宁东地区某矿风井冻结温度场实测研究

2012-10-26金成龙秦帅

中国科技信息 2012年12期

关键词：风井冻土井筒

金成龙秦帅

1.安徽国投新集刘庄矿业有限公司，安徽淮南 232000

2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116

宁东地区某矿风井冻结温度场实测研究

金成龙1秦帅2

1.安徽国投新集刘庄矿业有限公司，安徽淮南 232000

2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116

本文以宁东地区某矿风井井筒为依托，该井筒因淹水由普通工法改为冻结法凿井，为准确掌握该井筒冻结过程中冻土发展情况，对盐水温度、冻结圈径内外冻土温度压力进行了跟踪监测；通过对监测数据的整理和分析，得出了该淹水井筒盐水温度和冻土温度的变化规律，同时对淹水井筒施工提出一些建议，这些方案和结论可供今后类似工程参考。

岩土工程；淹水井筒；冻结；监测

引言

我国煤炭资源十分丰富，主要分布在华北和西北地区，以山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州、宁夏等六省（自治区）的储量最为丰富。为了开采丰富的煤炭资源，我国西部地区正在兴建许多大型立井煤矿，这些立井井筒大部分处于白垩系、侏罗系地层中[1]。

在西部地区立井开拓中，因地质条件复杂等原因，用普通工法掘进时常会出现井筒淹水的事故，淹水后井筒大都改用冻结法完成剩余段的掘进。这种井筒的特殊性在于，普通工法已完成一定深度的井壁，以往类似的冻结工程中发生过已有井壁破损的事故[2]，因此冻结施工既要实现封水的效果，又要保证井壁不受破坏。

淹水井筒冻结施工中，为实时监控冻结过程中冻结壁形成状况以及冷冻站的运行情况，保证冻结及凿井施工安全顺利，保证已有井壁的安全，必须对冻结测温孔内温度等进行实时跟踪监测[3]。

1 工程概况

宁东地区某矿风井井筒垂深568m（表土段50m，基岩段518m），井筒净直径6.5m，净断面33.2m2。井筒表土阶段、含水层段、岩层破碎段、穿煤层段采用钢钢筋混凝土井壁，其它正常段采用素混凝土井壁，砼设计强度等级C40；表土段井壁厚度700mm，基岩段井40壁厚度500mm。含水层段、岩层破碎段、穿煤层段采用锚网喷临时支护方式，临时支护厚度120mm。原定过主要含水层采用地面预注浆，但该井筒掘砌至273米时探水孔出水，单孔涌水量达20 m3/h～60m3/h，地面预注浆未达到预期堵水效果，经过工作面注浆，涌水量未减小。井筒出水量加大导致井筒被淹，普通工法无法满足施工条件，特对未施工段改用冻结法施工。

2 冻结参数设计

该风井设计冻结深度为518m，冻结孔数为32个，冻结圈径14.3m，不同方位设置两个外测温孔，深度518m；初步设计中，为监测和释放冻胀压力，冻结圈径内部、井筒周围均匀设置6 个泄压孔兼做测温孔，后因风硐位置的影响，修改为5 个泄压孔，深度为275m，其中的3 个泄压孔兼做内测温孔使用。另外，为减少上部冷量，冻结管上下采用不同直径的无缝钢管，即差异冻结[4]，冻结管规格上部直径Ф133×6mm，下部直径Ф159×6mm。冻结孔和内外测温孔布置如下图1 所示。

3 监测方案

3.1 盐水干管去回路温度：为掌握冻结运转情况和盐水温度的情况，确保冻结器正常工作，在风井盐水干管去回路各布置一个温度测点。

3.2 测温孔温度：为掌握冻结温度场在竖向和径向上的发展状况，推测冻结锋面的位置，每个测温孔内根据地层情况和实际需要间隔15m～20m布置一个测点，监测各目标层位温度变化。

3.3 泄压孔温度：为掌握冻土向井心方向发展情况，推测冻结锋面距离井壁的距离，泄压孔2、4和5孔内每间隔20m左右布置1个测点。

4 监测结果分析

通过对风井冷盐水干管温度的监测，绘制盐水去、回路温度及温差曲线，如图1所示。

图1 盐水温度变化曲线

从上图可以看出，冻结初期风井盐水温度迅速下降，由于土体初始温度高，需要的冷量大，因此热负荷较大，从而盐水去回路温差较大，基本在4℃到6℃之间。冻结58 天（6月4日）时，盐水温度基本稳定，此时去路盐水温度降至-24.4℃，回路盐水温度-21.6℃，温差2.8℃。冻结58天～94天的积极冻结期内去路盐水温度保持在-18.6℃～-24.9℃之间，去回路温差在1.9℃～3℃，为控制冻土过快向井心发展，防止已有井壁受冻胀破坏，可采取降低盐水温度及热盐水泄压孔内循环等措施。冻结94天（7月10日开挖）后转入消极冻结期，因冻土发展减慢，所需冷量减少有温差有减小的趋势，反映出冻结管与井筒岩土体之间的热交换正常，热负荷降逐渐低。直至230 天（11月23日停机）时冻结结束，期间冻结壁稳定，冻土去路盐水保持在-17.9℃～-21.8℃，去回路温差在1.3℃～2.3℃之间。