冻结器及立井冻结系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种冻结器及立井冻结系统，冻结器包括：冻结管、第一供液管和底锥；其中，所述冻结管由上部冻结管和下部冻结管组成，所述上部冻结管和所述下部冻结管之间通过变径台阶连通，且所述上部冻结管的管径大于所述下部冻结管的管径；所述底锥与所述下部冻结管的底部连接；所述第一供液管由所述上部冻结管的顶部管口伸入，并延伸至所述下部冻结管底部。本发明通过改变冻结管管径设计，可以实现对冻结壁的分段控制，在整个冻结段施工过程中，冻结壁强度和厚度、井帮温度与开挖速度协调，不弱冻也不过冻，提高了井筒掘砌施工的安全性，节约用电损耗及管材的消耗，做到安全可靠、经济节约。
【专利说明】冻结器及立井冻结系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及立井冻结技术，尤其涉及一种冻结器及立井冻结系统。
【背景技术】
[0002]冻结技术已广泛应用到立井和隧道等地下工程中，冻结技术就是对未知和复杂的表土层进行预先冻结处理。立井工程中表土段采用冻结技术施工通过。近20年来，用冻结法施工的立井达到几百个，冻结深度在不断增大，例如新集口孜东煤矿冻结深度达到737米，一度成为最深的冻结井。随着冻结深度的不断增大，冻结施工中很难做到精细控制，准备把握，在通常情况下是超冻或者过冻，浪费了大量的电力和材料消耗，同时也给井筒安全掘砌带来很多不确定的安全隐患，造成冻结立井施工时常发生断管、透水等严重工程事故，惨痛的经验教训记忆深刻。
[0003]比如，当冻结深度超过400米，各圈冻结孔的设计难度较大，现有技术是全冻结段上下同时送冷或停冻，这样容易造成井帮温度上下不均匀的情况，从而给井筒掘砌施工带来巨大的困难和安全隐患，造成成本浪费和工期延误。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种冻结器及立井冻结系统，专门为解决深井冻结，温度场控制问题而进行的设计，实现对整个冻结壁进行分段和/或分期控制，有效解决以往冻结方式容易造成井帮温度上下不均匀，从而给井筒掘砌施工带来巨大的困难和安全隐患，造成成本浪费和工期延误的问题。
[0005]第一方面，本发明提供的冻结器包括:冻结管、第一供液管和底锥；其中，所述冻结管由上部冻结管和下部冻结管组成，所述上部冻结管和所述下部冻结管之间通过变径台阶连通，且所述上部冻结管的管径大于所述下部冻结管的管径；所述底锥与所述下部冻结管的底部连接；所述第一供液管由所述上部冻结管的顶部管口伸入，并延伸至所述下部冻结管底部。本实施例提供的冻结器通过改变冻结管管径设计，由于粗冻结管的热交换能力比细冻结管的要强，因此可以实现对冻结壁的分段控制，在整个冻结段施工过程中，冻结壁强度和厚度、井帮温度与开挖速度协调，不弱冻也不过冻，提高了井筒掘砌施工的安全性，节约用电损耗及管材的消耗，做到安全可靠、经济节约。
[0006]第二方面，本发明提供的冻结器包括:冻结管、第一供液管和底锥；其中，所述底锥与所述冻结管的底部连接；所述第一供液管由所述冻结管的顶部管口伸入，并延伸至所述冻结管的底部；还包括:第二供液管；所述第二供液管由所述冻结管的顶部管口伸入，并延伸至所述冻结管的中间位置。本实施例提供的冻结器通过长短双循环供液管设计，由于两路供液管可以分开送冷，分开控制，例如，在对其中一路供液管送冷时，另一路供液管可以随时关停，或者对两路供液管输送不同温度的盐水，可以实现对冻结壁的分段和分期控制，在整个冻结段施工过程中，冻结壁强度和厚度、井帮温度与开挖速度协调，不弱冻也不过冻，提高了井筒掘砌施工的安全性，节约用电损耗及管材的消耗，做到安全可靠、经济节约。
