內(nèi)蒙古軟巖溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律研究

王 龍

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

1 工程概況

泊江海子礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市塔然高勒礦區(qū)南部，東距鄂爾多斯市東勝區(qū)55 km。礦井場(chǎng)地被第四系所覆蓋，依據(jù)井檢孔資料，區(qū)內(nèi)地層由老到新依次為：三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組(T3y)巖性為一套灰綠色中～粗粒砂巖，局部含礫；侏羅系中—下統(tǒng)延安組(J1-2y)巖性主要由一套淺灰、淺灰綠、灰白色各粒級(jí)的砂巖，灰色、深灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖和煤層組成，發(fā)育有水平紋理及波狀層理；侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)：巖性特征為灰綠色厚層狀各粒級(jí)砂巖及絳紫色、紫紅色砂質(zhì)泥巖與泥巖。與下伏地層延安組(J1-2y)地層呈平行不整合接觸；白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)：上部為紫紅色細(xì)粒砂巖、粗粒砂巖、含礫粗砂巖互層。

采用差異凍結(jié)方式，共設(shè)置凍結(jié)孔44個(gè)，其中為深孔(編號(hào)為單數(shù))22個(gè)，孔深556 m；淺孔(編號(hào)為雙數(shù))22個(gè)，孔深396 m。10號(hào)，18號(hào)為556 m，9號(hào)為454 m，17號(hào)下有φ108 mm的套管。凍結(jié)孔布置圈徑18.0 m/17.6 m。凍結(jié)孔開(kāi)孔間距1.285 m。設(shè)水文孔2個(gè)，報(bào)道層位為87 m～93 m，253.7 m～258.7 m。設(shè)置測(cè)溫孔3個(gè)，T1,T2深度556 m，T3深度120 m。

2 研究現(xiàn)狀及技術(shù)路線

陳文豹通過(guò)潘謝等礦區(qū)的16個(gè)井筒的凍結(jié)壁溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，基本上解決了深400 m以內(nèi)的第四季沖積層的凍結(jié)設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)關(guān)鍵[1]。趙玉明、李長(zhǎng)忠、肖衡林根據(jù)凍結(jié)工程信息化施工的要求,將分布測(cè)量理論和光纖傳感技術(shù)引入到凍結(jié)監(jiān)測(cè)中,并結(jié)合某礦井凍結(jié)工程的實(shí)際情況,對(duì)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的工作原理、性能指標(biāo)溫度調(diào)節(jié)方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析與研究[2，3]。周曉敏等根據(jù)在凍結(jié)法鑿井工程中凍結(jié)器縱向測(cè)溫的經(jīng)驗(yàn)摸索,建立了停凍后的單孔凍土柱升溫的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。陳軍浩、汪仁和得出了不同土質(zhì)條件下凍結(jié)壁融化時(shí)間和融化[4-9]。

依據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，擬通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古泊江海煤礦副井凍結(jié)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，研究不同巖性凍結(jié)溫度場(chǎng)變化規(guī)律。

3 數(shù)據(jù)分析

圖1～圖3為三個(gè)測(cè)溫孔白堊系下統(tǒng)志丹群相鄰深度含礫粗砂巖與礫巖、礫巖與粗粒砂巖的溫降規(guī)律。對(duì)相鄰層位的78 m含礫粗砂巖和90 m礫巖，三圖中礫巖溫度低于含礫粗砂巖，溫降速率比含礫粗砂巖快。對(duì)相鄰層位的190 m礫巖、200 m粗粒砂巖和230 m含礫粗砂巖，其溫降速率從大到小依次為：礫巖>含礫粗砂巖>粗粒砂巖。穩(wěn)態(tài)下最低溫度從低到高分別為：礫巖<含礫粗砂巖<粗粒砂巖。

圖4和圖5為兩測(cè)溫孔相鄰深度砂質(zhì)泥巖和粗粒砂巖的溫降規(guī)律?？梢?jiàn)在250 m與265 m處，砂質(zhì)泥巖和粗粒砂巖的溫降規(guī)律基本一致。原始地溫、凍結(jié)期整體溫度情況、溫降速率三個(gè)方面都基本一致。405 m與420 m處的規(guī)律也印證了這一規(guī)律。說(shuō)明這兩種砂質(zhì)泥巖和粗粒砂巖溫降特性相近。

