综掘机快速掘进条件下斜井的冻结管及其布置方法

本发明涉及矿山建设技术领域，更具体地说，涉及一种综掘机快速掘进条件下斜井的冻结管及其布置方法。

背景技术：

在煤矿开采的过程中，表土层深度较浅且煤层埋藏深度不大的矿井，多数采用斜井的开拓方式。但是当斜井井筒穿过含水或者不稳定的表土地层时，导致斜井在挖掘的过程中造成很大的困难，导致掘进的工作很难顺利按期通过。

目前，传统的施工方法大多数采用旋喷或者注浆法施工，掘砌采用人工配合小型挖掘机施工，掘砌速度每个月低于35米，成井速度较慢，总体施工进度不能满足快速施工的现状。而且当斜井井筒穿过含水或者不稳定的表土地层时，使矿井在挖掘的过程中容易出现塌方的现象，给挖掘的工作带来了安全隐患。

因此，如何解决现有技术中在斜井掘砌任务中，施工效率低以及存在安全隐患的问题，成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供综掘机快速掘进条件下斜井的冻结管及其布置方法以解决现有技术中在斜井掘砌任务中，施工效率低以及存在安全隐患的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了冻结管，包括：

第一冷冻组件，所述第一冷冻组件包括第一管体以及套设在所述第一管体外部的第二管体，所述第一管体的一端设置在所述第二管体的内部，所述第一管体的另一端设置在所述第二管体的外部，并且所述第一管体的两端均设置有第一开口，所述第二管体的第一段设置有用于将所述第一管体进行包围的第一密闭空腔，所述第二管体的第二段设置有用于将所述第一管体进行包围的第二密闭空腔，所述第一密闭空腔的顶侧壁上设置有第二开口，所述第二密闭空腔的顶侧壁上设置有第三开口；

第二冷冻组件，所述第二冷冻组件包括第三管体以及套设在所述第三管体外部的第四管体，所述第三管体的一端设置在所述第四管体的内部，所述第三管体的另一端设置在所述第四管体的外部，并且所述第三管体的两端均设置有第四开口，所述第四管体设置有用于将所述第三管体进行包围的第三密闭空腔，所述第三密闭空腔的顶侧壁上设置有第五开口，并且沿所述第三密闭空腔的周向、在靠近所述第五开口的一段的内侧壁上设置有保温材料。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述第二管体在远离所述第三开口的一端以及所述第四管体在远离所述第五开口的一端均为圆锥状。

进一步的，所述保温材料为橡胶保温棉。

进一步的，所述第一管体、所述第二管体、所述第三管体以及所述第四管体的材质均为钢。

一种冻结管的布置方法，其具体步骤为：

a.在明挖段相对应的地面上垂直钻多排第一冷冻孔，各排所述第一冷冻孔平行并排设置，并且相邻的两排所述第一冷冻孔之间具有间距；

b.在暗挖段相对应的地面上垂直钻多排第二冷冻孔，各排所述第二冷冻孔平行并排设置，并且相邻的两排所述第二冷冻孔之间具有间距；

c.将第一冷冻组件一一对应插入到所述第一冷冻孔内，将第二冷冻组件一一对应插入到所述第二冷冻孔内；

d.在所述明挖段相对应的地面上垂直钻多个测温孔，并且每个所述测温孔均分布在相邻的两排所述第一冷冻孔之间的中间部位以及冻结壁预计外轮廓的位置；

e.在所述暗挖段相对应的地面上垂直钻多个所述测温孔，并且每个所述测温孔均分布在相邻的两排所述第二冷冻孔之间的中间部位以及所述冻结壁预计外轮廓的位置；

f.将测温管一一对应插入到各个所述测温孔内；

g.将测温元件一一对应放入到各根所述测温管内，并将所述测温元件下放至斜井需要被冻结的位置。

进一步的，在已浇筑完成的井筒段与所述明挖段的交界处设置多个第三冷冻孔，各个所述第三冷冻孔分别位于各排所述第一冷冻孔所在的轴线上以及相邻两个所述轴线的中间位置处，再将所述第一冷冻组件一一对应插入到所述第三冷冻孔内。