[0007]第三方面，本发明还提供一种立井冻结系统，该立井冻结系统包括:冻结站机组和至少一个上述第一方面提供的冻结器，以及至少一个上述第二方面提供的冻结器；其中，所述冻结站机组包括去路集液圈和回路集液圈，所述去路集液圈与所述冻结器的供液管连接，所述回路集液圈与所述冻结器的回液管连接。由于上述冻结器可以实现对冻结壁的分段和/或分期控制，故各段井筒冻结需冷量是分期需求的，可以减少机组的最大需求量，机组也就相应减少了。同时，由于分段控制，做到了各段冻结壁不弱冻也不过冻，因此可以降低了能耗，节约了用电和机组运行成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明一实施例提供的冻结器剖面示意图；
[0009]图2为本发明又一实施例提供的冻结器剖面示意图；
[0010]图3为本发明再一实施例提供的冻结器剖面示意图；
[0011]图4为本发明实施例提供的冻结器在冻结施工中布置示意图；
[0012]图5为图4的剖面示意图。
[0013]附图标记说明:
[0014]10、20、30:冻结器；
[0015]11、21、31:冻结管;
[0016]11a,21a:上部冻结管；
[0017]llb、21b:下部冻结管；
[0018]12、22、32:第一供液管；
[0019]13、23:变径台阶；
[0020]14、24、34:底锥；
[0021]15、25、35:回液管;
[0022]26、36:第二供液管；
[0023]A:井筒；
[0024]B:内圈孔；
[0025]C:辅助孔；
[0026]D:主洞孔；
[0027]Ra:井筒变径位置；
[0028]Rb:内圈孔变径位置；
[0029]Rc:辅助孔变径位置；
[0030]Rd:主冻孔变径位置。
【具体实施方式】
[0031]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032]图1为本发明一实施例提供的冻结器剖面示意图。如图1所示，本实施例提供的冻结器10包括冻结管11，第一供液管12和底锥14。
[0033]具体的，冻结管11由上部冻结管Ila和下部冻结管Ilb组成，上部冻结管Ila和下部冻结管Ilb之间通过变径台阶13连通，且上部冻结管Ila的管径大于下部冻结管Ilb的管径。底锥14与下部冻结管Ilb的底部连接。第一供液管12由上部冻结管Ila的顶部管口伸入，并延伸至下部冻结管Ilb的底部。
[0034]其中，上部冻结管Ila的管径和下部冻结管Ilb的管径差值，以及所采用的材质可以根据实际的工况需求来设置。作为一种可选的实施方式，上部冻结管Ila可以选用管径为170_的无缝钢管，下部冻结管Ilb可以选用管径为159_的无缝钢管，上下部冻结管之间通过变径台阶13可以采用焊接等方式连通，由于上下部冻结管的连接部位属于应力集中部位，在进行上下部冻结管连接的过程中，可以采取一些加强处理措施，例如可以在焊接过程中在变径台阶处焊接一箍筋。第一供液管作为冷却液输送管道，可以选用管径为75_的橡胶管。
[0035]作为另一种可选的实施方式，上部冻结管Ila还可以选用管径为159mm的无缝钢管，下部冻结管Ilb选用管径为140mm的无缝钢管。第一供液管选用管径为60mm的橡胶管。
[0036]在实际应用中，第一供液管的管径选择应与冻结管的管径设计相协调一致，一般保证冷媒介质能顺利循环即可。
