立井冻结工程盐水温度对冻结壁交圈时间的影响

林波

（中煤邯郸特殊凿井有限公司，河北 邯郸 056003）

1 概 况

1.1 矿井概况

丁家梁煤矿位于宁夏回族自治区中东部，西北隔黄河距银川市40 km，西南距灵武市20 km，东距宁东镇（即黎家新庄中心区）3 km，行政区划隶属宁夏回族自治区灵武市管辖。

副井井筒净直径8.00 m，井筒深度524 m，冻结深度340 m，冻结段最大掘砌荒径11.206 m；回风井井筒净直径5.5 m，井筒深度349 m，冻结深度349 m，冻结段最大掘砌荒径7.906 m。两井表土层厚度分别在1.65 m、9.0 m；强风化带底界分别在209.80 m、210.00 m；风氧化带底界分别在226.50 m、230.00 m。

1.2 井筒地质条件

（1）第四系（Q）。第四系全区发育，上部为冲积沙土、风成沙，下部亚砂土，底部松散砂砾层。厚度2.50～39.64 m，平均厚度14 m。

（2）古近系。仅见渐新统清水营组（E3q），出露于沟谷两岸，岩性为棕红色泥岩，底部为棕红色、半胶结砂砾层及含石膏泥岩层，厚度15.76～324.98 m，与下伏白垩系保安群不整合接触。

（3）白垩系下统。白垩系下统保安群（K1B）分布于勘查区西部，岩性为灰色、杂色砾岩，砾石以变质岩砾为主，其次为石英岩、石灰岩，砾石多呈半棱角状，胶结较紧密。地层厚度由东向西增大，钻遇厚度最大为481.67 m，与下伏石千峰群呈不整合接触。

（4）二叠系上统。在钻孔中仅见二叠系上统石千峰群（P2T1s），紫红、暗紫色中粗粒砂岩、粉砂岩、泥岩互层，底部为中、粗粒砂岩，局部含较多石英小砾石，呈含砾砂岩、砾状砂岩。本组未见全，钻遇厚度5.44～270.01 m，与下伏石盒子组整合接触。

（5）二叠系。

①二叠系下统山西组（P1s）：为本勘查区另一主要含煤地层，属陆相碎屑含煤建造，沉积较稳定。岩性组合由灰白、深灰色中—粗粒砂岩、细砂岩、灰黑色粉砂岩、泥岩及煤层组成，而以粗碎屑岩占比例大。含煤6 层，编号为1、2、3、4、5、6 煤。勘查区内所有钻孔对该组层位有完整控制，地层厚度为72～109 m，平均为88.77 m，与下伏太原组整合接触。

②二叠系下—上统石盒子组（P1-2sh）可分为上、下2 段。

石盒子组下段（P1-2sh1）：岩性由灰白色各粒级砂岩与灰绿色粉砂岩、泥岩互层，夹薄层状粘土岩。本组自上而下颜色由灰绿色向深灰色过渡。下部夹1～2 层薄煤层。距底部40 m 左右处有1 层灰色或浅灰绿色粘土岩，厚2～3 m，全区较发育，为具有对比意义的标志层（K0）。底部为灰白色厚层状细—粗粒砂岩，泥质、高岭土胶结，较疏松，局部富集白云母，属陆相沉积。厚度85～145 m，平均为113 m，与下伏山西组整合接触。

石盒子组上段（P1-2sh2）：上部以灰紫、暗紫色等杂色粉砂岩、细砂岩为主，夹薄层杂色泥岩、中粗砂岩，夹少量细砂岩；中、下部以紫、暗紫色、灰绿色等杂色泥岩为主，夹薄层中细粒砂岩及花斑状泥岩包裹体，含植物化石；底部为厚层状粗粒长石石英砂岩，以浅灰绿色为主，少量紫色，成分以石英为主，长石次之，局部含大量砾石，胶结松散，易风化，属陆相沉积。厚度270～330 m，平均为297 m，与石盒子组下段为连续沉积。

