凍結器及立井凍結系統的製作方法
2023-06-05 20:27:06 2
凍結器及立井凍結系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種凍結器及立井凍結系統，凍結器包括：凍結管、第一供液管和底錐；其中，所述凍結管由上部凍結管和下部凍結管組成，所述上部凍結管和所述下部凍結管之間通過變徑臺階連通，且所述上部凍結管的管徑大於所述下部凍結管的管徑；所述底錐與所述下部凍結管的底部連接；所述第一供液管由所述上部凍結管的頂部管口伸入，並延伸至所述下部凍結管底部。本發明通過改變凍結管管徑設計，可以實現對凍結壁的分段控制，在整個凍結段施工過程中，凍結壁強度和厚度、井幫溫度與開挖速度協調，不弱凍也不過凍，提高了井筒掘砌施工的安全性，節約用電損耗及管材的消耗，做到安全可靠、經濟節約。
【專利說明】凍結器及立井凍結系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及立井凍結技術，尤其涉及一種凍結器及立井凍結系統。
【背景技術】
[0002]凍結技術已廣泛應用到立井和隧道等地下工程中，凍結技術就是對未知和複雜的表土層進行預先凍結處理。立井工程中表土段採用凍結技術施工通過。近20年來，用凍結法施工的立井達到幾百個，凍結深度在不斷增大，例如新集口孜東煤礦凍結深度達到737米，一度成為最深的凍結井。隨著凍結深度的不斷增大，凍結施工中很難做到精細控制，準備把握，在通常情況下是超凍或者過凍，浪費了大量的電力和材料消耗，同時也給井筒安全掘砌帶來很多不確定的安全隱患，造成凍結立井施工時常發生斷管、透水等嚴重工程事故，慘痛的經驗教訓記憶深刻。
[0003]比如，當凍結深度超過400米，各圈凍結孔的設計難度較大，現有技術是全凍結段上下同時送冷或停凍，這樣容易造成井幫溫度上下不均勻的情況，從而給井筒掘砌施工帶來巨大的困難和安全隱患，造成成本浪費和工期延誤。
【發明內容】
[0004]本發明提供一種凍結器及立井凍結系統，專門為解決深井凍結，溫度場控制問題而進行的設計，實現對整個凍結壁進行分段和/或分期控制，有效解決以往凍結方式容易造成井幫溫度上下不均勻，從而給井筒掘砌施工帶來巨大的困難和安全隱患，造成成本浪費和工期延誤的問題。
[0005]第一方面，本發明提供的凍結器包括:凍結管、第一供液管和底錐；其中，所述凍結管由上部凍結管和下部凍結管組成，所述上部凍結管和所述下部凍結管之間通過變徑臺階連通，且所述上部凍結管的管徑大於所述下部凍結管的管徑；所述底錐與所述下部凍結管的底部連接；所述第一供液管由所述上部凍結管的頂部管口伸入，並延伸至所述下部凍結管底部。本實施例提供的凍結器通過改變凍結管管徑設計，由於粗凍結管的熱交換能力比細凍結管的要強，因此可以實現對凍結壁的分段控制，在整個凍結段施工過程中，凍結壁強度和厚度、井幫溫度與開挖速度協調，不弱凍也不過凍，提高了井筒掘砌施工的安全性，節約用電損耗及管材的消耗，做到安全可靠、經濟節約。
[0006]第二方面，本發明提供的凍結器包括:凍結管、第一供液管和底錐；其中，所述底錐與所述凍結管的底部連接；所述第一供液管由所述凍結管的頂部管口伸入，並延伸至所述凍結管的底部；還包括:第二供液管；所述第二供液管由所述凍結管的頂部管口伸入，並延伸至所述凍結管的中間位置。本實施例提供的凍結器通過長短雙循環供液管設計，由於兩路供液管可以分開送冷，分開控制，例如，在對其中一路供液管送冷時，另一路供液管可以隨時關停，或者對兩路供液管輸送不同溫度的鹽水，可以實現對凍結壁的分段和分期控制，在整個凍結段施工過程中，凍結壁強度和厚度、井幫溫度與開挖速度協調，不弱凍也不過凍，提高了井筒掘砌施工的安全性，節約用電損耗及管材的消耗，做到安全可靠、經濟節約。