[0037]作为一种较佳的实施方式，上部冻结管11a、下部冻结管Ilb和底锥14同轴心设置，优选的，底锥14为实心圆锥体，供液管可以沿轴心伸入上部冻结管Ila中，并延伸至下部冻结管Ilb的底部。
[0038]在实际应用中，在上部冻结管Ila的侧壁上还设有回液管15，可以理解，供液管12从冻结管11底部持续向冻结管内注入低温冻结液，冻结管内的低温冻结液，与冻结壁进行热交换后，温度会升高，当低温冻结液持续注入至回液管15所在的位置时，上部的高温媒质可以通过上部冻结管Ila侧壁上的回液管15输送至冻结站机组，冻结站机组对其进行降温处理后再次得到低温冻结液以供冻结施工使用，可以实现冻结管内冻结液的循环利用。
[0039]本实施例提供的冻结器通过对上下部冻结管的变径设置，使得盐水在不同部位的回流速度不同，上部盐水回流速度小，下部回流速度大，从而使得上下部去路盐水的冷冻温度产生差异，同时上下部冻结管对外热交换面积不同，下面冻结管细，热交换能力小，上部冻结管粗，热交换能力强。因此可以实现对冻结壁的分段控制，在整个冻结段施工过程中，冻结壁强度和厚度、井帮温度与开挖速度协调，不弱冻也不过冻，提高了井筒掘砌施工的安全性，节约用电损耗及管材的消耗，做到安全可靠、经济节约。
[0040]图2为本发明又一实施例提供的冻结器剖面示意图。如图2所示，本实施例提供的冻结器20在图1所示实施例的基础上，增加了第二供液管26。具体的，第二供液管26从上部冻结管21a的顶部管口伸入，并延伸至变径台阶23处。
[0041]可以理解，本实施例提供的冻结器20的冻结管21由上部冻结管21a和下部冻结管21b组成，上部冻结管21a和下部冻结管21b之间通过变径台阶23连通，且上部冻结管21a的管径大于下部冻结管21b的管径。底锥24与下部冻结管21b的底部连接。第一供液管22由上部冻结管21a的顶部管口伸入，并延伸至下部冻结管21b的底部。
[0042]优选的，上部冻结管21a、下部冻结管21b和底锥24同轴心设置，优选的，底锥24为实心圆锥体，供液管可以沿轴心伸入冻结管21中。
[0043]为了保证冷媒介质能顺利循环，一种较佳的实施方式是，第二供液管26的管径大于第一供液管22的管径。
[0044]作为一种可选的实施方式，上部冻结管21a可以选用管径为170mm的无缝钢管，下部冻结管21b可以选用管径为159mm的无缝钢管，上下部冻结管之间通过变径台阶23以焊接的方式连通。第一供液管和第二供液管作为冷却液输送管道，为了满足空间和回液要求，可选的，第一供液管22可以选用管径为40mm的橡胶管,第二供液管26选用管径为50mm的橡胶管。
[0045]在实际应用中，在上部冻结管21a的侧壁上还设有回液管25，以便冻结管内盐水的循环。
[0046]在实际应用中，一方面，第一供液管22和第二供液管26可以通过管卡固定在一起同时下放入冻结管21内，也可以分开下放，先下放第一供液管22，后下放第二供液管26。另一方面，第一供液管22和第二供液管26可以安装在同一去回路盐水集液圈上，也可以分开安装在不同的去回路盐水集液圈上，以便对盐水温度进行精细控制，对两路供液管输送不同温度的盐水。
[0047]本实施例提供的冻结器20在图1所示实施例提供的冻结器10的基础上，增加了双循环供液管设置，由于两路供液管可以分开送冷，分开控制，因此不仅可以实现对冻结壁的分段控制，还可以实现对冻结壁的分期控制。例如，在对其中一路供液管送冷时，另一路供液管可以随时关停，或者对两路供液管输送不同温度的盐水。本实施例提供的冻结器可以实现对冻结壁的分段和分期控制，在整个冻结段施工过程中，冻结壁强度和厚度、井帮温度与开挖速度协调，不弱冻也不过冻，提高了井筒掘砌施工的安全性，节约用电损耗及管材的消耗，做到安全可靠、经济节约。
