專利名稱：一種高梯度非均質(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于井筒凍結(jié)施工領(lǐng)域，涉及超深井筒凍結(jié)法施工中的凍結(jié)方法，尤其是非均質(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法。
背景技術(shù)：
凍結(jié)法鑿井是我國應(yīng)用最廣泛的井筒特殊施工方法，至今已經(jīng)完成近600個(gè)井筒。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，煤炭深部資源開采問題日益突出。進(jìn)入21世紀(jì)后不少新建礦井的沖積層厚度超過600米，凍結(jié)深度最大達(dá)到702米。因此研究解決深厚沖積層的井筒施工技術(shù)成為我國深井開發(fā)中的突出問題。現(xiàn)階段深井凍結(jié)主要采用多排管鹽水凍結(jié)系統(tǒng)，如圖1、圖2所示，多排鹽水凍結(jié)管11凍結(jié)形成的溫度場近似可看成均勻分布的，由于凍土材料性質(zhì)與溫度近似呈正比，因此凍結(jié)壁12也可近似為均質(zhì)體。其主要缺點(diǎn)有(1)深井凍結(jié)需要較厚的凍土帷幕，因此采用鹽水制冷系統(tǒng)必然導(dǎo)致凍結(jié)管排數(shù)較多，相應(yīng)的凍結(jié)孔孔數(shù)較多，增加了打孔的成本。另一方面，隨著凍土范圍的擴(kuò)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(jié)在深厚粘土層中，由于凍土的擴(kuò)展速度慢、強(qiáng)度低、凍結(jié)壁蠕變位移大，成為井筒掘砌過程中凍結(jié)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(jié)深度增加，地壓加大，凍結(jié)壁徑向變形量過大，易導(dǎo)致凍結(jié)管斷裂，井壁破裂漏水等事故。(4)鹽水凍結(jié)需要較長的時(shí)間，特別在深井凍結(jié)中，再考慮到多排鹽水凍結(jié)中打凍結(jié)孔的時(shí)間，凍結(jié)工期很長。
發(fā)明內(nèi)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(jié)的缺陷，提供一種高梯度非均質(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法，采用“鹽水+液氮”的混合凍結(jié)模式，按特殊的方式布置鹽水凍結(jié)管和液氮凍結(jié)管，使凍結(jié)壁溫度場形成內(nèi)低外高的高梯度非均勻分布，進(jìn)而構(gòu)造出一種高梯度非均質(zhì)、具有優(yōu)越的特殊力學(xué)性質(zhì)的凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是一種非均質(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法，其在井筒周圍的土體需凍結(jié)處布設(shè)凍結(jié)管，凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)布設(shè)鹽水凍結(jié)管，外圍布設(shè)液氮凍結(jié)管。所述液氮凍結(jié)管僅有一排，鹽水凍結(jié)管至少布設(shè)一排，每一排都布置成圓環(huán)狀，鹽水凍結(jié)管位于液氮凍結(jié)管內(nèi)側(cè)，因而鹽水凍結(jié)管的圓環(huán)圈徑小于液氮凍結(jié)管的圓環(huán)圈徑。所述鹽水凍結(jié)管和液氮凍結(jié)管的總排數(shù)由凍結(jié)壁厚度確定。所述液氮凍結(jié)管的圓環(huán)圈徑=井筒半徑+凍結(jié)壁厚度-0. 5X液氮凍結(jié)區(qū)厚度d， 其中液氮凍結(jié)區(qū)厚度d常為4 6m。所述液氮凍結(jié)管的排內(nèi)孔距為1. 5 2. 0m。
所述鹽水凍結(jié)管的排數(shù)=[凍結(jié)壁厚度-液氮凍結(jié)區(qū)厚度d]/鹽水凍結(jié)管排間距 1。所述鹽水凍結(jié)管的排間距為1. 5 2. 0m，排內(nèi)孔距為1. 2 1. 8m。所述鹽水凍結(jié)管為兩排及以上時(shí)，其最內(nèi)排的圓環(huán)圈徑大小應(yīng)確保開挖時(shí)井幫溫度不高于有利于井幫穩(wěn)定的理想值；鹽水凍結(jié)管的鹽水溫度設(shè)定應(yīng)保證能形成由內(nèi)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(nèi)排凍結(jié)管仍使用鹽水凍結(jié)，最外排凍結(jié)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(nèi)排鹽水凍結(jié)溫度相對較高，整體可以形成一種內(nèi)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(jié)大為降低，凍結(jié)溫度場沿徑向有很明顯的不均勻性，這樣可彌補(bǔ)單一鹽水凍結(jié)的缺陷。