[0007]第三方面，本發明還提供一種立井凍結系統，該立井凍結系統包括:凍結站機組和至少一個上述第一方面提供的凍結器，以及至少一個上述第二方面提供的凍結器；其中，所述凍結站機組包括去路集液圈和迴路集液圈，所述去路集液圈與所述凍結器的供液管連接，所述迴路集液圈與所述凍結器的回液管連接。由於上述凍結器可以實現對凍結壁的分段和/或分期控制，故各段井筒凍結需冷量是分期需求的，可以減少機組的最大需求量，機組也就相應減少了。同時，由於分段控制，做到了各段凍結壁不弱凍也不過凍，因此可以降低了能耗，節約了用電和機組運行成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1為本發明一實施例提供的凍結器剖面示意圖；
[0009]圖2為本發明又一實施例提供的凍結器剖面示意圖；
[0010]圖3為本發明再一實施例提供的凍結器剖面示意圖；
[0011]圖4為本發明實施例提供的凍結器在凍結施工中布置示意圖；
[0012]圖5為圖4的剖面示意圖。
[0013]附圖標記說明:
[0014]10、20、30:凍結器；
[0015]11、21、31:凍結管;
[0016]11a,21a:上部凍結管；
[0017]llb、21b:下部凍結管；
[0018]12、22、32:第一供液管；
[0019]13、23:變徑臺階；
[0020]14、24、34:底錐；
[0021]15、25、35:回液管;
[0022]26、36:第二供液管；
[0023]A:井筒；
[0024]B:內圈孔；
[0025]C:輔助孔；
[0026]D:主洞孔；
[0027]Ra:井筒變徑位置；
[0028]Rb:內圈孔變徑位置；
[0029]Rc:輔助孔變徑位置；
[0030]Rd:主凍孔變徑位置。
【具體實施方式】
[0031]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0032]圖1為本發明一實施例提供的凍結器剖面示意圖。如圖1所示，本實施例提供的凍結器10包括凍結管11，第一供液管12和底錐14。
[0033]具體的，凍結管11由上部凍結管Ila和下部凍結管Ilb組成，上部凍結管Ila和下部凍結管Ilb之間通過變徑臺階13連通，且上部凍結管Ila的管徑大於下部凍結管Ilb的管徑。底錐14與下部凍結管Ilb的底部連接。第一供液管12由上部凍結管Ila的頂部管口伸入，並延伸至下部凍結管Ilb的底部。
[0034]其中，上部凍結管Ila的管徑和下部凍結管Ilb的管徑差值，以及所採用的材質可以根據實際的工況需求來設置。作為一種可選的實施方式，上部凍結管Ila可以選用管徑為170_的無縫鋼管，下部凍結管Ilb可以選用管徑為159_的無縫鋼管，上下部凍結管之間通過變徑臺階13可以採用焊接等方式連通，由於上下部凍結管的連接部位屬於應力集中部位，在進行上下部凍結管連接的過程中，可以採取一些加強處理措施，例如可以在焊接過程中在變徑臺階處焊接一箍筋。第一供液管作為冷卻液輸送管道，可以選用管徑為75_的橡膠管。
[0035]作為另一種可選的實施方式，上部凍結管Ila還可以選用管徑為159mm的無縫鋼管，下部凍結管Ilb選用管徑為140mm的無縫鋼管。第一供液管選用管徑為60mm的橡膠管。
[0036]在實際應用中，第一供液管的管徑選擇應與凍結管的管徑設計相協調一致，一般保證冷媒介質能順利循環即可。
[0037]作為一種較佳的實施方式，上部凍結管11a、下部凍結管Ilb和底錐14同軸心設置，優選的，底錐14為實心圓錐體，供液管可以沿軸心伸入上部凍結管Ila中，並延伸至下部凍結管Ilb的底部。