[0048]图3为本发明再一实施例提供的冻结器剖面示意图。如图3所示，本实施例提供的冻结器30包括冻结管31，第一供液管32和底锥34，还包括第二供液管36。
[0049]具体的，底锥34与冻结管31的底部连接，第一供液管32由冻结管31的顶部管口伸入，并延伸至冻结管31的底部；第二供液管36由冻结管31的顶部管口伸入，并延伸至冻结管31的中间位置。
[0050]为了保证冷媒介质能顺利循环，一种较佳的实施方式是，第二供液管36的管径大于第一供液管32的管径。
[0051]作为一种可选的实施方式，冻结管31可以选用管径为170_的无缝钢管，同时为了满足空间和回液要求，第一供液管32可以选用管径为40mm的橡胶管，第二供液管36可以选用管径为50mm的橡胶管。
[0052]作为一种较佳的实施方式，冻结管31和底锥34同轴心设置，优选的，底锥34为实心圆锥体。
[0053]在实际应用中，一方面，第一供液管32和第二供液管36可以通过管卡固定在一起同时下放入冻结管31内，也可以分开下放，先下放第一供液管32，后下放第二供液管36。另一方面，第一供液管32和第二供液管36可以安装在同一去回路盐水集液圈上，也可以分开安装在不同的去回路盐水集液圈上，以便对盐水温度进行精细控制，对两路供液管输送不同温度的盐水。
[0054]本实施例提供的冻结器通过长短双循环供液管设置，由于两路供液管可以分开送冷，分开控制，例如，在对其中一路供液管送冷时，另一路供液管可以随时关停，或者对两路供液管输送不同温度的盐水，可以实现对冻结壁的分段和分期控制，在整个冻结段施工过程中，冻结壁强度和厚度、井帮温度与开挖速度协调，不弱冻也不过冻，提高了井筒掘砌施工的安全性，节约用电损耗及管材的消耗，做到安全可靠、经济节约。
[0055]为让上述冻结器的特征和优点能更明显易懂，下文特举冻结施工实施例，并配合附图作详细说明。显然，所描述的实施例是示意性的，而非限定性的。
[0056]图4为本发明实施例提供的冻结器在冻结施工中布置示意图，图5为图4的剖面示意图。可以理解，图4和图5仅用来进行示意性的描述说明。在实际立井冻结施工中，冻结孔设计、冻结管变径位置设置、长短供液管差异冻结位置设置等，均应根据井筒地质状况等因素在方案制定中反复推算和预测，保证整个冻结段的施工安全、连续施工要求和最大的经济技术效益。一般情况下根据冻结器所起的作用不同，设计内容也有所差别。
[0057]请同时参照图4和图5，立井冻结施工中根据井筒A开挖深度的不同会涉及到三种类别的冻结孔，由内向外依次有内圈孔B、辅助孔C和主洞孔D，不同的冻结孔拉手围成相应的冻结圈。井筒A随着开挖深度的不断增加，井筒也会变径，如图5中Ra所示的位置就是井筒变径位置。
[0058]主冻孔D是冻结壁厚度和强度的主要贡献者，在冻结段上部(一般深度在40m以内)和基岩段起到封水作用，最早拉手形成封闭冻结帷幕，故主冻孔的设计一般表土段不做变径设计，以保证冻结壁具有足够的强度和厚度，基岩段可以考虑双循环供液管差异冻结，随着立井开外深度的不断增加选择合适的位置做变径设计，如图5中Rd所示位置就是主冻孔D的变径位置。
[0059]辅助孔C是冻结壁厚度和强度的有力补充和加强，尤其是在关键层位，冻结壁厚度必须保证有足够强度和厚度，故辅助孔的设计可以在具体施工中根据预先探测的井壁地质状况来设计，并根据关键层位位置等来设计差异冻结的位置，如图5中R。所示位置就是辅助孔C的变径位置。
