指冻结管的深度不同，长 短管交错布置于一圈上，一次冻结形成冻结壁的冻结方式。
此方案主要用于同时冻结冲积层和含水基岩的情况。长管超出 短管深度的部分主要任务是冻结基岩、封堵地下水，而上部分 则与短管共同形成承受水土压力的冻结壁。
精选课件
9
分段（分期）冻结方案
当冻结深度较大，且水文、工程地质条件比较 适宜时，可将整个冻结深度自上而下分为数段， 分段冻结形成冻结壁。这一方案的冻结管布置方 式与一次冻全深相同，只是采用不同结构的冻结 器来实现分段冻结的目的。
分期冻结冻结器
1配液圈 2 集液圈 3 阀门 4 冻结管 5、6 供、回液管
精选课件
10
局部冻结方案
当只有局部地层需要冻结时，可采用局部冻结方案。
(a)
(a)
(b)
(c)
(d)
局部冻结冻结器
(a) 隔板 (b) 压气隔离 (b) (c) 盐水隔离 (d) 上下冻结
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11
冻结深度
冻结深度应穿过风化带延深至稳定的基岩10m以上。 基岩段涌水较大时，应加深冻结深度
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5
施工过程
冻结法凿井主要工艺过程包括：
—— 冷冻站安装
—— 钻孔施工
—— 井筒冻结
—— 井筒掘砌
等四项主要内容
三大关键技术：
冻结壁、井壁、冻结孔钻进
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6
冻结方案 针对不同水文、地质和工程条件，采用不同冻结方 案，以达到最佳经济效益。实际工程常用冻结方案 有： 一次冻全深 ➢ 所有冻结孔的深度与最大冻结深度一致，并且全 深一次冻结形成冻结壁的冻结方式。包括单圈管、 双圈管和异径管。
16）至蒸发器（2）——形成盐水
循环
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3
低温盐水在冻结器中流动，吸收 周围地层热量，形成冻结圆柱， 冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭 的冻结壁，直至达到其设计厚度 和强度。 通常将冻结壁扩展到设计厚度所 需的时间称为积极冻结期，将维 护冻结壁的期间称作消极（或维 护）冻结期。
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4
吸收了地层热量的盐水，在盐水 箱内将热量传递给蒸发器中的液 氨，使液氨变为饱和蒸气氨，再 被氨压缩机（4）压缩成过热蒸 气进入冷凝器（7）冷却，将地 层和压缩机产生的热量传递给冷 却水，最后将这些热量传给大气 。
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2
设计原理
冻结法凿井利用氨循环制冷系统。
为形成能抵抗地压、隔绝地下水的
冻结壁，首先在欲开挖井筒周围钻
进一定数量冻结孔，安设冻结器。
冻结站制出的-25~-35℃低温盐水，
经去路盐水干管（12）、配液圈（
13）到供液管底部、沿冻结管和供
液管之间的环形空间上升到回液管
、集液圈（15）、回路盐水干管（
17
第一次充氨量
G＝KQ0A 式中：Q0－冷冻站实际制冷能力，kw
K－充氨损失系数，K＝1.1 A－每1 kw制冷能力的需氨量，A＝1.7－2.6kg 正常运行，每月需补充总氨量的2.5－10％
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18
盐水流量
Q＝Q0/ρcΔt 式中：Q0－冷冻站实际制冷能力，kw
ρ－盐水密度，ρ＝1250－1270kg/m3 c －盐水比热，c＝2.73 Δt－去、回路盐水温差
2 立井表土冻结法施工
概述： 120年，含水、软弱、不稳定地层矿山立井建设的成熟技术
国外：
最大冻深(m)
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
930 915 860
638 634
620
650
550 531
英国 美国 波兰 比利时 加拿大 前苏联 法国 德国 中国
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16
井筒冻结时间
T＝η Ed /v
式中：T－冻结时间，d
η－冻结壁向井心内的扩散系数，0.55～0.6
Ed－冻结壁设计厚度，mm v－向井筒中心的平均扩展速度，mm/d
经验值：砾石层v=35~45mm/d
砂层 v=20~25mm/d
粘土层v=10~15mm/d
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----《煤矿安全规程》
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12
冻结孔的布置
圈径：D0=Dj+2(ηEd+eH)
式中D0 ——冻结孔单圈布置的圈径，m Dj ——冻结井筒掘进直径，m Ed ——冻结壁厚度，m η ——冻结壁内侧扩展系数，0.55—0.6 e ——冻结孔允许偏斜率，3‰ H ——冻结深度，m
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13
冻结孔的布置
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1
中国：
1955年 开滦 470个井筒，总延米70km 含水、不稳定冲积层90%采用冻结法 冻结深度650米，穿越冲积层厚度为567.7米 井筒直径8.0米 英国的博尔比钾盐矿是世界上人工地层冻结深度最大的，达 930 m，但其冻结地层仅为645－930 m的局部含水不稳定岩层， 而非表土层；在煤矿建井中冻结深度最深的是波兰卢布林矿1号 井副井，达725 m，其表土层厚度为420 m。
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19
盐水体积
V=V1+V2+V3 V1－盐水干管、配、集液圈总容积 V2－冻结管总容积 V3－盐水箱总容积
精选课件
20
固体氯化钙用量