1.3 井筒水文地质条件

根据含水层的岩性、厚度、埋藏条件、分布范围等，将检查孔穿越的各岩层划分为3 个含水层（组）：古近系松散层及基岩风化裂隙带含水层组、二叠系石盒子组砂岩裂隙孔隙承压含水层组、二叠系下统山西组砂岩裂隙孔隙承压含水层组，对井检孔进行了抽水试验。

（1）古近系松散层及基岩风化裂隙带含水层组。

将第四系、古近系及基岩风化裂隙带含水层组静止水位埋深27.18 m，含水层厚度58.7 m，水位降深198.82 m，涌水量1.52 L/s，单位涌水量0.049 L/s·m，渗透系数0.066 2 m/d，影响半径为92.57 m。

（2）二叠系石盒子组砂岩裂隙含水层（组）。

二叠系石盒子组砂岩裂隙含水层静止水位埋深28.62 m，含水层厚度72.50 m，水位降深388.45 m，涌水量1.12 L/s，单位涌水量0.018 7 L/s·m，渗透系数0.019 2 m/d，影响半径为82.34 m。

（3）二叠系下统山西组砂岩裂隙孔隙承压含水层。

二叠系下统山西组砂岩裂隙孔隙承压含水层静止水位埋深62.95 m，含水层厚度17.62 m，水位降深422.97 m，涌水量0.051 L/s，单位涌水量0.001 1 L/s·m，渗透系数0.005 7 m/d，影响半径为31.57 m。

2 冻结工程施工方案

根据井筒地层第四系松散，易坍塌；古近系砾岩半胶结，较疏松，孔隙发育，透水性好，富水性较强，另其岩类土的抗压、抗剪强度低，遇水易塑变、膨胀。冻土的单轴抗压强度偏低，基岩冻结温度偏低，在-3.1～-4.2℃，冻结难度大。强风化带，岩石松软，破碎，岩石抗压强度低，风化程度强。

针对以上地质特点，采取辅助冻结孔+主冻结孔的冻结方式，既保证松散层及强风化带冻结壁厚度，降低冻结壁平均温度，提高冻土抗压强度，又防止岩土膨胀井帮变形，确保掘砌安全。

2.1 冻结壁厚度设计

选用有限长黏塑性体按强度条件公式对冻结壁计算，另考虑净径、井壁结构，最终确定副、回风井冻结壁厚度分别为4.00 m、3.65 m。

2.2 钻孔设计

依据甲方所提供的冻结设计参数，钻孔设计如下。

（1）副井。主冻结孔38 个340 m，孔间距1.288 m；辅助冻结孔16 个100 m，孔间距2.528 m；测温孔2 个340 m，1 个100 m；水文孔1 个125 m、1 个226 m。冻结管均选用φ133 mm×5（0～200 m）/6 mm（200 m 以下）。冻结孔工程量为14 520 m，钻孔总工程量为15 651 m。

（2）回风井。主冻结孔29 个349 m，孔间距1.330 m；辅助冻结孔12 个120 m，孔间距2.577 m；测温孔2 个349 m，1 个120 m；水文孔1 个179 m、1 个258 m。冻结管均选用φ133 mm×5（0～200 m）/6 mm（200 m 以下）。冻结孔工程量为11 561 m，钻孔总工程量为12 816 m。

2.3 冻结制冷系统设计

根据爱斯特林计算方法，并依据《煤矿冻结法开凿立井工程技术规范》MT/T1124-2011 选取冷量损失系数规定，计算得两井需冷量分别为191.866万kcal/h、152.766 万kcal/h。每井安装LG25L20SY机组4 台、GZF-250 型干式蒸发器4 台、SPL-1620 型冷凝器4 台、HZA-3.5 型热虹吸器1台、ZA-5.0 型储液器1 台、12sh-6 型盐水泵2 台（1 台运转1 台备用）；两井共安装200QJ32-26/2型清水泵2 台（1 台运转1 台备用）。

