立井凍結(jié)工程鹽水溫度對(duì)凍結(jié)壁交圈時(shí)間的影響

林波

（中煤邯鄲特殊鑿井有限公司，河北 邯鄲 056003）

1 概 況

1.1 礦井概況

丁家梁煤礦位于寧夏回族自治區(qū)中東部，西北隔黃河距銀川市40 km，西南距靈武市20 km，東距寧東鎮(zhèn)（即黎家新莊中心區(qū)）3 km，行政區(qū)劃隸屬寧夏回族自治區(qū)靈武市管轄。

副井井筒凈直徑8.00 m，井筒深度524 m，凍結(jié)深度340 m，凍結(jié)段最大掘砌荒徑11.206 m；回風(fēng)井井筒凈直徑5.5 m，井筒深度349 m，凍結(jié)深度349 m，凍結(jié)段最大掘砌荒徑7.906 m。兩井表土層厚度分別在1.65 m、9.0 m；強(qiáng)風(fēng)化帶底界分別在209.80 m、210.00 m；風(fēng)氧化帶底界分別在226.50 m、230.00 m。

1.2 井筒地質(zhì)條件

（1）第四系（Q）。第四系全區(qū)發(fā)育，上部為沖積沙土、風(fēng)成沙，下部亞砂土，底部松散砂礫層。厚度2.50～39.64 m，平均厚度14 m。

（2）古近系。僅見漸新統(tǒng)清水營(yíng)組（E3q），出露于溝谷兩岸，巖性為棕紅色泥巖，底部為棕紅色、半膠結(jié)砂礫層及含石膏泥巖層，厚度15.76～324.98 m，與下伏白堊系保安群不整合接觸。

（3）白堊系下統(tǒng)。白堊系下統(tǒng)保安群（K1B）分布于勘查區(qū)西部，巖性為灰色、雜色礫巖，礫石以變質(zhì)巖礫為主，其次為石英巖、石灰?guī)r，礫石多呈半棱角狀，膠結(jié)較緊密。地層厚度由東向西增大，鉆遇厚度最大為481.67 m，與下伏石千峰群呈不整合接觸。

（4）二疊系上統(tǒng)。在鉆孔中僅見二疊系上統(tǒng)石千峰群（P2T1s），紫紅、暗紫色中粗粒砂巖、粉砂巖、泥巖互層，底部為中、粗粒砂巖，局部含較多石英小礫石，呈含礫砂巖、礫狀砂巖。本組未見全，鉆遇厚度5.44～270.01 m，與下伏石盒子組整合接觸。

（5）二疊系。

①二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）：為本勘查區(qū)另一主要含煤地層，屬陸相碎屑含煤建造，沉積較穩(wěn)定。巖性組合由灰白、深灰色中—粗粒砂巖、細(xì)砂巖、灰黑色粉砂巖、泥巖及煤層組成，而以粗碎屑巖占比例大。含煤6 層，編號(hào)為1、2、3、4、5、6 煤。勘查區(qū)內(nèi)所有鉆孔對(duì)該組層位有完整控制，地層厚度為72～109 m，平均為88.77 m，與下伏太原組整合接觸。

②二疊系下—上統(tǒng)石盒子組（P1-2sh）可分為上、下2 段。

石盒子組下段（P1-2sh1）：巖性由灰白色各粒級(jí)砂巖與灰綠色粉砂巖、泥巖互層，夾薄層狀粘土巖。本組自上而下顏色由灰綠色向深灰色過(guò)渡。下部夾1～2 層薄煤層。距底部40 m 左右處有1 層灰色或淺灰綠色粘土巖，厚2～3 m，全區(qū)較發(fā)育，為具有對(duì)比意義的標(biāo)志層（K0）。底部為灰白色厚層狀細(xì)—粗粒砂巖，泥質(zhì)、高嶺土膠結(jié)，較疏松，局部富集白云母，屬陸相沉積。厚度85～145 m，平均為113 m，與下伏山西組整合接觸。

石盒子組上段（P1-2sh2）：上部以灰紫、暗紫色等雜色粉砂巖、細(xì)砂巖為主，夾薄層雜色泥巖、中粗砂巖，夾少量細(xì)砂巖；中、下部以紫、暗紫色、灰綠色等雜色泥巖為主，夾薄層中細(xì)粒砂巖及花斑狀泥巖包裹體，含植物化石；底部為厚層狀粗粒長(zhǎng)石石英砂巖，以淺灰綠色為主，少量紫色，成分以石英為主，長(zhǎng)石次之，局部含大量礫石，膠結(jié)松散，易風(fēng)化，屬陸相沉積。厚度270～330 m，平均為297 m，與石盒子組下段為連續(xù)沉積。