[0038]在實際應用中，在上部凍結管Ila的側壁上還設有回液管15，可以理解，供液管12從凍結管11底部持續向凍結管內注入低溫凍結液，凍結管內的低溫凍結液，與凍結壁進行熱交換後，溫度會升高，當低溫凍結液持續注入至回液管15所在的位置時，上部的高溫媒質可以通過上部凍結管Ila側壁上的回液管15輸送至凍結站機組，凍結站機組對其進行降溫處理後再次得到低溫凍結液以供凍結施工使用，可以實現凍結管內凍結液的循環利用。
[0039]本實施例提供的凍結器通過對上下部凍結管的變徑設置，使得鹽水在不同部位的回流速度不同，上部鹽水回流速度小，下部回流速度大，從而使得上下部去路鹽水的冷凍溫度產生差異，同時上下部凍結管對外熱交換面積不同，下面凍結管細，熱交換能力小，上部凍結管粗，熱交換能力強。因此可以實現對凍結壁的分段控制，在整個凍結段施工過程中，凍結壁強度和厚度、井幫溫度與開挖速度協調，不弱凍也不過凍，提高了井筒掘砌施工的安全性，節約用電損耗及管材的消耗，做到安全可靠、經濟節約。
[0040]圖2為本發明又一實施例提供的凍結器剖面示意圖。如圖2所示，本實施例提供的凍結器20在圖1所示實施例的基礎上，增加了第二供液管26。具體的，第二供液管26從上部凍結管21a的頂部管口伸入，並延伸至變徑臺階23處。
[0041]可以理解，本實施例提供的凍結器20的凍結管21由上部凍結管21a和下部凍結管21b組成，上部凍結管21a和下部凍結管21b之間通過變徑臺階23連通，且上部凍結管21a的管徑大於下部凍結管21b的管徑。底錐24與下部凍結管21b的底部連接。第一供液管22由上部凍結管21a的頂部管口伸入，並延伸至下部凍結管21b的底部。
[0042]優選的，上部凍結管21a、下部凍結管21b和底錐24同軸心設置，優選的，底錐24為實心圓錐體，供液管可以沿軸心伸入凍結管21中。
[0043]為了保證冷媒介質能順利循環，一種較佳的實施方式是，第二供液管26的管徑大於第一供液管22的管徑。
[0044]作為一種可選的實施方式，上部凍結管21a可以選用管徑為170mm的無縫鋼管，下部凍結管21b可以選用管徑為159mm的無縫鋼管，上下部凍結管之間通過變徑臺階23以焊接的方式連通。第一供液管和第二供液管作為冷卻液輸送管道，為了滿足空間和回液要求，可選的，第一供液管22可以選用管徑為40mm的橡膠管,第二供液管26選用管徑為50mm的橡膠管。
[0045]在實際應用中，在上部凍結管21a的側壁上還設有回液管25，以便凍結管內鹽水的循環。
[0046]在實際應用中，一方面，第一供液管22和第二供液管26可以通過管卡固定在一起同時下放入凍結管21內，也可以分開下放，先下放第一供液管22，後下放第二供液管26。另一方面，第一供液管22和第二供液管26可以安裝在同一去迴路鹽水集液圈上，也可以分開安裝在不同的去迴路鹽水集液圈上，以便對鹽水溫度進行精細控制，對兩路供液管輸送不同溫度的鹽水。
[0047]本實施例提供的凍結器20在圖1所示實施例提供的凍結器10的基礎上，增加了雙循環供液管設置，由於兩路供液管可以分開送冷，分開控制，因此不僅可以實現對凍結壁的分段控制，還可以實現對凍結壁的分期控制。例如，在對其中一路供液管送冷時，另一路供液管可以隨時關停，或者對兩路供液管輸送不同溫度的鹽水。本實施例提供的凍結器可以實現對凍結壁的分段和分期控制，在整個凍結段施工過程中，凍結壁強度和厚度、井幫溫度與開挖速度協調，不弱凍也不過凍，提高了井筒掘砌施工的安全性，節約用電損耗及管材的消耗，做到安全可靠、經濟節約。