进一步的，在所述明挖段与所述暗挖段的交界处设置多个第四冷冻孔，各个所述第四冷冻孔分别位于各排所述第一冷冻孔所在的所述轴线上以及相邻两个所述轴线的中间位置处，再将所述第一冷冻组件一一对应插入到所述第四冷冻孔内。

进一步的，所述测温管为无缝钢管。

本申请提供的技术方案包括以下有益效果：

本发明提供的技术方案中，冻结管，包括第一冷冻组件以及第二冷冻组件，第一冷冻组件包括第一管体以及第二管体，第二管体套设在第一管体的外部，第一管体的一端设置在第二管体的内部，第一管体的另一端设置在第二管体的外部，并且第一管体的两端均设置有第一开口，第二管体的第一段设置有用于将第一管体进行包围的第一密闭空腔，第二管体的第二段设置有用于将第一管体进行包围的第二密闭空腔，第一密闭空腔的顶侧壁上设置有第二开口，第二密闭空腔的顶侧壁上设置有第三开口，第二冷冻组件包括第三管体以及第四管体，第四管体套设在第三管体的外部，第三管体的一端设置在第四管体的内部，第三管体的另一端设置在第四管体的外部，并且第三管体的两端均设置有第四开口，第四管体设置有用于将第三管体进行包围的第三密闭空腔，第三密闭空腔的顶侧壁上设置有第五开口，并且沿第三密闭空腔的周向、在靠近第五开口的一段的内侧壁上设置有保温材料。如此设置，综掘机在掘进工作中，考虑井筒分布在自然地坪上、下两部分，冻结工程分为明挖段冻结和暗挖段冻结，第一冷冻组件用于对明挖段进行冻结，第一冷冻组件对明挖段在开挖断面的两侧以及底板形成冻结壁，低温盐水通过第一开口进入到第二密闭空腔内，然后由下至上从第三开口流出第二密闭空腔，低温盐水在第一冷冻组件内循环的过程中对其周围的水分以及土壤形成冻结，为了减少明挖段在开挖断面内冻结壁的厚度，减小挖冻土的开挖量，加快掘进速度以及同时达到节约冻结冷量的目的，因此通过第二开口将第一冷冻组件中的第一密闭空腔进行抽真空处理，使装有低温盐水的第二密闭空腔与周围的土壤之间通过抽真空的第一密闭空腔进行隔离，从而达到保温的目的，可以减少非主要冻结段与地层接触，减少冷量损失；第二冷冻组件用于对暗挖段进行冻结，第二冷冻件对暗挖段在开挖断面的两侧、顶板以及底板形成冻结壁，低温盐水通过第四开口进入到第三密闭空腔内，然后由下至上从第五开口流出第三密闭空腔，低温盐水在第二冷冻组件内循环的过程中对其周围的水分以及土壤形成冻结，为了减少暗挖段在开挖断面内冻结壁的厚度，减小挖冻土的开挖量，加快掘进速度以及同时达到节约冻结冷量的目的，因此在第三密闭空腔靠近第五开口的一段的内侧壁上设置有保温材料，采用保温材料可以减少此段与地层接触，减少冷量损失；从而解决了现有技术中在斜井掘砌任务中，施工效率低以及存在安全隐患的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中第一冷冻组件的结构示意图；

图2是本发明实施例中第二冷冻组件的结构示意图；

图3是本发明实施例中斜井内冻结管布置的主视图；

图4是本发明实施例中斜井内冻结管布置的俯视图；

图5是本发明实施例中明挖段冻结管布置的剖面图；

图6是本发明实施例中暗挖段冻结管布置的剖面图；

图7是本发明实施例中综掘机在掘进过程中暗挖段冻结管布置的剖面图。

附图标记：

1、第一冷冻组件；2、第一管体；3、第二管体；4、第一开口；5、第一密闭空腔；6、第二密闭空腔；7、第二开口；8、第三开口；9、第二冷冻组件；10、第三管体；11、第四管体；12、第四开口；13、第三密闭空腔；14、第五开口；15、保温材料；16、明挖段；17、第一冷冻孔；18、暗挖段；19、第二冷冻孔；20、测温孔；21、井筒段；22、第三冷冻孔；23、第四冷冻孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本具体实施方式的目的在于提供综掘机快速掘进条件下斜井的冻结管及其布置方法；从而解决了现有技术中在斜井掘砌任务中，施工效率低以及存在安全隐患的问题。

