白堊系地層凍結壁凍融全過程溫度場現場實測研究

陳飛敏，陳軍浩

（1.江蘇建筑職業技術學院 建筑工程技術學院，江蘇 徐州 221116；2.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

西部地區煤礦資源豐富，近年來建井重心逐步向西部轉移，其中又以內蒙地區最為突出，但這些地區所處地層以白堊系為主，力學性能較東部地區第四系表土地層差異很大。白堊系地層以泥巖、砂巖為主，遇水容易泥化崩解，使巖石自身承載力快速下降，為解決這一工程地質問題，現場普遍采用凍結工法進行鑿井。由于對這些地層特別是在低溫條件下力學性能研究較少，導致凍結后形成的白堊系凍結壁溫度場分布規律掌握不清，在部分凍結井筒中出現凍結管斷裂、井壁破裂，嚴重時甚至出現淹井現象，因此對所建井筒凍結壁溫度場的研究至關重要。本文基于此，選擇在西部地區某在建井筒，開展白堊系地層凍結壁溫度場凍結、融化全過程現場監測，通過對現場實測與數值計算結果相比較，得出西部地區凍結壁溫度場凍融規律，為類似地層凍結法鑿井提供依據。

1 現場測試

1.1 現場工程概況及測試方案

內蒙地區泊江海子礦設計生產能力300×104t/年，井筒凈直徑7.6m，最大掘砌荒徑10.4m，設計凍結深度556m，凍結壁厚度3.1m，平均溫度-12℃，采用單圈孔凍結防水，凍結孔圈徑15.3m，設計孔數36個。

為掌握白堊系地層凍結壁在凍結及融化全過程溫度場分布規律，在凍結孔內外布置3個測溫孔，對不同深度測點溫度變化進行實時監測。其中C1孔位于凍結孔內側1.2m，C2孔位于凍結孔外側1.2m，C3孔位于凍結孔外側1.3m。本文選取145m（礫巖）、213m（砂質泥巖）、234m（泥巖）、260m（中粒砂巖）4個代表性巖層進行測試。現場在凍結冷凍站停機及井壁澆筑完成后，保持融化過程測點溫度監測，以獲得凍結與融化過程凍結壁溫度場之間關系。

1.2 凍結過程溫度場現場實測結果分析

通過對現場實測數據進行整理，獲得了各層位巖體在不同孔位凍結過程溫度隨時間變化關系曲線，見圖1所示。

圖1 不同層位巖體溫度隨時間變化關系曲線

從圖1各巖層溫度變化情況對比中可以看出：

①在凍結開始初始階段，各層巖體均表現出溫度快速下降趨勢，且與凍結時間大致體現出線性關系；

②測溫孔內側巖體溫度下降速率遠大于測溫孔外側巖體溫度下降速率，如145m礫巖處C1孔、C3孔降溫速率分別為0.45℃/d、0.31℃/d；

③不同巖體之間降溫速率差異較大，總體降溫趨勢依次為礫巖、中粒砂巖、砂質泥巖、泥巖。

1.3 融化過程溫度場現場實測結果分析

在凍結站停機后，繼續保持對測溫孔溫度數據現場實測，由于自動采集儀器在現場施工時遭到損壞，因此改用人為手動不定期采集，通過對現場實測數據整理，獲得了各層位巖體在不同孔位融化過程溫度隨時間變化關系曲線，如圖2所示。

圖2 不同孔位融化過程溫度隨時間變化關系曲線

從圖2中各巖層溫度變化情況對比可以看出：

①在融化初始階段，各巖層溫度快速回升，但溫度回升速率逐漸下降，至融化后期，溫度回升趨于平穩，各孔位之間溫度差異逐漸減小；

②凍結孔內側巖體回升速率明顯大于凍結孔外側巖體回升速率，究其原因主要為內側巖體受井壁內側通風影響，而凍結孔外側巖體則受地層恒定地溫影響；

③當巖體溫度處于-1℃～-3℃之間時，巖體凍結壁變化緩慢，處于融化臨界狀態；

④不同巖體之間溫度回升速率差異較大，總體趨勢依次為礫巖、中粒砂巖、泥巖、砂質泥巖，如145m礫巖C2孔處在停機初期，溫度回升速率達到0.12℃/d；而234m泥巖處回升速率僅0.08℃/d，各巖體融化階段溫度回升速率快慢與巖體凍結階段溫度降溫速率快慢相一致。

2 小 結

本文通過對西部地區在建井筒，開展白堊系地層凍結壁溫度場凍結、融化全過程現場監測，通過現場實測與數值計算結果相比較，基本掌握了西部地區白堊系地層凍結壁溫度場凍結與融化過程一些基本規律，為類似地層凍結法鑿井施工與設計提供一定參考依據。

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