氯化鈣溶液在凍結(jié)工程中的應(yīng)用

楊明紅

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

1 概述

凍結(jié)鑿井法施工是借助于人工制冷暫時加固不穩(wěn)定地層和隔絕地下水的一種特殊施工方法。首先在擬開鑿井筒的周圍打一定數(shù)量的鉆孔，孔內(nèi)裝有帶底錐的凍結(jié)器，以便輸送低溫鹽水進(jìn)行熱交換，吸收管子周圍地產(chǎn)的熱量，使之降溫以至凍結(jié)。隨著凍結(jié)工程的延續(xù)，各鉆孔周圍的凍結(jié)圓柱不斷擴大而連成不透水的且能抵抗地壓和水壓的凍結(jié)圓柱，而后在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行井筒的掘砌工作。

2 傳統(tǒng)冷媒劑的選取

凍結(jié)鑿井法施工作為所有冷量的傳媒劑起著流動傳導(dǎo)低溫并吸收地層溫度的作用?，F(xiàn)在工程施工中多是選取一定濃度的氯化鈣(俗稱鹽)作為冷媒劑。煤礦凍結(jié)工程需鹽量大，尤其是深厚粘土層凍結(jié)工程。凍結(jié)企業(yè)一般采購的是含有2個結(jié)晶水的氯化鈣晶體(CaCl2·2H2O)。采用固體氯化鈣的優(yōu)缺點:

優(yōu)點:1)運輸方便，所需車次較少;2)貯存方便，可集中堆放;3)溶液濃度操作方便，現(xiàn)場配比簡單;4)可隨時補充。

缺點:1)造價高，相對于液體;2)化鹽速度慢，持續(xù)工期長，所有固體鹽均需人工配合機械溶解成一定濃度的液體;3)人工勞務(wù)量需求巨大;4)反復(fù)溶解氯化鈣造成溫度回升，降溫梯度不易控制;5)容易造成凍結(jié)管堵塞等事故，處理起來繁瑣。

目前所知的礦井凍結(jié)鑿井法施工都是采取固體氯化鈣的施工方法。張集煤礦副井則首先嘗試了將設(shè)計濃度的氯化鈣溶液直接填充的施工工藝，在國內(nèi)凍結(jié)行業(yè)尚屬首次。

3 張集副井凍結(jié)工程冷媒劑使用情況

單縣豐源實業(yè)有限公司張集礦井井田位于單縣煤田東部，行政區(qū)劃屬張集鎮(zhèn)管轄，張集礦井井田的開拓方式為立井+暗斜井開拓。中央并列式通風(fēng)。初期開鑿主井、副井兩個井筒，副井筒凈直徑6.5 m，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為1.20 Mt/年，服務(wù)年限為51.2年。詳細(xì)副井凍結(jié)參數(shù)見表1。

表1 副井凍結(jié)設(shè)計技術(shù)參數(shù)匯總表

1)經(jīng)濟(jì)比較:張集副井設(shè)計使用二水氯化鈣(CaCl2·2H2O)750 t，市場到貨價1 200元/t，總購置金額90萬元。由于工期緊張，為了保證工期，經(jīng)過仔細(xì)討論、科學(xué)分析決定采用一定比例的液體氯化鈣溶液。張集副井實際采購氯化鈣溶液1 294 t，1 007 m3比重為1.285，折合二水氯化鈣553.8 t。氯化鈣溶液單價為458元/t，折合成二水氯化鈣為 1 070元/t，即每噸便宜130元，節(jié)約71 994元。

2)技術(shù)比較:對于固體氯化鈣使用方法極為普遍，技術(shù)成熟。工作流程見圖1。

直接使用設(shè)計濃度的氯化鈣溶液的方法沒有經(jīng)驗可以借鑒，在使用前需要反復(fù)的討論驗證、使用過程中密切觀察、部分孔置換后總結(jié)經(jīng)驗。張集煤礦副井凍結(jié)工程鹽水置換工作進(jìn)行的非常順利，制定了專項措施。具體操作步驟如下:

a.將凍結(jié)器、鹽水干管、集配液圈內(nèi)的清水放凈;

b.配液圈與集液圈連接，關(guān)閉所有凍結(jié)器進(jìn)出閥門;

c.開啟集液圈放空閥，向鹽水箱、鹽水干管及集配液圈充填鹽水;

d.充滿后，關(guān)閉放空閥，斷開集配液圈回路連接;

e.關(guān)閉配液圈進(jìn)口閥門，開動鹽水泵，慢慢開啟配液圈進(jìn)口閥門;

f.逐個凍結(jié)孔鹽水置換，利用正循環(huán)置換出清水，先打開測流量閥門及進(jìn)液閥門，清水開始被置換出，待有鹽水時(判斷依據(jù)為看顏色、看濃度)，開啟回液閥，關(guān)閉測流量閥門;

g.氯化鈣溶液供應(yīng)不及時時，即鹽水量構(gòu)不成回路循環(huán)，應(yīng)停止置換清水。但必須是鹽水回路一直循環(huán)避免結(jié)晶。等待鹽水補充。

3)施工結(jié)束后發(fā)現(xiàn)液體氯化鈣有以下幾個優(yōu)點:

a.設(shè)計濃度的氯化鈣溶液使用方便、加鹽速度快、節(jié)省時間;

b.設(shè)計濃度的氯化鈣溶液大量節(jié)約勞動力，只需2個～4個人即可;

c.由于氯化鈣溶液廠家在工藝上節(jié)省了提純變固的一道工序，所以造價比固體氯化鈣要便宜;

d.符合國家節(jié)能環(huán)保要求，沒有廢棄包裝，且溶液在生產(chǎn)過程中也節(jié)能減排，節(jié)省一道工序;

e.配制好的溶液不會出現(xiàn)大面積或大體積結(jié)晶現(xiàn)象，不會造成凍結(jié)管堵塞等質(zhì)量事故。

綜合以上固體與設(shè)計濃度的氯化鈣溶液的使用對比，氯化鈣溶液在工程使用中的優(yōu)點更為突出。最科學(xué)的方法是氯化鈣溶液+固體相結(jié)合的方式，即用大量的液體氯化鈣填充置換一定的濃度后，開機運行，隨著溫度的降低再補充少部分固體氯化鈣。這樣的方式就結(jié)合了固體與液體氯化鈣的優(yōu)點，既節(jié)約成本、降低能耗，又達(dá)到了施工的目的。

4 結(jié)語

成熟的施工工藝下，我們?nèi)匀灰粩嗟呐ν诰蜃詈线m的新材料、新工藝，使其更方便更經(jīng)濟(jì)。選擇合理的氯化鈣的形態(tài)能夠有效的節(jié)約成本、縮短工期;采用設(shè)計濃度的氯化鈣溶液結(jié)合部分固體氯化鈣作為冷媒劑是一種比較科學(xué)、安全、經(jīng)濟(jì)、高效的施工方法。

［1］ 王菊花，萬長忠，澹臺妹嫻.制冷系統(tǒng)中冷媒的選用［J］.氯堿工業(yè)，2008，44(9):40-45.

［2］ 李方政.人工地層凍結(jié)的環(huán)境效應(yīng)及其工程對策［J］.公路交通科技，2004(3):67.

［3］ 王宗金，曹化春.我國凍結(jié)法施工技術(shù)及其發(fā)展［J］.山西建筑，2006，32(18):52-53.

［4］ 井巷工程施工手冊編寫組.井巷工程施工手冊［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1980.