CN116556959A - 一种应用于破碎井壁修复的冻结帷幕施工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于破碎井壁修复的冻结帷幕施工装置及方法，涉及人工冻结工程技术领域。本发明包括：井壁，所述井壁的内壁上开设有卸压槽，所述井壁的内壁上开设有冻结孔，所述冻结孔的内部安装有冻结管组件；所述冻结管组件包括管壁，所述管壁的外侧均匀包覆有水溶橡胶层，且所述水溶橡胶层与管壁之间形成有一层空腔，所述空腔内部装有钠基膨润土；所述管壁的内部安装有进液管，进液管与管壁呈同心圆布置。本发明的技术方案与地面冻结相比不仅大大提高了冻结效率还大幅度降低了工程造价，在一定程度上减小了涌水涌砂造成的危害，其形成的冻结帷幕，能够完全封水，大大提高了井壁开槽施工时的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及人工冻结工程领域，特别涉及一种应用于破碎井壁修复的冻结帷幕施工装置及方法。
背景技术
冻结法是一种采用人工冷冻技术，将地层中的水冻结，使天然岩土转化为冻土，提高其强度、稳定性，并将地下水与地下工程隔离开来，从而在冻结墙的保护下，进行井眼或地下工程掘砌施工的一种特殊的施工技术。其本质是采用人工冷却的方法，暂时改变岩土体的物理性质，达到对地层进行加固的目的；冻土墙是一种临时性的支撑，当冻土冻结结束时，冻土墙就会消融，自1987年以来，我国已有超200个立井井筒相继发生井壁破裂，这样多的井壁破裂事故，给煤矿造成了严重的安全隐患和巨大的经济损失，针对井壁破裂事故，现有技术中一般采用开设卸压槽的方法进行治理。
现有技术中对井壁破损处修复常采用全深冻结法，但近年来井筒深度逐渐加深，开槽深度也随之增加，开设卸压槽时会出现涌水涌砂事故，这种冻结法从地面开始钻孔，不仅增加了施工成本降低了冻结效率，还对上部完好的井壁产生较大的冻胀压力，可能会导致完好的井壁发生破损，为此，我们提出一种应用于破碎井壁修复的冻结帷幕施工装置及方法。
发明内容
针对上述存在的不足，本发明的目的是提供一种应用于破碎井壁修复的冻结帷幕施工装置及方法，能够减缓钻孔后的涌水涌砂问题，避免对井壁造成进一步破损。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于破碎井壁修复的冻结帷幕施工装置，包括：
井壁，所述井壁的内壁上开设有卸压槽，所述井壁的内壁上开设有冻结孔，所述冻结孔的内部安装有冻结管组件；
所述冻结管组件包括管壁，所述管壁的外侧均匀包覆有水溶橡胶层，且所述水溶橡胶层与管壁之间形成有一层空腔，所述空腔内部装有钠基膨润土；
所述管壁的内部安装有进液管，进液管与管壁呈同心圆布置；
所述管壁前端的顶部安装有出液管，用于将低温盐水排出；
所述管壁前端面的底部安装有泄压管，泄压管贯穿整个管壁设置，所述泄压管的外部设有密封阀门，用于对泄压管进行关闭，且所述管壁一端端面的顶部安装有测温传感器，用于对地层的冻结温度场进行测温。
进一步的，所述进液管直径为28mm，采用低温低碳钢材料制成，其与管壁之间采用无缝焊接方式进行连接。
进一步的，所述出液管、泄压管直径均为14mm，均采用低温低碳钢制成，且出液管、泄压管与管壁之间均采用无缝焊接方式进行连接。
进一步的，所述水溶橡胶层由遇水溶解的橡胶材料制成。
根据本发明的一个方面，本发明提供的一种应用于破碎井壁修复的冻结帷幕施工方法，包括以下步骤：
(1)在井壁预选出开设卸压槽的位置，先在卸压槽位置上下两侧开设垂直于井壁的冻结孔，并将冻结管组件安装在冻结孔内，安装完之后将密封阀门关闭并对冻结管组件进行打压检漏试验；