[0060]内圈孔B是对冻结壁厚度的进一步补充，降低冻结壁的平均温度，同时降低井帮温度，防止片帮及井帮产生较大位移等不安全因素的发生，是为掘砌工作的快速安全进行提供必要保障，故内圈孔的差异冻结设计应首先考虑井帮温度要求，内圈孔设计要即能保证井帮温度合适、不片帮、井帮位移小，又能不让冻土过多的进入到井心，不使井心冻实，实现不过冻也不弱冻的“挖糖心”式冻结效果。如图5中Rb所示位置就是内圈孔B的变径位置。
[0061]可以理解，在具体施工中，上述各类冻结孔均可以根据实际需要选择采用变径设计的冻结器，或采用双循环供液管设计的冻结器，或采用变径和双循环供液管设计的冻结器。
[0062]基于上述实施例提供的冻结器，本发明还提供一种立井冻结系统，包括冻结站机组和至少一个图1或图2所示实施例提供的冻结器，以及至少一个图3所示实施例提供的冻结器。
[0063]具体的，冻结站机组包括去路集液圈、冷冻液循环器以及回路集液圈，去路集液圈与冻结器的供液管连接，回路集液圈与冻结器的回液管连接，冷冻液循环器分别与去路集液圈和回路集液圈连接，用于将回路的高温盐水处理为低温的冷冻液，并通过连接在去路集液圈上的冻结器的供液管输送至冻结管中。
[0064]本发明提供的立井冻结系统，由于该立井冻结系统所采用的冻结器可以实现对冻结壁的分段和/或分期控制，故各段井筒冻结需冷量是分期需求的，可以减少机组的最大需求量，机组也就相应减少了。同时，由于分段控制，做到了各段冻结壁不弱冻也不过冻，因此可以降低了能耗，节约了用电和机组运行成本。
[0065]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【权利要求】
1.一种冻结器，其特征在于，包括:冻结管、第一供液管和底锥；其中， 所述冻结管由上部冻结管和下部冻结管组成，所述上部冻结管和所述下部冻结管之间通过变径台阶连通，且所述上部冻结管的管径大于所述下部冻结管的管径；所述底锥与所述下部冻结管的底部连接； 所述第一供液管由所述上部冻结管的顶部管口伸入，并延伸至所述下部冻结管的底部。
2.根据权利要求1所述的冻结器，其特征在于，还包括: 第二供液管，所述第二供液管从所述上部冻结管的顶部管口伸入，并延伸至所述变径台阶处。
3.根据权利要求2所述的冻结器，其特征在于，所述第二供液管的管径大于所述第一供液管的管径。
4.根据权利要求1-3任一项所述的冻结器，其特征在于，所述上部冻结管的侧壁上还设有回液管。
5.根据权利要求4所述的冻结器，其特征在于，所述上部冻结管、所述下部冻结管和所述底锥同轴心设置。
6.一种冻结器，其特征在于，包括:冻结管、第一供液管和底锥；其中，所述底锥与所述冻结管的底部连接；所述第一供液管由所述冻结管的顶部管口伸入，并延伸至所述冻结管的底部； 还包括:第二供液管； 所述第二供液管由所述冻结管的顶部管口伸入，并延伸至所述冻结管的中间位置。
7.根据权利要求6所述的冻结器，其特征在于，所述第二供液管的管径大于所述第一供液管的管径。
8.根据权利要求6或7所述的冻结器，其特征在于，所述冻结管的侧壁上还设有回液管。
9.一种立井冻结系统，其特征在于，包括:冻结站机组和至少一个权利要求1-5任一项所述的冻结器，以及至少一个权利要求6-8任一项所述的冻结器；其中，所述冻结站机组包括去路集液圈和回路集液圈，所述去路集液圈与所述冻结器的供液管连接，所述回路集液圈与所述冻结器的回液管连接。
【文档编号】E21D1/14GK104453911SQ201410720545
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】张海骄, 汤江明, 王成博, 刘冠学, 余国锋 申请人:淮南矿业(集团)有限责任公司