深厚冲积层冻结法凿井工程设计及其应用

针对丁集矿井深厚冲积层的特点,提出了采用三圈孔差异冻结的冻结方式,给出了深厚冲积层中采用冻结法凿井的冻结壁厚度、盐水温度、井帮温度、冻结孔圈径和开孔间距等关键因素的设计参数;通过信息化施工监测,得到了冻结壁的形成速度、温度场分布和冻结壁的变形实测数据;这些数据可为深厚冲积层冻结法凿井工程的设计提供参考依据.     

深厚冲积层冻结法凿井冻结参数设计与施工技术

刘庄煤矿东风井穿过的冲积层深、黏土层厚和膨胀量大,针对其冻结法凿井冻结壁设计难题,通过深入分析工程水文地质条件,提出采用三圈孔冻结方案。根据冻结法凿井原理,结合两淮矿区设计和施工经验,进行了刘庄煤矿东风井冻结法凿井冻结参数设计和优化,并在工程中精心施工,确保了刘庄东风井冻结法凿井安全、高效完成,可为深厚冲积层冻结法凿井的设计和施工提供参考。     

大流速地下水作用下冻结法凿井单圈冻结孔优化布置方法研究

为了解决大流速地下水作用下单圈冻结管形成的冻结壁不易交圈或交圈时间延长等工程问题,针对地下水对人工冻结温度场的作用特点,采用在水流上游位置加密布置冻结管的方法对常规冻结方案进行优化设计。基于表观热容法构建了水热耦合数学模型,并通过大型物理模型试验对数学模型的合理性进行了验证。基于该数学模型并结合淮南某矿冻结方案的设计参数,通过数值计算对7种优化方案的优化效果进行了分析。结果表明：在较大流速的地下水作用下,冻结管布置圈的上游位置的冻结效果是影响整个冻结壁交圈时间以及厚度的决定性因素,对上游位置的冻结管进行加密处理后,缩小了相邻冻结管之间的间距,增加了上流区域的冷量供应,从而缩短了上游区域的冻结壁的交圈时间,进而提高了整个冻结壁的冻结效率。当加密的角度为105°,冻结管的间距缩小至1m时,冻结交圈的最大流速达到13m/d,较优化前(8m/d)提高了62.5%,并且对应相同的冻结时间,优化后的冻结方案形成的冻结壁的厚度明显大于优化前。     

渗流裂隙岩体冻结温度场模型试验研究

我国西部地区有丰富的煤炭资源埋藏在富水岩层下,普遍采用冻结法凿井实现井工开采。与我国中东部地区表土冻结不同的是,西部地区人工冻结的目标为富水岩层,其为孔隙储水、裂隙导水,易在裂隙处形成优势流。当出现裂隙优势流时,将不可避免地对岩体的冻结温度场产生控制性影响,裂隙面处往往会成为冻结壁的薄弱部位,这与表土冻结温度场研究中所考虑的孔隙渗流影响迥异。为此,本文在人工冻结温度场模型中引入裂隙参数和渗流参数,推导渗流裂隙岩体人工冻结水热耦合温度场的相似准则,并在此基础上开展裂隙岩体双管冻结温度场的模型试验和数值模拟研究。研究结果表明:裂隙渗流显著延缓了冻结壁交圈时间,裂隙面冻结壁交圈时间远大于岩块,且其冻结壁厚度也显著降低。在富水裂隙岩体人工冻结中,在冻结管与裂隙垂直,裂隙开度为20 mm,管间距为1.736 m时,冻结壁能够交圈的极限渗流速度为(17±1) m/d研究结果对西部地区富水岩层的冻结法凿井具有重要参考价值。     

某矿井冻结温度场的数值模拟

冻结法凿井中，冻结壁厚度设计、冻结方案优化是关键问题，然而，随着冻结深度的加大，单圈孔冻结方案往往不能同时满足工期和冻结壁安全的要求。文章通过对单圈孔和主、辅双圈孔冻结方案冻结壁瞬态温度场的数值模拟，研究了冻结温度场的扩展与分布规律，并进行冻结方案的优化。     

冻结法凿井中局部冻结技术对已成井壁保护的温度场分析

 甘肃陇东地区某煤矿竖立井原设计壁座底部886m,采用普通凿井法掘砌至472m处因涌水无法继续施工,采用冻结法补充施工。考虑冻结法可能对已成井壁结构的影响,在冻结孔内侧布设一圈温控孔。本文针对472m范围内冻结温度场选取典型层位建立二维模型进行数值模拟,计算分析当前温控孔布设形式及相关参数选取的合理性,并依据该分析进行实际布设。为工程设计和实施提供理论参考。     