[0048]圖3為本發明再一實施例提供的凍結器剖面示意圖。如圖3所示，本實施例提供的凍結器30包括凍結管31，第一供液管32和底錐34，還包括第二供液管36。
[0049]具體的，底錐34與凍結管31的底部連接，第一供液管32由凍結管31的頂部管口伸入，並延伸至凍結管31的底部；第二供液管36由凍結管31的頂部管口伸入，並延伸至凍結管31的中間位置。
[0050]為了保證冷媒介質能順利循環，一種較佳的實施方式是，第二供液管36的管徑大於第一供液管32的管徑。
[0051]作為一種可選的實施方式，凍結管31可以選用管徑為170_的無縫鋼管，同時為了滿足空間和回液要求，第一供液管32可以選用管徑為40mm的橡膠管，第二供液管36可以選用管徑為50mm的橡膠管。
[0052]作為一種較佳的實施方式，凍結管31和底錐34同軸心設置，優選的，底錐34為實心圓錐體。
[0053]在實際應用中，一方面，第一供液管32和第二供液管36可以通過管卡固定在一起同時下放入凍結管31內，也可以分開下放，先下放第一供液管32，後下放第二供液管36。另一方面，第一供液管32和第二供液管36可以安裝在同一去迴路鹽水集液圈上，也可以分開安裝在不同的去迴路鹽水集液圈上，以便對鹽水溫度進行精細控制，對兩路供液管輸送不同溫度的鹽水。
[0054]本實施例提供的凍結器通過長短雙循環供液管設置，由於兩路供液管可以分開送冷，分開控制，例如，在對其中一路供液管送冷時，另一路供液管可以隨時關停，或者對兩路供液管輸送不同溫度的鹽水，可以實現對凍結壁的分段和分期控制，在整個凍結段施工過程中，凍結壁強度和厚度、井幫溫度與開挖速度協調，不弱凍也不過凍，提高了井筒掘砌施工的安全性，節約用電損耗及管材的消耗，做到安全可靠、經濟節約。
[0055]為讓上述凍結器的特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉凍結施工實施例，並配合附圖作詳細說明。顯然，所描述的實施例是示意性的，而非限定性的。
[0056]圖4為本發明實施例提供的凍結器在凍結施工中布置示意圖，圖5為圖4的剖面示意圖。可以理解，圖4和圖5僅用來進行示意性的描述說明。在實際立井凍結施工中，凍結孔設計、凍結管變徑位置設置、長短供液管差異凍結位置設置等，均應根據井筒地質狀況等因素在方案制定中反覆推算和預測，保證整個凍結段的施工安全、連續施工要求和最大的經濟技術效益。一般情況下根據凍結器所起的作用不同，設計內容也有所差別。
[0057]請同時參照圖4和圖5，立井凍結施工中根據井筒A開挖深度的不同會涉及到三種類別的凍結孔，由內向外依次有內圈孔B、輔助孔C和主洞孔D，不同的凍結孔拉手圍成相應的凍結圈。井筒A隨著開挖深度的不斷增加，井筒也會變徑，如圖5中Ra所示的位置就是井筒變徑位置。
[0058]主凍孔D是凍結壁厚度和強度的主要貢獻者，在凍結段上部(一般深度在40m以內)和基巖段起到封水作用，最早拉手形成封閉凍結帷幕，故主凍孔的設計一般表土段不做變徑設計，以保證凍結壁具有足夠的強度和厚度，基巖段可以考慮雙循環供液管差異凍結，隨著立井開外深度的不斷增加選擇合適的位置做變徑設計，如圖5中Rd所示位置就是主凍孔D的變徑位置。
[0059]輔助孔C是凍結壁厚度和強度的有力補充和加強，尤其是在關鍵層位，凍結壁厚度必須保證有足夠強度和厚度，故輔助孔的設計可以在具體施工中根據預先探測的井壁地質狀況來設計，並根據關鍵層位位置等來設計差異凍結的位置，如圖5中R。所示位置就是輔助孔C的變徑位置。