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)(1)力學(xué)分析表明，在考慮凍結(jié)壁塑性發(fā)展的深井凍結(jié)壁計(jì)算中，具有內(nèi)部凍土偏弱、向外迅速增強(qiáng)的高梯度不均勻特性的凍結(jié)壁有利于充分發(fā)揮其承載能力。(2) 一方面鹽水+液氮凍結(jié)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)單一鹽水凍結(jié)可以使凍結(jié)管排數(shù)減少； 另一方面，由于最外排凍結(jié)管采用液氮制冷，能夠?qū)⑸顚油馏w冷卻到傳統(tǒng)鹽水凍結(jié)所遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的溫度，制冷效果強(qiáng)于傳統(tǒng)鹽水凍結(jié)，因此凍結(jié)壁厚度減小，同時(shí)最外排液氮凍結(jié)管的圈徑也會相對減小，再加上液氮凍結(jié)效果好，液氮管的排內(nèi)孔距也會相應(yīng)增大；綜合以上兩個(gè)方面可以發(fā)現(xiàn)鹽水+液氮凍結(jié)系統(tǒng)可以使得凍結(jié)孔數(shù)量顯著減少，降低凍結(jié)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(jié)，凍土形成時(shí)間大為減小，加快了凍結(jié)進(jìn)度，減少凍結(jié)工期。并且在深部液氮凍結(jié)形成的凍土帷幕溫度明顯低于傳統(tǒng)鹽水凍結(jié)，凍結(jié)強(qiáng)度高。(4)相比傳統(tǒng)鹽水凍結(jié)布管排數(shù)少，此種布管方式形成的凍結(jié)壁厚度小，加上液氮凍結(jié)速度快，凍脹融沉量也會較小。(5)液氮凍結(jié)管在縱向上的溫度分布可通過采用特殊凍結(jié)器得到控制，從而使得凍結(jié)壁縱向的溫度可控，易于形成符合凍結(jié)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(fèi)。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的凍結(jié)方法的凍結(jié)管橫向布設(shè)圖。圖2是現(xiàn)有技術(shù)的凍結(jié)方法的凍結(jié)管縱向布設(shè)圖。圖3是本發(fā)明的凍結(jié)方法的凍結(jié)管橫向布設(shè)圖。圖4是本發(fā)明的凍結(jié)方法的凍結(jié)管縱向布設(shè)圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。本發(fā)明一種非均質(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法，按特殊的方式布置鹽水凍結(jié)管和液氮凍結(jié)管，可形成高梯度非均質(zhì)凍結(jié)壁3。其采用凍結(jié)壁3內(nèi)側(cè)鹽水凍結(jié)、外側(cè)液氮凍結(jié)的模式，構(gòu)成凍結(jié)壁徑向由內(nèi)而外溫度逐漸降低的溫度場，即由內(nèi)而外各排凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度或氮?dú)夤ぷ鳒囟戎鸺夁f減，鹽水溫度控制在 _34°C的范圍，氮?dú)夤ぷ鳒囟雀鶕?jù)需要可調(diào)，一般控制在_180°C以上。本發(fā)明的凍結(jié)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(nèi)排為鹽水凍結(jié)管1，最外排為一排液氮凍結(jié)管2。具體設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循如下原則1本發(fā)明中凍結(jié)管總排數(shù)由凍結(jié)壁3的厚度所決定，視具體情況來排布凍結(jié)管。2最外排液氮管2的圈徑由凍結(jié)壁3厚度及液氮凍結(jié)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(jié)壁厚度-0. 5 X液氮凍結(jié)區(qū)厚度d，其中液氮凍結(jié)區(qū)厚度d常為4 6m。3內(nèi)排鹽水凍結(jié)管1排數(shù)由凍結(jié)壁3厚度及液氮凍結(jié)區(qū)厚度d確定，鹽水凍結(jié)管1 排間距1 一般為1. 5 2. 0m。因此鹽水凍結(jié)管1排數(shù)=[凍結(jié)壁厚度-液氮凍結(jié)區(qū)厚度 d]/l。鹽水凍結(jié)管布置時(shí)應(yīng)注意1)最內(nèi)排鹽水凍結(jié)管的圈徑大小應(yīng)保證開挖時(shí)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(jié)管1的鹽水溫度設(shè)定需保證能形成由內(nèi)而外逐漸降低的溫度場。