(2)将安装的冻结管组件的进液管、出液管用软管进行连接，并与地面的制冷站形成循环管道；
(3)将裸露在外与空气接触的流有低温盐水的管道用保温层包裹起来；
(4)启动制冷站，对岩土层进行冻结，当测温传感器监测的冻结温度场不在发生温度变化时，表明冻结帷幕形成，此时开始对卸压槽进行开设施工。
进一步的，所述冻结孔分别位于卸压槽中心垂直高度上下5.625m的范围内；
进一步的，所述冻结孔在卸压槽上下两侧各开设5排，且每排冻结孔之间的间距为1.25m。
进一步的，每排所述冻结孔的数量为八个，且八个冻结孔呈环状等间距分布。
进一步的，所述软管采用耐低温的聚乙烯材质制成。
进一步的，所述保温层的材质为岩棉管。
本发明至少具备以下有益效果：
(1)本发明所设计的冻结管组件中加入了泄压管，不仅减小了冻结管组件放入冻结孔时的压力，而且在泄压管的外部设有密封阀门，当泄压封水冻结管放入冻结孔之后，关闭密封阀门，还能使水、砂不再流动，提高冻结效率。
(2)本发明所设计的冻结管组件外层附有用水溶橡胶层包裹起来的纳基膨润土，其具有强烈的吸水性，能吸收相当于自身体积8倍的水，体积膨胀10～30倍，可以起到很好的封水作用，且在其冻结之后可以将冻结管组件与岩土层紧密的结合在一起，起到完全封水的作用。
(3)本发明所提供的冻结管组件的施工方法仅在卸压槽上下一定范围内进行打孔冻结，不仅提高了冻结效率，做到了完全封水，还大大降低了施工成本，保障了施工安全。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明冻结管组件的正视图；
图2为本发明冻结管组件的俯视图；
图3为图1中Ⅰ-Ⅰ处的剖面图；
图4为图1中冻结管组件的侧视图；
图5为本发明整体结构侧剖示意图；
图6为本发明整体结构俯剖示意图。
附图标记：
1、管壁；2、水溶橡胶层；3、纳基膨润土；4、密封阀门；5、泄压管；6、进液管；7、出液管；8、测温传感器；9、岩土层；10、卸压槽；11、冻结帷幕；12、冻结管组件；13、井壁；14、冻结孔。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
如图1至图4所示，本发明实施例提供一种应用于破碎井壁13修复的冻结帷幕11施工装置，包括：
井壁13，井壁13的内壁上开设有卸压槽10，井壁13的内壁上开设有冻结孔14，冻结孔14的内部安装有冻结管组件12。
冻结管组件12包括管壁1，管壁1的外侧均匀包覆有水溶橡胶层2，且水溶橡胶层2与管壁1之间形成有一层空腔，空腔内部装有钠基膨润土。
需要说明的是，冻结管组件12的管壁1与水溶橡胶层2之间采用胶结连接，具体操作如下：
首先使用角磨机搭配钨钢碟对冻结管组件12粘连部分表面以及橡胶表面进行打磨处理，增加表面粗糙度，打磨之后使用清洗剂洗去表面油脂，污渍，清洗剂干燥之后，冻结管组件12粘连部分表面涂刷一层金属底漆，保护钢体表面防止侵蚀；然后将混合搅拌之后的冷硫化粘接剂(sk313)涂刷在冻结管组件12粘连部分表面以及橡胶表面，涂刷2遍为宜，然后待胶水略粘手指背的时候，将橡胶与冻结管组件12粘连部分贴合，使用橡胶锤捶打结实即可。
进一步的，膨润土按译音,是以蒙脱石为主的含水粘土矿，由于它具有特殊的性质，如:膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性等等,所以广泛用于各个工业领域，钠基膨润土是根据蒙脱石层间可交换阳离子种类、含量来划分：碱性系数大于或等于1的为钠基膨润土，小于1的为钙基膨润土，针对于本申请的技术方案，优选采用钠基膨润土，当其吸水膨胀后可以起到很好的封水作用，且在其冻结之后可以将冻结管组件12与岩土层9紧密的结合在一起，起到完全封水的作用。