以下，参照附图对实施例进行说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。

请参阅图1-图7，本实施例提供了冻结管，包括第一冷冻组件1以及第二冷冻组件9，第一冷冻组件1包括第一管体2以及第二管体3，第二管体3套设在第一管体2的外部，第一管体2的一端设置在第二管体3的内部，第一管体2的另一端设置在第二管体3的外部，并且第一管体2的两端均设置有第一开口4，第二管体3的第一段设置有用于将第一管体2进行包围的第一密闭空腔5，第二管体3的第二段设置有用于将第一管体2进行包围的第二密闭空腔6，第一密闭空腔5的顶侧壁上设置有第二开口7，第二密闭空腔6的顶侧壁上设置有第三开口8，第二冷冻组件9包括第三管体10以及第四管体11，第四管体11套设在第三管体10的外部，第三管体10的一端设置在第四管体11的内部，第三管体10的另一端设置在第四管体11的外部，并且第三管体10的两端均设置有第四开口12，第四管体11设置有用于将第三管体10进行包围的第三密闭空腔13，第三密闭空腔13的顶侧壁上设置有第五开口14，并且沿第三密闭空腔13的周向、在靠近第五开口14的一段的内侧壁上设置有保温材料15，保温材料15的材质可以根据具体的使用环境进行设定，本实施例中保温材料15优选为橡胶保温棉，厚度优选为5cm,第一管体2、第二管体3、第三管体10以及第四管体11的材质均优选为钢，第一管体2、第二管体3、第三管体10以及第四管体11的尺寸大小可以根据具体的使用环境进行设定。

如此设置，综掘机在掘进工作中，考虑井筒分布在自然地坪上、下两部分，冻结工程分为明挖段16冻结和暗挖段18冻结，第一冷冻组件1用于对明挖段16进行冻结，第一冷冻组件1对明挖段16在开挖断面的两侧以及底板形成冻结壁，低温盐水通过第一开口4进入到第二密闭空腔6内，然后由下至上从第三开口8流出第二密闭空腔6，低温盐水在第一冷冻组件1内循环的过程中对其周围的水分以及土壤形成冻结，为了减少明挖段16在开挖断面内冻结壁的厚度，减小挖冻土的开挖量，加快掘进速度以及同时达到节约冻结冷量的目的，因此通过第二开口7将第一冷冻组件1中的第一密闭空腔5进行抽真空处理，使装有低温盐水的第二密闭空腔6与周围的土壤之间通过抽真空的第一密闭空腔5进行隔离，从而达到保温的目的，可以减少非主要冻结段与地层接触，减少冷量损失；第二冷冻组件9用于对暗挖段18进行冻结，第二冷冻组件9对暗挖段18在开挖断面的两侧、顶板以及底板形成冻结壁，低温盐水通过第四开口12进入到第三密闭空腔13内，然后由下至上从第五开口14流出第三密闭空腔13，低温盐水在第二冷冻组件9内循环的过程中对其周围的水分以及土壤形成冻结，为了减少暗挖段18在开挖断面内冻结壁的厚度，减小挖冻土的开挖量，加快掘进速度以及同时达到节约冻结冷量的目的，因此在第三密闭空腔13靠近第五开口14的一段的内侧壁上固定粘合有保温材料15，采用保温材料15可以减少此段与地层接触，减少冷量损失；通过第一冷冻组件1以及第二冷冻组件9的冻结，确保了冻结壁的厚度，有效支撑井筒掘进的顺利进行，大幅提高冻结斜井井筒成井速度，而且还有效避免矿井在挖掘的过程中容易出现塌方的现象，提高了斜井掘进的安全性；从而解决了现有技术中在斜井掘砌任务中，施工效率低以及存在安全隐患的问题。