高压力大流速富水软岩地层冻结技术

高家堡煤矿风井深820m,穿越厚度达380m的高水压、大流速深厚富水软岩含水层,最大涌水量达2 219.63m3/h,采用冻结法施工。为了确保冻结封水效果,采用一次冻全深方案,并采用"三大一小"施工方式,即大直径冻结管、大盐水泵、大装机制冷量、小开孔间距。冻结孔采用外、内圈孔插花加防片帮孔的布置方式。冻结初期,快速降低盐水温度,实现了冻结壁早交圈,井筒早开挖。利用部分冻结孔,对深厚含水层裂隙进行注浆充填加固,减小地下水流速,保证了冻结效果。该井筒冻结施工所取得的成功经验,可为西部富水软岩地层冻结法凿井设计和施工提供借鉴。     

煤矿分时差异冻结温度场数值分析研究

为研究煤矿深厚松散层多排孔冻结凿井过程中,根据深部地层水、土压力要求设计的冻结壁厚度远大于浅部地层实际所需冻结壁厚度,从而增加了建井成本及施工周期的问题,基于丁集煤矿第二副井冻结施工过程,采用数值模拟方法研究改变外排孔的供冷时间分别对深部和浅部地层冻结壁厚度的影响,并结合现场实测数据进行对比分析。结果表明:将外排孔的供冷时间推迟60 d的冻结效果最好,浅部地层冻结壁平均厚度明显减小,同时深部地层冻结壁平均厚度、井帮平均温度仍满足设计要求。利用分时差异冻结对冻结方案进行优化,可有效减小浅部地层冻结壁厚度,降低施工成本,保证了井筒安全快速掘砌。     

冻结法凿井(二)

第三讲 冻结法凿井工艺 冻结法凿井工艺主要包括钻冻结孔(打钻)、冻结、井筒掘砌三大内容。其次,冻结站安装与打钻平行作业,收尾工程放在井筒掘砌完了进行。 一、打钻 1.钻孔布置 冻结法凿井中的钻孔就其用途可分冻结孔、水文观察孔和测温孔三种。 冻结孔数量多、要求垂直度高。冻结孔内安装冻结器,是地热和低温盐水的热交换器,冻结壁形成好坏全靠冻结孔的施工质量。冻结孔等距布置在与井筒同心的圆周上,圈径应视井筒净径、井壁厚度、冻结壁     

西部某矿风井冻结温度场实测与模拟分析

为了深入研究第四系地层的冻结发展规律,现场实测了西部某矿风井的冻结温度变化,结合-650 m层位砾岩热物理参数,采用ANSYS数值模拟软件分析冻结壁温度场发展规律,得到了冻结壁发展速率等关键技术参数,验证了实测规律。并预测分析了冻结壁厚度、冻结壁平均温度、井帮平均温度、交圈时间等设计参数。此研究对该地区矿井的冻结设计、方案优化和冻结施工具有指导意义。     

冻结孔偏斜对白垩系地层冻结凿井影响研究

通过对泊江海子矿风井冻结过程冻结壁温度场现场实测,同时结合冻结造孔有、无偏斜条件下数值模拟结果,获得了冻结孔偏斜情况对凿井的影响.冻结孔偏斜情况下冻结壁交圈时间远大于冻结孔无偏斜情况.在冻结壁形成过程中,受冻结孔偏斜影响,同一测试层位不同方位处冻结壁有效厚度、平均温度差别较大;当井筒掘砌至测试层位时,井帮环向温度差别也较大,表明井筒掘砌时冻结壁存在明显的相对薄弱环节.     

冻结法凿井(一)

第一讲 冻结法凿井概述 一、冻结法凿井的实质和原理 冻结法凿井是在井筒开凿之前,用人工制冷的方法将井筒周围的地层冻结成封闭的不透水的圆筒——冻结壁,以抵抗地压和隔开地下水与井筒的联系,并在冻结壁的保护下进行掘砌工作的一种特殊凿井法。 为了形成冻结壁,预先在拟凿井筒外围按圆周布置一定数量的冻结孔,孔深略大于冻结深度,在孔内安装冻结器(由冻结管、供液管与回液管组成)。冻结站制出的低温盐水(-20～-30℃的氯化钙溶液)经去路     

赵固一矿特厚冲积层冻结技术方案探讨

介绍焦作矿区赵固一矿518～524m冲积层冻结方案设计。通过冻结深度、冻结壁厚度和安全掘进段高计算公式、方法、基本参数、冻结孔布置方式、冻结工艺等优化、冻结壁稳定性nac-3D数值分析、冻结壁形成状况预测等综合分析法,提出的冻结方案和主要参数科学合理,冻结壁强度和稳定性能较全面地满足特厚冲积层冻结凿井的要求。     