管壁1的内部安装有进液管6，进液管6与管壁1呈同心圆布置，进液管6直径为28mm，采用低温低碳钢材料制成，其与管壁1之间采用无缝焊接方式进行连接，密封性良好，以便于使低温盐水均匀的充满整个冻结管组件12；
管壁1前端的顶部安装有出液管7，可以保证低温盐水充满整个冻结管组件12，对周围岩土层9发挥冻结作用后再由出液管7排出，出液管7直径为14mm，采用低温低碳钢制成，其与泄压封水冻结管之间采用无缝焊接，密封性良好；
管壁1前端面的底部安装有泄压管5，泄压管5直径为14mm，采用低温低碳钢制成，泄压管5与管壁1之间均采用无缝焊接方式进行连接，密封性良好，泄压管5贯穿整个管壁1设置，可有效的减缓冻结管组件12在放入冻结孔14时所遇到的涌水涌砂的压力，泄压管5的外部设有密封阀门4，当冻结管组件12放入冻结孔14之后，关闭密封阀门4，使水、砂不再流动，便于提高冻结效率，且管壁1一端端面的顶部安装有测温传感器8，用于对地层的冻结温度场进行测温，当冻结温度场的温度不再变化时，冻结帷幕11即可形成。
如图5至图6所示，根据本发明的一个方面，本发明提供的一种应用于破碎井壁13修复的冻结帷幕11施工方法，包括以下步骤：
(1)在井壁13上预先选好要开卸压槽10的位置，在井壁13开卸压槽10位置上下5.625m范围内钻垂直于井壁13的冻结孔14，所述冻结孔14布置情况为：
垂直方向上：在卸压槽10上下各有五排冻结孔14，每排冻结孔14的间距为1.25m；
水平方向上：每排冻结孔14含八个冻结孔14，且八个冻结孔14呈环状等间距分布；
在冻结孔14布置完之后，将冻结管组件12安装在每个冻结孔14内，安装完之后将密封阀门4关闭,并对冻结管组件12进行打压检漏试验；
(2)将安装的冻结管组件12的进液管6和出液管7之间用保温效果较好并且低温下具有较高柔韧性的聚乙烯塑料软管进行连接，并与地面的制冷站形成循环管道；
(3)将裸露在外与空气接触的流有低温盐水的管道用保温层包裹起来，保温层的材质为岩棉管；
(4)启动制冷站，对岩土层9进行冻结，当测温传感器8监测的冻结温度场不再变动时，表明冻结帷幕11已完全形成，此时即可开始卸压槽10的开设施工。
综上所述，本发明提供的技术方案不仅减小了冻结管组件12放入冻结孔14时的压力，而且在泄压管5的外部设有密封阀门4，当泄压封水冻结管放入冻结孔14之后，关闭密封阀门4，还能使水、砂不再流动，提高冻结效率，且采用钠基膨润土，当其吸水膨胀后还可以起到很好的封水作用，在其冻结之后可以将冻结管组件12与岩土层9紧密的结合在一起，起到完全封水的作用，不仅大大降低了施工成本，还保障了施工安全。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。当元件被称为“装配于”、“安装于”、“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
Claims (10)
1.一种应用于破碎井壁修复的冻结帷幕施工装置，其特征在于，包括：
井壁(13)，所述井壁(13)的内壁上开设有卸压槽(10)，所述井壁(13)的内壁上开设有冻结孔(14)，所述冻结孔(14)的内部安装有冻结管组件(12)；
所述冻结管组件(12)包括管壁(1)，所述管壁(1)的外侧均匀包覆有水溶橡胶层(2)，且所述水溶橡胶层(2)与管壁(1)之间形成有一层空腔，所述空腔内部装有钠基膨润土；