作为可选的实施方式，第二管体3在远离第三开口8的一端以及第四管体11在远离第五开口14的一端均为圆锥状。如此设置，第二管体3的顶部以及第四管体11的顶部均为圆锥状，能够使第二管体3以及第四管体11在运动的过程中减少一定的阻力，使第一冷冻组件1以及第二冷冻组件9更加轻便快速的插入到地表内。

一种冻结管的布置方法，其具体步骤为：

a.在明挖段16相对应的地面上垂直钻多排第一冷冻孔17，各排第一冷冻孔17平行并排设置，并且相邻的两排第一冷冻孔17之间具有间距；

b.在暗挖段18相对应的地面上垂直钻多排第二冷冻孔19，各排第二冷冻孔19平行并排设置，并且相邻的两排第二冷冻孔19之间具有间距；

c.将第一冷冻组件1一一对应插入到第一冷冻孔17内，将第二冷冻组件9一一对应插入到第二冷冻孔19内；

d.在明挖段16相对应的地面上垂直钻多个测温孔20，并且每个测温孔20均分布在相邻的两排第一冷冻孔17之间的中间部位以及冻结壁预计外轮廓的位置；

e.在暗挖段18相对应的地面上垂直钻多个测温孔20，并且每个测温孔20均分布在相邻的两排第二冷冻孔19之间的中间部位以及冻结壁预计外轮廓的位置；

f.将测温管一一对应插入到各个测温孔20内；

g.将测温元件一一对应放入到各根测温管内，并将测温元件下放至斜井需要被冻结的位置。

本实施例各个冷冻孔的长度随着斜井的埋深的增加而增大，但只有开挖断面附近一定范围内的土体需要被冻结，为了减少冷量的损失，在明挖段16冻结孔以及暗挖段18冻结孔均采用局部控制冻结。但由于明挖段16以及暗挖段18保温段的长度不同，考虑施工的难易程度以及经济性，分别对明挖段16以及暗挖段18采取局部保温的方案，明挖段16井壁底板以上土体需要采用综掘机全部挖除，因此只需要在井壁外轮廓两侧以及底部形成冻结壁即可，同时明挖段16冻结的深度较小，需要保温的范围较小，为了达到上述冻结效果，明挖段16冻结孔采用抽真空局部保温冻结，即只对开挖断面以下位置进行冻结，开挖断面以上位置通过对第一冷冻组件1抽真空的方式进行保温，从而减少坚硬冻土的开挖量，并减小冷量的损失。暗挖段18需要采用综掘机掏除井壁轮廓线内的土体，因此需要在井壁轮廓线外形成一个完整的冻结壁，但同时考虑到只需要保证冻结壁满足掘进时的封水要求即可，因此第二冷冻孔19不需要全深冻结。暗挖段18的第二冷冻孔19深度较大，需要保温的范围较大，若采取抽真空的方式，能耗较大，因此采取操作更为简易的冻结管包裹保温材料15的方式进行保温处理，本实施例中井壁轮廓上下5m范围内需要有效冻结，其余部分均进行保温处理。

本实施例中将测温元件放入至测温管内，是为了在冻结过程中，工作人员能够及时掌握冻结壁的发展情况，如果冻结壁的温度不够低，导致冻结壁不牢固，存在坍塌的风险，如果冻结壁的温度过于低，导致井筒周围的环境容易出现开裂的情况，依然会影响斜井掘砌的进度。

更具体的实施方式，在已浇筑完成的井筒段与明挖段16的交界处设置多个第三冷冻孔22，各个第三冷冻孔22分别位于各排第一冷冻孔17所在的轴线上以及相邻两个轴线的中间位置处，再将第一冷冻组件1一一对应插入到第三冷冻孔22内。