1.3 井筒水文地質(zhì)條件

根據(jù)含水層的巖性、厚度、埋藏條件、分布范圍等，將檢查孔穿越的各巖層劃分為3 個(gè)含水層（組）：古近系松散層及基巖風(fēng)化裂隙帶含水層組、二疊系石盒子組砂巖裂隙孔隙承壓含水層組、二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙孔隙承壓含水層組，對(duì)井檢孔進(jìn)行了抽水試驗(yàn)。

（1）古近系松散層及基巖風(fēng)化裂隙帶含水層組。

將第四系、古近系及基巖風(fēng)化裂隙帶含水層組靜止水位埋深27.18 m，含水層厚度58.7 m，水位降深198.82 m，涌水量1.52 L/s，單位涌水量0.049 L/s·m，滲透系數(shù)0.066 2 m/d，影響半徑為92.57 m。

（2）二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層（組）。

二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層靜止水位埋深28.62 m，含水層厚度72.50 m，水位降深388.45 m，涌水量1.12 L/s，單位涌水量0.018 7 L/s·m，滲透系數(shù)0.019 2 m/d，影響半徑為82.34 m。

（3）二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙孔隙承壓含水層。

二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙孔隙承壓含水層靜止水位埋深62.95 m，含水層厚度17.62 m，水位降深422.97 m，涌水量0.051 L/s，單位涌水量0.001 1 L/s·m，滲透系數(shù)0.005 7 m/d，影響半徑為31.57 m。

2 凍結(jié)工程施工方案

根據(jù)井筒地層第四系松散，易坍塌；古近系礫巖半膠結(jié)，較疏松，孔隙發(fā)育，透水性好，富水性較強(qiáng)，另其巖類土的抗壓、抗剪強(qiáng)度低，遇水易塑變、膨脹。凍土的單軸抗壓強(qiáng)度偏低，基巖凍結(jié)溫度偏低，在-3.1～-4.2℃，凍結(jié)難度大。強(qiáng)風(fēng)化帶，巖石松軟，破碎，巖石抗壓強(qiáng)度低，風(fēng)化程度強(qiáng)。

針對(duì)以上地質(zhì)特點(diǎn)，采取輔助凍結(jié)孔+主凍結(jié)孔的凍結(jié)方式，既保證松散層及強(qiáng)風(fēng)化帶凍結(jié)壁厚度，降低凍結(jié)壁平均溫度，提高凍土抗壓強(qiáng)度，又防止巖土膨脹井幫變形，確保掘砌安全。

2.1 凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)

選用有限長(zhǎng)黏塑性體按強(qiáng)度條件公式對(duì)凍結(jié)壁計(jì)算，另考慮凈徑、井壁結(jié)構(gòu)，最終確定副、回風(fēng)井凍結(jié)壁厚度分別為4.00 m、3.65 m。

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)

依據(jù)甲方所提供的凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)，鉆孔設(shè)計(jì)如下。

（1）副井。主凍結(jié)孔38 個(gè)340 m，孔間距1.288 m；輔助凍結(jié)孔16 個(gè)100 m，孔間距2.528 m；測(cè)溫孔2 個(gè)340 m，1 個(gè)100 m；水文孔1 個(gè)125 m、1 個(gè)226 m。凍結(jié)管均選用φ133 mm×5（0～200 m）/6 mm（200 m 以下）。凍結(jié)孔工程量為14 520 m，鉆孔總工程量為15 651 m。

（2）回風(fēng)井。主凍結(jié)孔29 個(gè)349 m，孔間距1.330 m；輔助凍結(jié)孔12 個(gè)120 m，孔間距2.577 m；測(cè)溫孔2 個(gè)349 m，1 個(gè)120 m；水文孔1 個(gè)179 m、1 個(gè)258 m。凍結(jié)管均選用φ133 mm×5（0～200 m）/6 mm（200 m 以下）。凍結(jié)孔工程量為11 561 m，鉆孔總工程量為12 816 m。

2.3 凍結(jié)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)愛斯特林計(jì)算方法，并依據(jù)《煤礦凍結(jié)法開鑿立井工程技術(shù)規(guī)范》MT/T1124-2011 選取冷量損失系數(shù)規(guī)定，計(jì)算得兩井需冷量分別為191.866萬(wàn)kcal/h、152.766 萬(wàn)kcal/h。每井安裝LG25L20SY機(jī)組4 臺(tái)、GZF-250 型干式蒸發(fā)器4 臺(tái)、SPL-1620 型冷凝器4 臺(tái)、HZA-3.5 型熱虹吸器1臺(tái)、ZA-5.0 型儲(chǔ)液器1 臺(tái)、12sh-6 型鹽水泵2 臺(tái)（1 臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)1 臺(tái)備用）；兩井共安裝200QJ32-26/2型清水泵2 臺(tái)（1 臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)1 臺(tái)備用）。

3 凍結(jié)制冷過(guò)程分析

3.1 凍結(jié)站運(yùn)轉(zhuǎn)情況

副井、回風(fēng)井凍結(jié)制冷均于2021 年2 月1 日開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