3 冻结制冷过程分析

3.1 冻结站运转情况

副井、回风井冻结制冷均于2021 年2 月1 日开机运转。

截止4 月19 日，已冻结制冷78 d，副井制冷机组共运转数量：低压部分226 台，高压部分297台。回风井制冷机组运转数量：低压部分221 台，高压部分289 台。

回风井制冷机组运转数量较副井少13 台。

3.2 盐水降温情况

副井、回风井分别于冻结站开机运转后第25 d、第21 d 盐水去路温度达到设计要求的-28℃，第50 d、第54 d 盐水回路温度达到-28℃。盐水去路温度的时间序列如图1 所示。盐水回路温度的时间序列如图2 所示。

图1 盐水去路温度的时间序列Fig.1 Time series of de-route temperature of brine

图2 盐水回路温度的时间序列Fig.2 Time series of loop temperature of brine

从图1 中可看出两井盐水去路温度从第9 d～第25 d 存在降温差异，此后温度趋于一致。从图2中可看出两井盐水回路温度到第27 d 后温度才趋于一致。

在3 月30 日—4 月2 日间对盐水流量进行检测，满足设计要求，最大流量为16.1 m3/h。

3.3 水文孔水位升降情况

两井的浅水文孔内水溢出管口的时间相差5 d，副井水位上涨较快。两井的深水文孔内水也于开机后的第29 d 溢出管口。但回风井浅水文孔内水仍未能溢出管口，故于3 月2 日对回风井水文孔进行纵向温度检测。浅水文孔时间序列如图3 所示，深水文孔时间序列如图4 所示。回风井1、2 号水文孔温度比较如图5 所示。

图3 浅水文孔时间序列Fig.3 Time series of shallowhydrological hole

图4 深水文孔时间序列Fig.4 Time series of deep hydrological hole

图5 回风井1、2 号水文孔温度比较Fig.5 Temperature comparison of No.1 and No.2 hydrological hole in return air well

根据以上统计分析，温度曲线均存在线性关系，亦符合温度分布。故选用井内降温区的温度场公式，即应用第一类（实根值）零阶贝塞尔函数，对179 m 进行计算，其冻结壁厚度仅为0.496 m，冻结壁刚交圈。

3.4 冻结器纵向温度检测

于3 月8 日起对冻结器进行纵向温度检测，并应用sigmaplot 进行统计，主20 号、主22 号、主23号其均值较高，仅为-14.418～14.588 ℃，针对以上各孔对其拐点温度查找，从-170～-240 m 温度均有1℃左右的拐点。选用单个冻结圆柱的温度分布公式计算冻土圆柱发展半径仅1.026～1.209 m。

根据以上冻土圆柱平均发展速度，220 m 冻结壁交圈图中Z20～Z21 最大孔间距处冻结壁厚度为0.493 m。回风井220 m水平冻结壁交圈如图6 所示。

图6 回风井220 m水平冻结壁交圈平面Fig.6 Crossing plane of 220 m horizontal freezing wall in return air well

综上，对冻结站及地沟槽进行加强管理，加大盐水泵泵压，积极降低盐水温度，回风井浅水文孔于开机后的第33 d 内水溢出管口。

4 结 论

（1）两井制冷设备开机运转台数相差13 台，积极冻结期盐水温度相差4 d，浅水文孔冒水时间相差5 d，由此可见积极冻结期的盐水降温情况可直接影响冻土的发展。

（2）盐水流量、水文孔水位、冻结器纵向温度等是冻结制冷施工质量的影响因素，可采取相应措施解决制冷施工时存在的问题。

（3）制冷过程中数据均存在线性关系，适时选用统计学工具起着化繁为简、事半功倍的作用。