埋深、正鹽水循環(huán)及原始地溫對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的綜合影響。

另外可以看出，圖4和圖5中250 m砂質(zhì)泥巖與405 m砂質(zhì)泥巖相比，250 m處凍結(jié)期內(nèi)整體溫度更低，從原始地溫到0 ℃的溫降速率250 m處與405 m處相近，這一規(guī)律在T1和T2測(cè)溫孔溫度數(shù)據(jù)上都有很好的體現(xiàn)。但考慮396 m以下凍結(jié)器間距增大1倍，故在相同凍結(jié)期間距下，405 m處溫降速率應(yīng)大于250 m處。在圖1，圖2中，對(duì)于粗粒砂巖，比較其200 m處、230 m處與420 m處、430 m處；在圖4，圖5中，對(duì)于含礫粗砂巖，比較其78 m處與230 m處、235 m處，均很好地體現(xiàn)了這一規(guī)律。對(duì)于所選的四種巖性，除了礫巖因在90 m～190 m范圍內(nèi)兩測(cè)溫孔及各自相鄰凍結(jié)孔偏向差異導(dǎo)致T1，T2測(cè)溫孔溫度數(shù)據(jù)存在較大偏差，沒(méi)有體現(xiàn)這一規(guī)律外。在其他三種巖性(即粗粒砂巖、含礫粗砂巖、砂質(zhì)泥巖)T1，T2測(cè)溫孔數(shù)據(jù)中都較好的反映了這一規(guī)律。同種巖性在不同層位的礦物組成、產(chǎn)狀、膠結(jié)情況、含水率基本一致。故初步認(rèn)為，在同一凍結(jié)工程中，采用正鹽水循環(huán)，不考慮地下水流動(dòng)影響，對(duì)礦物組成、產(chǎn)狀、膠結(jié)情況、含水率相近的同種巖性，在相同的凍結(jié)孔間距時(shí)，埋深小的巖層在整個(gè)凍結(jié)期內(nèi)整體溫度低于埋深大的巖層。但從原始地溫至0 ℃，埋深小的巖層的溫降速率小于埋深大的巖層的溫降速率。即在正溫范圍內(nèi)，埋深大的巖層溫度下降更快。

圖6和圖7為四種巖性在深度方向上不同層位兩測(cè)溫孔的溫度數(shù)據(jù)，比較相同層位、相同巖性的兩測(cè)溫孔數(shù)據(jù)，兩圖中數(shù)據(jù)存在較大差異，在凍結(jié)期整體溫度，原始地溫至0 ℃區(qū)間內(nèi)溫降速率方面缺乏一致性。該研究區(qū)為弱含水地層，地下水流量較小，而且在近一年的凍結(jié)期內(nèi)，經(jīng)歷了完整的枯水期和豐水期，但巖層溫度數(shù)據(jù)并沒(méi)有隨枯水期和豐水期水量變化表現(xiàn)出明顯的周期性規(guī)律，故認(rèn)為地下水對(duì)本次實(shí)測(cè)研究的凍結(jié)溫度場(chǎng)影響是可以忽略不計(jì)的，也就排除了因兩測(cè)溫孔分別處于地下水上下游而造成測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)差異。且開(kāi)孔位置方面，T1測(cè)溫孔距Z8，Z9連線距離為1.304 m。T2測(cè)溫孔距Z16，Z17連線距離為1.389 m。兩測(cè)溫孔開(kāi)孔位置距相近凍結(jié)器中心連線距離基本相等，即設(shè)計(jì)孔位的差異也是可以忽略的。故認(rèn)為對(duì)同種巖性、相同深度兩測(cè)溫孔溫度數(shù)據(jù)的差異性是由于測(cè)溫孔和相鄰凍結(jié)孔在造孔過(guò)程中的偏斜向背差異造成的。

4 結(jié)語(yǔ)

因礫巖五個(gè)層位從原始地溫降至0 ℃的速率T1測(cè)溫孔均小于T2測(cè)溫孔，且T1與相鄰凍結(jié)孔偏斜背離三孔中心，T2與相鄰凍結(jié)孔偏斜靠近三孔中心。認(rèn)為在相同的開(kāi)孔距離下，測(cè)溫孔與相鄰凍結(jié)孔的偏斜向背情況會(huì)引起測(cè)溫孔溫度數(shù)據(jù)的較大偏差。同種巖性、相同深度兩測(cè)溫孔溫度數(shù)據(jù)的差異性是由于測(cè)溫孔和相鄰凍結(jié)孔在造孔過(guò)程中的偏斜向背差異造成的。

相近深度范圍內(nèi)，蒙西白堊系軟巖從原始地溫至0 ℃溫降速率為：礫巖>含礫粗砂巖>粗粒砂巖>砂質(zhì)泥巖。穩(wěn)態(tài)下最低溫度從低到高分別為：礫巖<含礫粗砂巖<粗粒砂巖<砂質(zhì)泥巖。

在相同的凍結(jié)孔間距時(shí)，采用正鹽水循環(huán)，不考慮地下水流動(dòng)影響，對(duì)礦物組成、產(chǎn)狀、膠結(jié)情況、含水率相近的同種巖性，埋深小的巖層在整個(gè)凍結(jié)期內(nèi)整體溫度低于埋深大的巖層。但從原始地溫至0 ℃，埋深小的巖層的溫降速率小于埋深大的巖層的溫降速率。即在正溫范圍內(nèi)，埋深大的巖層溫度下降較快。但整體溫度高于埋深小的巖層。