截止4 月19 日，已凍結(jié)制冷78 d，副井制冷機(jī)組共運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量：低壓部分226 臺(tái)，高壓部分297臺(tái)?；仫L(fēng)井制冷機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量：低壓部分221 臺(tái)，高壓部分289 臺(tái)。

回風(fēng)井制冷機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量較副井少13 臺(tái)。

3.2 鹽水降溫情況

副井、回風(fēng)井分別于凍結(jié)站開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后第25 d、第21 d 鹽水去路溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的-28℃，第50 d、第54 d 鹽水回路溫度達(dá)到-28℃。鹽水去路溫度的時(shí)間序列如圖1 所示。鹽水回路溫度的時(shí)間序列如圖2 所示。

圖1 鹽水去路溫度的時(shí)間序列Fig.1 Time series of de-route temperature of brine

圖2 鹽水回路溫度的時(shí)間序列Fig.2 Time series of loop temperature of brine

從圖1 中可看出兩井鹽水去路溫度從第9 d～第25 d 存在降溫差異，此后溫度趨于一致。從圖2中可看出兩井鹽水回路溫度到第27 d 后溫度才趨于一致。

在3 月30 日—4 月2 日間對(duì)鹽水流量進(jìn)行檢測(cè)，滿足設(shè)計(jì)要求，最大流量為16.1 m3/h。

3.3 水文孔水位升降情況

兩井的淺水文孔內(nèi)水溢出管口的時(shí)間相差5 d，副井水位上漲較快。兩井的深水文孔內(nèi)水也于開機(jī)后的第29 d 溢出管口。但回風(fēng)井淺水文孔內(nèi)水仍未能溢出管口，故于3 月2 日對(duì)回風(fēng)井水文孔進(jìn)行縱向溫度檢測(cè)。淺水文孔時(shí)間序列如圖3 所示，深水文孔時(shí)間序列如圖4 所示?；仫L(fēng)井1、2 號(hào)水文孔溫度比較如圖5 所示。

圖3 淺水文孔時(shí)間序列Fig.3 Time series of shallowhydrological hole

圖4 深水文孔時(shí)間序列Fig.4 Time series of deep hydrological hole

圖5 回風(fēng)井1、2 號(hào)水文孔溫度比較Fig.5 Temperature comparison of No.1 and No.2 hydrological hole in return air well

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)分析，溫度曲線均存在線性關(guān)系，亦符合溫度分布。故選用井內(nèi)降溫區(qū)的溫度場(chǎng)公式，即應(yīng)用第一類（實(shí)根值）零階貝塞爾函數(shù)，對(duì)179 m 進(jìn)行計(jì)算，其凍結(jié)壁厚度僅為0.496 m，凍結(jié)壁剛交圈。

3.4 凍結(jié)器縱向溫度檢測(cè)

于3 月8 日起對(duì)凍結(jié)器進(jìn)行縱向溫度檢測(cè)，并應(yīng)用sigmaplot 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主20 號(hào)、主22 號(hào)、主23號(hào)其均值較高，僅為-14.418～14.588 ℃，針對(duì)以上各孔對(duì)其拐點(diǎn)溫度查找，從-170～-240 m 溫度均有1℃左右的拐點(diǎn)。選用單個(gè)凍結(jié)圓柱的溫度分布公式計(jì)算凍土圓柱發(fā)展半徑僅1.026～1.209 m。

根據(jù)以上凍土圓柱平均發(fā)展速度，220 m 凍結(jié)壁交圈圖中Z20～Z21 最大孔間距處凍結(jié)壁厚度為0.493 m?；仫L(fēng)井220 m水平凍結(jié)壁交圈如圖6 所示。

圖6 回風(fēng)井220 m水平凍結(jié)壁交圈平面Fig.6 Crossing plane of 220 m horizontal freezing wall in return air well

綜上，對(duì)凍結(jié)站及地溝槽進(jìn)行加強(qiáng)管理，加大鹽水泵泵壓，積極降低鹽水溫度，回風(fēng)井淺水文孔于開機(jī)后的第33 d 內(nèi)水溢出管口。

4 結(jié) 論

（1）兩井制冷設(shè)備開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)相差13 臺(tái)，積極凍結(jié)期鹽水溫度相差4 d，淺水文孔冒水時(shí)間相差5 d，由此可見積極凍結(jié)期的鹽水降溫情況可直接影響凍土的發(fā)展。

（2）鹽水流量、水文孔水位、凍結(jié)器縱向溫度等是凍結(jié)制冷施工質(zhì)量的影響因素，可采取相應(yīng)措施解決制冷施工時(shí)存在的問(wèn)題。

（3）制冷過(guò)程中數(shù)據(jù)均存在線性關(guān)系，適時(shí)選用統(tǒng)計(jì)學(xué)工具起著化繁為簡(jiǎn)、事半功倍的作用。