立井凍結工程鹽水溫度對凍結壁交圈時間的影響

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（即黎家新莊中心區）3 km，行政區劃隸屬寧夏回族自治區靈武市管轄。

副井井筒凈直徑8.00 m，井筒深度524 m，凍結深度340 m，凍結段最大掘砌荒徑11.206 m；回風井井筒凈直徑5.5 m，井筒深度349 m，凍結深度349 m，凍結段最大掘砌荒徑7.906 m。兩井表土層厚度分別在1.65 m、9.0 m；強風化帶底界分別在209.80 m、210.00 m；風氧化帶底界分別在226.50 m、230.00 m。

1.2 井筒地質條件

（1）第四系（Q）。第四系全區發育，上部為沖積沙土、風成沙，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。僅見漸新統清水營組（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。白堊系下統保安群（K1B）分布于勘查區西部，巖性為灰色、雜色礫巖，礫石以變質巖礫為主，其次為石英巖、石灰巖，礫石多呈半棱角狀，膠結較緊密。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。在鉆孔中僅見二疊系上統石千峰群（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。

①二疊系下統山西組（P1s）：為本勘查區另一主要含煤地層，屬陸相碎屑含煤建造，沉積較穩定。巖性組合由灰白、深灰色中—粗粒砂巖、細砂巖、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，編號為1、2、3、4、5、6 煤。勘查區內所有鉆孔對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，全區較發育，為具有對比意義的標志層（K0）。底部為灰白色厚層狀細—粗粒砂巖，泥質、高嶺土膠結，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、細砂巖為主，夾薄層雜色泥巖、中粗砂巖，夾少量細砂巖；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石石英砂巖，以淺灰綠色為主，少量紫色，成分以石英為主，長石次之，局部含大量礫石，膠結松散，易風化，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沉積。

1.3 井筒水文地質條件

根據含水層的巖性、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 個含水層（組）：古近系松散層及基巖風化裂隙帶含水層組、二疊系石盒子組砂巖裂隙孔隙承壓含水層組、二疊系下統山西組砂巖裂隙孔隙承壓含水層組，對井檢孔進行了抽水試驗。

（1）古近系松散層及基巖風化裂隙帶含水層組。

將第四系、古近系及基巖風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0.019 2 m/d，影響半徑為82.34 m。

（3）二疊系下統山西組砂巖裂隙孔隙承壓含水層。

二疊系下統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0.005 7 m/d，影響半徑為31.57 m。

2 凍結工程施工方案

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

針對以上地質特點，采取輔助凍結孔+主凍結孔的凍結方式，既保證松散層及強風化帶凍結壁厚度，降低凍結壁平均溫度，提高凍土抗壓強度，又防止巖土膨脹井幫變形，確保掘砌安全。

2.1 凍結壁厚度設計

選用有限長黏塑性體按強度條件公式對凍結壁計算，另考慮凈徑、井壁結構，最終確定副、回風井凍結壁厚度分別為4.00 m、3.65 m。

2.2 鉆孔設計

依據甲方所提供的凍結設計參數，鉆孔設計如下。

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

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

2.3 凍結制冷系統設計

根據愛斯特林計算方法，并依據《煤礦凍結法開鑿立井工程技術規范》MT/T1124-2011 選取冷量損失系數規定，計算得兩井需冷量分別為191.866萬kcal/h、152.766 萬kcal/h。每井安裝LG25L20SY機組4 臺、GZF-250 型干式蒸發器4 臺、SPL-1620 型冷凝器4 臺、HZA-3.5 型熱虹吸器1臺、ZA-5.0 型儲液器1 臺、12sh-6 型鹽水泵2 臺（1 臺運轉1 臺備用）；兩井共安裝200QJ32-26/2型清水泵2 臺（1 臺運轉1 臺備用）。

3 凍結制冷過程分析

3.1 凍結站運轉情況

副井、回風井凍結制冷均于2021 年2 月1 日開機運轉。

截止4 月19 日，已凍結制冷78 d，副井制冷機組共運轉數量：低壓部分226 臺，高壓部分297臺。回風井制冷機組運轉數量：低壓部分221 臺，高壓部分289 臺。

回風井制冷機組運轉數量較副井少13 臺。

3.2 鹽水降溫情況

副井、回風井分別于凍結站開機運轉后第25 d、第21 d 鹽水去路溫度達到設計要求的-28℃，第50 d、第54 d 鹽水回路溫度達到-28℃。鹽水去路溫度的時間序列如圖1 所示。鹽水回路溫度的時間序列如圖2 所示。

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

圖2 鹽水回路溫度的時間序列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 日間對鹽水流量進行檢測，滿足設計要求，最大流量為16.1 m3/h。

3.3 水文孔水位升降情況

兩井的淺水文孔內水溢出管口的時間相差5 d，副井水位上漲較快。兩井的深水文孔內水也于開機后的第29 d 溢出管口。但回風井淺水文孔內水仍未能溢出管口，故于3 月2 日對回風井水文孔進行縱向溫度檢測。淺水文孔時間序列如圖3 所示，深水文孔時間序列如圖4 所示。回風井1、2 號水文孔溫度比較如圖5 所示。

圖3 淺水文孔時間序列Fig.3 Time series of shallowhydrological hole

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

圖5 回風井1、2 號水文孔溫度比較Fig.5 Temperature comparison of No.1 and No.2 hydrological hole in return air well

根據以上統計分析，溫度曲線均存在線性關系，亦符合溫度分布。故選用井內降溫區的溫度場公式，即應用第一類（實根值）零階貝塞爾函數，對179 m 進行計算，其凍結壁厚度僅為0.496 m，凍結壁剛交圈。

3.4 凍結器縱向溫度檢測

于3 月8 日起對凍結器進行縱向溫度檢測，并應用sigmaplot 進行統計，主20 號、主22 號、主23號其均值較高，僅為-14.418～14.588 ℃，針對以上各孔對其拐點溫度查找，從-170～-240 m 溫度均有1℃左右的拐點。選用單個凍結圓柱的溫度分布公式計算凍土圓柱發展半徑僅1.026～1.209 m。

根據以上凍土圓柱平均發展速度，220 m 凍結壁交圈圖中Z20～Z21 最大孔間距處凍結壁厚度為0.493 m。回風井220 m水平凍結壁交圈如圖6 所示。

圖6 回風井220 m水平凍結壁交圈平面Fig.6 Crossing plane of 220 m horizontal freezing wall in return air well

綜上，對凍結站及地溝槽進行加強管理，加大鹽水泵泵壓，積極降低鹽水溫度，回風井淺水文孔于開機后的第33 d 內水溢出管口。

4 結 論

（1）兩井制冷設備開機運轉臺數相差13 臺，積極凍結期鹽水溫度相差4 d，淺水文孔冒水時間相差5 d，由此可見積極凍結期的鹽水降溫情況可直接影響凍土的發展。

（2）鹽水流量、水文孔水位、凍結器縱向溫度等是凍結制冷施工質量的影響因素，可采取相應措施解決制冷施工時存在的問題。

（3）制冷過程中數據均存在線性關系，適時選用統計學工具起著化繁為簡、事半功倍的作用。