第一章 冻结法施工

1 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 2

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。

①盐水循环系统——箱内低温盐水压送盐水泵 冻结管内 热交换与岩层 高温盐水 返回 盐水箱 蒸发皿降温 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？

液态氨吸收盐水热量蒸发后 饱和气氨 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。 3

低温水升温冷凝器 高温水 降温冷却水池 低温水压送水泵 冷凝器 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，pvuh 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，12TTChpm kJ/kg， pmC——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，Tddqs 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。

1212vvRlT

TlCsnnvm

式中：vmC——定容平均比热， R——气体常数， 4

nl——比容 3、压—焓图（h—logp 图） 各状态参数之间的函数关系

hsvtxfp,,,,

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。

NH3：Pk=17.5Mpa，kt=132.4℃，kv＝0.00413m3/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。 5

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kp（1MPa）

蒸发温度0t＝－25℃， 2t＝115℃ 压缩机做功：12hhl 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 32hhqk kJ/kg 3－4绝热降压过程（等焓过程）

kp（1 MPa） 0p（0.15 MPa） kt（＋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 410hhq kJ/kg

制冷系数： 12410hhhhlq 由图可知：若氨经冷凝器冷却到3ˊ点（3hˊ<3h），则单位制冷量0430qhhq，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bq——指冷凝温度kt＝30℃，过冷温度Nt＝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 kt、蒸发温度0t

设计时通常给出盐水温度yt、冷却水温度st，而盐水温度一般比蒸发温度高5～7℃， 6

冷却水温度比冷凝温度低5～10℃，从而得： 0t＝yt－（5～7）℃

kt＝st＋（5～10）℃ ②单位制冷量0q

0t，kt 0p，kp 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＝vVN 式中： v——气缸入口处氨的比容， m3/kg ——吸气系数，气缸余隙容积有一定损失，

＝kkTTppc0011

c——余隙系数，立式：c＝1％。 NV——1小时压缩氨的体积（理论）

6042nSDNVN

 m3/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

)(410hhvVGqqN 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0ppk<8，压力差kp－0p≤1.37Mpa，当0ppk≥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0ppk≥8时必须采用双级压缩制冷（引入中间压力zp，使zkpp<8，0ppz<8）。