[0060]內圈孔B是對凍結壁厚度的進一步補充，降低凍結壁的平均溫度，同時降低井幫溫度，防止片幫及井幫產生較大位移等不安全因素的發生，是為掘砌工作的快速安全進行提供必要保障，故內圈孔的差異凍結設計應首先考慮井幫溫度要求，內圈孔設計要即能保證井幫溫度合適、不片幫、井幫位移小，又能不讓凍土過多的進入到井心，不使井心凍實，實現不過凍也不弱凍的「挖糖心」式凍結效果。如圖5中Rb所示位置就是內圈孔B的變徑位置。
[0061]可以理解，在具體施工中，上述各類凍結孔均可以根據實際需要選擇採用變徑設計的凍結器，或採用雙循環供液管設計的凍結器，或採用變徑和雙循環供液管設計的凍結器。
[0062]基於上述實施例提供的凍結器，本發明還提供一種立井凍結系統，包括凍結站機組和至少一個圖1或圖2所示實施例提供的凍結器，以及至少一個圖3所示實施例提供的凍結器。
[0063]具體的，凍結站機組包括去路集液圈、冷凍液循環器以及迴路集液圈，去路集液圈與凍結器的供液管連接，迴路集液圈與凍結器的回液管連接，冷凍液循環器分別與去路集液圈和迴路集液圈連接，用於將迴路的高溫鹽水處理為低溫的冷凍液，並通過連接在去路集液圈上的凍結器的供液管輸送至凍結管中。
[0064]本發明提供的立井凍結系統，由於該立井凍結系統所採用的凍結器可以實現對凍結壁的分段和/或分期控制，故各段井筒凍結需冷量是分期需求的，可以減少機組的最大需求量，機組也就相應減少了。同時，由於分段控制，做到了各段凍結壁不弱凍也不過凍，因此可以降低了能耗，節約了用電和機組運行成本。
[0065]最後應說明的是:以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。
【權利要求】
1.一種凍結器，其特徵在於，包括:凍結管、第一供液管和底錐；其中， 所述凍結管由上部凍結管和下部凍結管組成，所述上部凍結管和所述下部凍結管之間通過變徑臺階連通，且所述上部凍結管的管徑大於所述下部凍結管的管徑；所述底錐與所述下部凍結管的底部連接； 所述第一供液管由所述上部凍結管的頂部管口伸入，並延伸至所述下部凍結管的底部。
2.根據權利要求1所述的凍結器，其特徵在於，還包括: 第二供液管，所述第二供液管從所述上部凍結管的頂部管口伸入，並延伸至所述變徑臺階處。
3.根據權利要求2所述的凍結器，其特徵在於，所述第二供液管的管徑大於所述第一供液管的管徑。
4.根據權利要求1-3任一項所述的凍結器，其特徵在於，所述上部凍結管的側壁上還設有回液管。
5.根據權利要求4所述的凍結器，其特徵在於，所述上部凍結管、所述下部凍結管和所述底錐同軸心設置。
6.一種凍結器，其特徵在於，包括:凍結管、第一供液管和底錐；其中，所述底錐與所述凍結管的底部連接；所述第一供液管由所述凍結管的頂部管口伸入，並延伸至所述凍結管的底部； 還包括:第二供液管； 所述第二供液管由所述凍結管的頂部管口伸入，並延伸至所述凍結管的中間位置。
7.根據權利要求6所述的凍結器，其特徵在於，所述第二供液管的管徑大於所述第一供液管的管徑。
8.根據權利要求6或7所述的凍結器，其特徵在於，所述凍結管的側壁上還設有回液管。
9.一種立井凍結系統，其特徵在於，包括:凍結站機組和至少一個權利要求1-5任一項所述的凍結器，以及至少一個權利要求6-8任一項所述的凍結器；其中，所述凍結站機組包括去路集液圈和迴路集液圈，所述去路集液圈與所述凍結器的供液管連接，所述迴路集液圈與所述凍結器的回液管連接。
【文檔編號】E21D1/14GK104453911SQ201410720545
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月2日 優先權日:2014年12月2日
【發明者】張海驕, 湯江明, 王成博, 劉冠學, 餘國鋒 申請人:淮南礦業(集團)有限責任公司