已浇筑井筒段21与明挖段16之间的交界处设置多个第三冷冻孔22，第三冷冻孔22与边排的第一冷冻孔17、中部位的第一冷冻孔17共同冻结。为了保证明挖段16起始部分冻结壁的厚度及强度，本实施例设置两排第三冷冻孔22，第三冷冻孔22的孔间距优选为1270mm，排间距优选为2000mm。

更具体的实施方式，在明挖段16与暗挖段18的交界处设置多个第四冷冻孔23，各个第四冷冻孔23分别位于各排第一冷冻孔17所在的轴线上以及相邻两个轴线的中间位置处，再将第一冷冻组件1一一对应插入到第四冷冻孔23内。

明挖段16与暗挖段18的交界处设置多个第四冷冻孔23，第四冷冻孔23与边排的第一冷冻孔17、中部位的第一冷冻孔17共同冻结。为了保证暗挖段18起始部分冻结壁的厚度及强度，本实施例设置一排第四冷冻孔23，第一冷冻孔17以及其两测的第三冷冻孔22、第四冷冻孔23共同形成了冻结帷幕，起到封顶、封底、封侧壁、封端头以及形成封闭区域的作用。

作为可选的实施方式，本实施例中测温管优选为无缝钢管，测温管的尺寸优选为φ89×5.0mm。

冻结段掘进中需要割除穿过井筒断面的冷冻组件，根据开挖工艺和底板测温孔20温度回升情况，对割除的冷冻组件进行恢复冻结，确保井筒内壁施工前冻结壁处于封闭状态，保证掘砌施工连续、安全；本实施例中采取加深边排孔冻结深度3至5m的措施，保证不恢复割除中间冷冻组件冻结的情况下，维持底板冻结壁的封闭性能。

根据掘砌施工工艺及速度，设计沿中间孔纵向隔排恢复冻结方案，即间隔恢复冻结。底板恢复单号孔，则顶板恢复双号孔。底板恢复冻结利用中间孔靠外侧的两排冻结管作为底板冷冻组件去回路，采用钢管连接去回路冻结管和底板冷冻组件串联，利用阀门控制流量。顶板恢复冻结的冷冻组件割除后，焊接密封底端口，直接地面串联冷冻组件，利用阀门控制流量，以不影响正常冻结段冷冻组件的冻结功能。

明挖段16掘进过程中，需要破坏冻结管时，及时恢复常压，方可进行冻结管切割处理。暗挖段18掘进过程中，需要破坏冻结管时，及时尽可能回收保温材料15，方可进行冻结管切割处理，充分回收利用为后续冻结管做好保温。

在综掘机掘进过程中，由于掘进速度较快，且掘进机自身重量较大，加之掘进扰动影响，为了保证施工的安全，冻结壁必须保持原有的厚度及强度，但是由于冻结管穿过掘进断面，因此需要一种打断开挖断面内冻结管，并维持冻结壁冻结的方法。为了达到上述目的，提出以下解决方案：

首先关闭冷冻组件，所述掘进断面距离要保护的冷冻组件5m左右时，关闭冷冻组件，停止盐水流动，打开冷冻组件胶管，采用气泵吹净冷冻组件内盐水，密封好上口，防止空气流通。

断面掘进剥露出冷冻组件后，从荒径顶、底板环形割除冷冻组件，冻结管头外漏300mm左右，实际预留冻结管头长度以不影响井筒内施工且方便后续焊接为准，然后分别焊接封堵板或连接管。底板恢复冻结的连接管焊接完成后，做好保护，可以充灌盐水，同时检查是否渗漏，确认无渗漏后，即可投入冻结运行。顶板恢复冻结的冻结孔，掘砌顶板位置割除后，焊接封堵完成后充灌盐水，同时检查是否渗漏，确认无渗漏后，即可投入冻结运行。恢复冻结的冷冻组件待井筒内壁施工完成后即可停止运行，但恢复冻结的冷冻组件与内壁始终保持3m左右的交接。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。