G＝ρV a /b ρ－盐水密度 V－盐水体积 a －单位质量盐水中氯化钙的含量 b －固体氯化钙的纯度，
冻结孔数目：N=π D0 ／L 式中：N ——冻结孔数目，个 D0 ——冻结孔圈径，m L ——冻结孔间距，1－1.3m
若计算结果为小数，则调整为整数后，再确定孔距
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14
冻结站实际制冷能力来自百度文库
Q0＝Kπd n H q 式中： Q0 ——冻结一个井筒的实际制冷能力，kw
K ——管路冷量损失系数，K＝1.1－1.25 d ——冻结管直径，m n ——冻结管数目，个 H ——冻结深度，m q ——冻结管的吸热率，q＝0.26－0.29kw/m2
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15
冻结管的吸热率----单位时间、单位面积冻结管内的盐水带走
的热量
q
1
r0
t0 tc
ln
r0
lnR
2 r0 1
q－冻结管吸热率，w/m2;
t0－地层初始温度；tc－盐水温度
－冻结管内换热系数，70-128w/m2k
r0－冻结管半径，m；R－冻结影响半径，m 12 －冻结圆柱扩展半径，m
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冻结方案
一般采用单圈管冻结方案，即只在井筒周围布置一圈冻
结管
➢ 当表土厚，要求冻结壁厚、平均温度低时可采用双圈
管冻结，即在井筒周围布置两圈冻结管
➢ 为加速上部冻结，尽早开挖，可采用上粗下细异径管
冻结，上部冻结管吸热面积大，冻结快，下部管吸热面
积小，冻结慢。
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8
长短管（差异）冻结方案
长短管冻结，又称“差异冻结”——指冻结管的深度不同，长 短管交错布置于一圈上，一次冻结形成冻结壁的冻结方式。
此方案主要用于同时冻结冲积层和含水基岩的情况。长管超出 短管深度的部分主要任务是冻结基岩、封堵地下水，而上部分 则与短管共同形成承受水土压力的冻结壁。
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9
分段（分期）冻结方案
当冻结深度较大，且水文、工程地质条件比较 适宜时，可将整个冻结深度自上而下分为数段， 分段冻结形成冻结壁。这一方案的冻结管布置方 式与一次冻全深相同，只是采用不同结构的冻结 器来实现分段冻结的目的。
分期冻结冻结器
1配液圈 2 集液圈 3 阀门 4 冻结管 5、6 供、回液管
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10
局部冻结方案
当只有局部地层需要冻结时，可采用局部冻结方案。
(a)
(a)
(b)
(c)
(d)
局部冻结冻结器
(a) 隔板 (b) 压气隔离 (b) (c) 盐水隔离 (d) 上下冻结
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11
冻结深度
冻结深度应穿过风化带延深至稳定的基岩10m以上。 基岩段涌水较大时，应加深冻结深度
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5
施工过程
冻结法凿井主要工艺过程包括：
—— 冷冻站安装
—— 钻孔施工
—— 井筒冻结
—— 井筒掘砌
等四项主要内容
三大关键技术：
冻结壁、井壁、冻结孔钻进
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6
冻结方案 针对不同水文、地质和工程条件，采用不同冻结方 案，以达到最佳经济效益。实际工程常用冻结方案 有： 一次冻全深 ➢ 所有冻结孔的深度与最大冻结深度一致，并且全 深一次冻结形成冻结壁的冻结方式。包括单圈管、 双圈管和异径管。
16）至蒸发器（2）——形成盐水
循环
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3
低温盐水在冻结器中流动，吸收 周围地层热量，形成冻结圆柱， 冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭 的冻结壁，直至达到其设计厚度 和强度。 通常将冻结壁扩展到设计厚度所 需的时间称为积极冻结期，将维 护冻结壁的期间称作消极（或维 护）冻结期。
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4
吸收了地层热量的盐水，在盐水 箱内将热量传递给蒸发器中的液 氨，使液氨变为饱和蒸气氨，再 被氨压缩机（4）压缩成过热蒸 气进入冷凝器（7）冷却，将地 层和压缩机产生的热量传递给冷 却水，最后将这些热量传给大气 。
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2
设计原理
冻结法凿井利用氨循环制冷系统。
为形成能抵抗地压、隔绝地下水的
冻结壁，首先在欲开挖井筒周围钻
进一定数量冻结孔，安设冻结器。
冻结站制出的-25~-35℃低温盐水，
经去路盐水干管（12）、配液圈（
13）到供液管底部、沿冻结管和供
液管之间的环形空间上升到回液管
、集液圈（15）、回路盐水干管（
17
第一次充氨量
G＝KQ0A 式中：Q0－冷冻站实际制冷能力，kw
K－充氨损失系数，K＝1.1 A－每1 kw制冷能力的需氨量，A＝1.7－2.6kg 正常运行，每月需补充总氨量的2.5－10％
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18
盐水流量
Q＝Q0/ρcΔt 式中：Q0－冷冻站实际制冷能力，kw
ρ－盐水密度，ρ＝1250－1270kg/m3 c －盐水比热，c＝2.73 Δt－去、回路盐水温差
2 立井表土冻结法施工
概述： 120年，含水、软弱、不稳定地层矿山立井建设的成熟技术
国外：
最大冻深(m)
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
930 915 860
638 634
620
650
550 531
英国 美国 波兰 比利时 加拿大 前苏联 法国 德国 中国