所述管壁(1)的内部安装有进液管(6)，进液管(6)与管壁(1)呈同心圆布置；
所述管壁(1)前端的顶部安装有出液管(7)，用于将低温盐水排出；
所述管壁(1)前端面的底部安装有泄压管(5)，泄压管(5)贯穿整个管壁(1)设置，所述泄压管(5)的外部设有密封阀门(4)，用于对泄压管(5)进行关闭，且所述管壁(1)一端端面的顶部安装有测温传感器(8)，用于对地层的冻结温度场进行测温。
2.根据权利要求1所述的一种应用于破碎井壁(13)修复的冻结帷幕(11)施工装置，其特征在于，所述进液管(6)直径为28mm，采用低温低碳钢材料制成，其与管壁(1)之间采用无缝焊接方式进行连接。
3.根据权利要求2所述的一种应用于破碎井壁(13)修复的冻结帷幕(11)施工装置，其特征在于，所述出液管(7)、泄压管(5)直径均为14mm，均采用低温低碳钢制成，且出液管(7)、泄压管(5)与管壁(1)之间均采用无缝焊接方式进行连接。
4.根据权利要求2所述的一种应用于破碎井壁(13)修复的冻结帷幕(11)施工装置，其特征在于，所述水溶橡胶层(2)由遇水溶解的橡胶材料制成。
5.一种应用于破碎井壁(13)修复的冻结帷幕(11)施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在井壁(13)预选出开设卸压槽(10)的位置，先在卸压槽(10)位置上下两侧开设垂直于井壁(13)的冻结孔(14)，并将冻结管组件(12)安装在冻结孔(14)内，安装完之后将密封阀门(4)关闭并对冻结管组件(12)进行打压检漏试验；
(2)将安装的冻结管组件(12)的进液管(6)、出液管(7)用软管进行连接，并与地面的制冷站形成循环管道；
(3)将裸露在外与空气接触的流有低温盐水的管道用保温层包裹起来；
(4)启动制冷站，对岩土层(9)进行冻结，当测温传感器(8)监测的冻结温度场不在发生温度变化时，表明冻结帷幕(11)形成，此时开始对卸压槽(10)进行开设施工。
6.根据权利要求5所述的一种应用于破碎井壁(13)修复的冻结帷幕(11)施工方法，其特征在于，所述冻结孔(14)分别位于卸压槽(10)中心垂直高度上下5.625m的范围内。
7.根据权利要求5所述的一种应用于破碎井壁(13)修复的冻结帷幕(11)施工方法，其特征在于，所述冻结孔(14)在卸压槽(10)上下两侧各开设5排，且每排冻结孔(14)之间的间距为1.25m。
8.根据权利要求7所述的一种应用于破碎井壁(13)修复的冻结帷幕(11)施工方法，其特征在于，每排所述冻结孔(14)的数量为八个，且八个冻结孔(14)呈环状等间距分布。
9.根据权利要求5所述的一种应用于破碎井壁(13)修复的冻结帷幕(11)施工方法，其特征在于，所述软管采用耐低温的聚乙烯材质制成。
10.根据权利要求5所述的一种应用于破碎井壁(13)修复的冻结帷幕(11)施工方法，其特征在于，所述保温层的材质为岩棉管。
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| CN117569815A (zh) * | 2024-01-16 | 2024-02-20 | 中铁九局集团第四工程有限公司 | 一种通过冻结法形成连贯止水结构的竖井施工方法 |
| CN117569815B (zh) * | 2024-01-16 | 2024-04-05 | 中铁九局集团第四工程有限公司 | 一种通过冻结法形成连贯止水结构的竖井施工方法 |
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