大流速地下水作用下多圈冻结孔优化布置方法研究

为了解决大流速地下水作用下多圈冻结管形成的冻结壁不易交圈或交圈时间延长等工程问题,提出采用在水流上游位置加密布置冻结管的方法对常规冻结方案进行优化设计。基于表观热容法构建了水热耦合数学模型,并通过大型物理模型试验对数学模型的合理性进行了验证。运用该数学模型对淮南潘一矿原冻结设计参数及其优化方案进行了分析。结果表明:对双圈管的外圈上游120°范围内的冻结管进行加密处理后,当地下水流速为10、15、20 m/d时,优化方案相较于常规方案在3种流速下的冻结壁交圈时间分别提前了7、13、57d,并且对应相同的冻结时间,优化后的冻结壁的厚度明显增加。     

中国冻结法凿井理论与技术综述

介绍中国冻结法凿井60余年发展经历的引进消化、探索改进、完善提高、创新攀高四大阶段,阐述中国在深厚冲积层冻结段井壁结构、井壁用C60~C100高强高性能混凝土、冻结壁设计理论体系、多圈孔冻结工艺、冻结壁形成特性工程预报与调控、冻结壁径向位移实测与掘砌段高调控、冻结段安全快速施工等关键理论与技术成就和现状,这些构成具有中国特色的深厚冲积层冻结法凿井理论和技术体系。还对冻结壁设计理论和发展、井壁结构设计与应用、冻结壁温度场理论与应用技术、深部立井基岩冻结和斜井冻结技术等方向存在的问题进行了展望和建议。     

深厚表土多圈管冻结温度场演变规律研究

为了得到深厚表土多圈管冻结温度场的演变规律,考虑压力对土体结冰温度的影响,研制了深厚表土冻结壁温度场试验系统.依据相似理论,以赵楼风井井筒冻结工程为原型,进行加载后的多圈管冻结温度场试验研究。结果表明:3圈冻结管冻结锋面交圈时间为50 d,冻结壁厚11.2 m,冻结壁平均温度-22.8℃,拟合得到冻结壁平均温度随时间变化函数T1=-3×10-93τ+2×10-52τ-0.0358τ+2.932,井帮温度随时间变化函数T2=-0.0207τ+10.32.特征面温度场进入拟稳定阶段后,冻结壁厚度基本稳定,冻结壁平均温度、井帮温度满足井筒开挖要求;特征面温度场进入稳定阶段后,冻结管冷负荷主要用于维护冻结壁向内扩展区和向外扩展区的温度.     

深厚冲积层冻结孔布置及井帮温度设计探讨

根据近年来我国深厚冲积层冻结法凿井的科研成果,结合赵固一矿副井、泉店风井、李粮店副井、龙固北风井等冻结凿井施工和科研实践,分析深厚冲积层冻结孔布置及井帮温度设计对冻掘工程配合的影响,探讨深厚冲积层冻结孔布置方式及井帮温度控制的合理性,解决深厚冲积层主冻结孔圈布置位置、井帮温度变化等设计问题,进而缓解冻掘矛盾,降低冻结和掘砌工程成本,实现深厚冲积层冻结凿井的安全快速施工。     

寒区冻结工程利用自然冷能的空冷换热技术研究

西北地区冬季有着充沛的自然冷能。为了有效利用这种自然冷能进行井筒冻结,设计了翅片管式盐水空冷换热器;并在低温冷库内,进行了盐水空冷换热试验。结果表明:降低气温,可大幅提升空冷换热效果;增加空气及盐水流量,可小幅提升空冷换热效率。为评价空冷盐水的工程实用性,以地处锡林郭勒盟的鲁新煤矿主井井筒冻结工程为背景,对3种温度状态盐水形成的冻结壁温度场进行了数值模拟,结果表明:在相同孔间距下,准低温(-10~-15℃)盐水冻结壁交圈时间为人工制冷盐水的1.5~2倍,约占当地冬季时间的1/2;适度缩小孔间距后,冻结壁交圈时间与正常孔间距下的人工制冷盐水交圈时间相当。试验及数值模拟表明:寒区可以利用盐水空冷换热技术,开发利用自然环境冷能来进行井筒冻结。     

太湖地域百米厚层表土冻结法凿井实践

风井选择位置地点第四系垂深95．93m，总涌水量10．92m^3/h。原设计选用填砂袋打止浆垫方法凿井，实际施工失败。后改为冻结法凿井取得成功，阐述了冻结孔布置、冻结时间及冻壁强度及井壁质量影响因素4个方面的问题。总结了冻结法施工的一些成功因素。     

渗流作用下地层冻结壁形成的模型试验研究

根据相似准则，建立了水渗流作用下两孔地层冻结模型试验台.根据两孔冻结正交模型设计和试验，研究了常规盐水冻结工艺中，地下水渗流、孔间距等对饱和砂冻结交圈时间和上下游温度场发展的影响.研究表明，渗流速度从水平2（模型渗流速度0.7 m/h）增至3水平（模型渗流速度1.0 m/d）时，冻结壁交圈时间急速增加，且水流速度是影响冻结壁上游厚度的主要因素，而缩小冻结孔间距是抑制水流对交圈时间影响的最有效手段.