寧東地區某礦風井凍結溫度場實測研究

金成龍 秦帥

1.安徽國投新集劉莊礦業有限公司，安徽淮南 232000

2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇徐州 221116

寧東地區某礦風井凍結溫度場實測研究

金成龍1秦帥2

1.安徽國投新集劉莊礦業有限公司，安徽淮南 232000

2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇徐州 221116

本文以寧東地區某礦風井井筒為依托，該井筒因淹水由普通工法改為凍結法鑿井，為準確掌握該井筒凍結過程中凍土發展情況，對鹽水溫度、凍結圈徑內外凍土溫度壓力進行了跟蹤監測；通過對監測數據的整理和分析，得出了該淹水井筒鹽水溫度和凍土溫度的變化規律，同時對淹水井筒施工提出一些建議，這些方案和結論可供今后類似工程參考。

巖土工程；淹水井筒；凍結；監測

引言

我國煤炭資源十分豐富，主要分布在華北和西北地區，以山西、內蒙古、陜西、新疆、貴州、寧夏等六省（自治區）的儲量最為豐富。為了開采豐富的煤炭資源，我國西部地區正在興建許多大型立井煤礦，這些立井井筒大部分 處于白堊系、侏羅系地層中[1]。

在西部地區立井開拓中，因地質條件復雜等原因，用普通工法掘進時常會出現井筒淹水的事故，淹水后井筒大都改用凍結法完成剩余段的掘進。這種井筒的特殊性在于，普通工法已完成一定深度的井壁，以往類似的凍結工程中發生過已有井壁破損的事故[2]，因此凍結施工既要實現封水的效果，又要保證井壁不受破壞。

淹水井筒凍結施工中，為實時監控凍結過程中凍結壁形成狀況以及冷凍站的運行情況，保證凍結及鑿井施工安全順利，保證已有井壁的安全，必須對凍結測溫孔內溫度等進行實時跟蹤監測[3]。

1 工程概況

寧東地區某礦風井井筒垂深568m（表土段50m，基巖段518m），井筒凈直徑6.5m，凈斷面33.2m2。井筒表土階段、含水層段、巖層破碎段、穿煤層段采用鋼鋼筋混凝土井壁，其它正常段采用素混凝土井壁，砼設計強度等級C40；表土段井壁厚度700mm，基巖段井40壁厚度500mm。含水層段、巖層破碎段、穿煤層段采用錨網噴臨時支護方式，臨時支護厚度120mm。原定過主要含水層采用地面預注漿，但該井筒掘砌至273米時探水孔出水，單孔涌水量達20 m3/h～60m3/h，地面預注漿未達到預期堵水效果，經過工作面注漿，涌水量未減小。井筒出水量加大導致井筒被淹，普通工法無法滿足施工條件，特對未施工段改用凍結法施工。

2 凍結參數設計

該風井設計凍結深度為518m，凍結孔數為32個，凍結圈徑14.3m，不同方位設置兩個外測溫孔，深度518m；初步設計中，為監測和釋放凍脹壓力，凍結圈徑內部、井筒周圍均勻設置6 個泄壓孔兼做測溫孔，后因風硐位置的影響，修改為5 個泄壓孔，深度為275m，其中的3 個泄壓孔兼做內測溫孔使用。另外，為減少上部冷量，凍結管上下采用不同直徑的無縫鋼管，即差異凍結[4]，凍結管規格上部直徑Ф133×6mm，下部直徑Ф159×6mm。凍結孔和內外測溫孔布置如下圖1 所示。

3 監測方案

3.1 鹽水干管去回路溫度：為掌握凍結運轉情況和鹽水溫度的情況，確保凍結器正常工作，在風井鹽水干管去回路各布置一個溫度測點。

3.2 測溫孔溫度：為掌握凍結溫度場在豎向和徑向上的發展狀況，推測凍結鋒面的位置，每個測溫孔內根據地層情況和實際需要間隔15m～20m布置一個測點，監測各目標層位溫度變化。

3.3 泄壓孔溫度：為掌握凍土向井心方向發展情況，推測凍結鋒面距離井壁的距離，泄壓孔2、4和5孔內每間隔20m左右布置1個測點。

4 監測結果分析

通過對風井冷鹽水干管溫度的監測，繪制鹽水去、回路溫度及溫差曲線，如圖1所示。

圖1 鹽水溫度變化曲線

從上圖可以看出，凍結初期風井鹽水溫度迅速下降，由于土體初始溫度高，需要的冷量大，因此熱負荷較大，從而鹽水去回路溫差較大，基本在4℃到6℃之間。凍結58 天（6月4日）時，鹽水溫度基本穩定，此時去路鹽水溫度降至-24.4℃，回路鹽水溫度-21.6℃，溫差2.8℃。凍結58天～94天的積極凍結期內去路鹽水溫度保持在-18.6℃～-24.9℃之間，去回路溫差在1.9℃～3℃，為控制凍土過快向井心發展，防止已有井壁受凍脹破壞，可采取降低鹽水溫度及熱鹽水泄壓孔內循環等措施。凍結94天（7月10日開挖）后轉入消極凍結期，因凍土發展減慢，所需冷量減少有溫差有減小的趨勢，反映出凍結管與井筒巖土體之間的熱交換正常，熱負荷降逐漸低。直至230 天（11月23日停機）時凍結結束，期間凍結壁穩定，凍土去路鹽水保持在-17.9℃～-21.8℃，去回路溫差在1.3℃～2.3℃之間。

5 結語

我國凍結工程溫度場監測的實例很多[5][6]，對于本淹水井筒剩余段凍結工程通過以上分析可以得出以下結論：

（1）淹水井筒凍結普通立井凍結不盡相同，凍結過程中應根據溫度監測數據，掌握凍土形成狀況，一方面為井筒掘進提供安全的凍土帷幕，另一方面還要適當采取措施，控制凍土過快向井筒內部發展。

（2）鹽水溫度變化和去回路溫差變化，能很好的反應凍土中熱交換情況。

（3）凍結過程中，凍結圈徑內外測溫孔溫度降溫趨勢不同，內部溫將明顯快于外部。對該風井剩余段凍結工程過程中各溫度參數的跟蹤監控和實時分析，指導了掘進工作安全的進行，也有效保護了上層井壁。

[1] 朱邦永.西部白堊系地層淹水井筒凍結溫度場發展規律研究[D].徐州：中國礦業大學，2010.

[2] 朱邦永，盛小飛，褚衍坡.神華集團塔然高勒煤礦風井普通法轉基巖凍結法鑿井施工實錄[J].科技信息，2010，7:344-360.

[3] 翟延忠.地層凍結監測系統在趙官煤礦井筒凍結工程中的應用[J].建井技術，2006，27（4）：29-32.

[4] 翁家杰.井巷特殊施工[M].徐州：中國礦業大學出版社，1991.

[5] 楊超，孫猛，陸路.神木輸水工程豎井凍結監測分析[J].煤炭技術，2009,28（4）：130-132.

[6] 喬衛國，李大勇，吳祥祖.地鐵聯絡通道凍結監測分析[J].巖土力學，2003，24（4）：666-669.

TD265

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.051