4液氮凍結(jié)管2的排內(nèi)孔距4 一般為1. 5 2. 0m，但要保證在一定時(shí)間內(nèi)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(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明的范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種非均質(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法，其在井筒周圍的土體需凍結(jié)處布設(shè)凍結(jié)管，其特征在于凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)布設(shè)鹽水凍結(jié)管，外圍布設(shè)液氮凍結(jié)管。
2.如權(quán)利要求1所述的非均質(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法，其特征在于所述液氮凍結(jié)管僅有一排，鹽水凍結(jié)管至少布設(shè)一排，每一排都布置成圓環(huán)狀。
3.如權(quán)利要求2所述的非均質(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法，其特征在于所述鹽水凍結(jié)管和液氮凍結(jié)管的總排數(shù)由凍結(jié)壁厚度確定。
4.如權(quán)利要求2所述的非均質(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法，其特征在于所述液氮凍結(jié)管的圓環(huán)圈徑=井筒半徑+凍結(jié)壁厚度-0. 5X液氮凍結(jié)區(qū)厚度d，其中液氮凍結(jié)區(qū)厚度d常為4 6m ο
5.如權(quán)利要求2所述的非均質(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法，其特征在于所述液氮凍結(jié)管的排內(nèi)孔距為1. 5 2. Om0
6.如權(quán)利要求2所述的非均質(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法，其特征在于所述鹽水凍結(jié)管的排數(shù)=[凍結(jié)壁厚度-液氮凍結(jié)區(qū)厚度d]/鹽水凍結(jié)管排間距1。
7.如權(quán)利要求2所述的非均質(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法，其特征在于所述鹽水凍結(jié)管的排間距為1. 5 2. 0m，排內(nèi)孔距為1. 2 1. 8m。
8.如權(quán)利要求2所述的非均質(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法，其特征在于所述鹽水凍結(jié)管為兩排及以上時(shí)，其最內(nèi)排的圓環(huán)圈徑大小應(yīng)確保開挖時(shí)井幫溫度不高于有利于井幫穩(wěn)定的理想值；鹽水凍結(jié)管的鹽水溫度設(shè)定應(yīng)保證能形成由內(nèi)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(zhì)凍結(jié)壁的凍結(jié)方法，采用“鹽水+液氮”的混合凍結(jié)模式，其在井筒周圍的土體需凍結(jié)處布設(shè)凍結(jié)管，凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)布設(shè)鹽水凍結(jié)管，外圍布設(shè)液氮凍結(jié)管。所述液氮凍結(jié)管布置一排，鹽水凍結(jié)管至少布設(shè)一排，每一排都布置成圓環(huán)狀。鹽水凍結(jié)管為兩排及以上時(shí)，其最內(nèi)排的圓環(huán)圈徑大小應(yīng)確保開挖時(shí)井幫溫度不高于有利于井幫穩(wěn)定的理想值；鹽水凍結(jié)管的鹽水溫度設(shè)定應(yīng)保證能形成由內(nèi)而外逐漸降低的溫度場。本發(fā)明凍結(jié)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(jié)，相同荷載條件下，此種布管方式形成的凍結(jié)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(jié)孔造孔工程量減小、凍結(jié)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(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者嚴(yán)長征, 余睿智, 胡向東, 舒暢 申請人:同濟(jì)大學(xué)