內(nèi)蒙古靈東礦強(qiáng)制解凍監(jiān)測(cè)分析

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引言
　　
　　凍結(jié)法施工后的礦井，在井筒周圍形成了一圈凍結(jié)壁，凍結(jié)壁在自然狀態(tài)下解凍緩慢，而且還會(huì)產(chǎn)生融沉等問(wèn)題[1]。內(nèi)蒙古自治區(qū)的呼倫貝爾盟的立井礦井一般采用井塔式提升，避免冬季寒風(fēng)和極低的氣溫對(duì)提絞設(shè)備的影響。井筒施工完畢以后需要拆除臨時(shí)井架并修建永久井架及井塔，部分靠近井筒的井塔樁基礎(chǔ)位于凍結(jié)壁范圍內(nèi)，這部分樁基礎(chǔ)需要在凍結(jié)壁解凍以后才能施工。目前，強(qiáng)制解凍技術(shù)還局限于小規(guī)模的市政工程，大規(guī)模的礦井凍結(jié)壁強(qiáng)制解凍還未有先例[2][3]。
　　
　　1 工程概況
　　
　　靈東煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)滿洲里市扎賚諾爾礦區(qū)內(nèi)。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為500 萬(wàn)噸/年，副井井筒的主要技術(shù)特征所示。
　　
　　2 強(qiáng)制解凍設(shè)計(jì)
　　
　　2.1 強(qiáng)制解凍系統(tǒng)介紹
　　根據(jù)礦上現(xiàn)有條件，強(qiáng)制解凍設(shè)計(jì)采用鍋爐產(chǎn)生高溫?zé)崴�，利用中間熱交換裝置使熱水與鹽水進(jìn)行熱交換，加熱鹽水溫度的方案[4]。
　　采用三大系統(tǒng)、二級(jí)循環(huán)的解凍模式。三大系統(tǒng)包括鍋爐生熱系統(tǒng)、鹽水箱換熱系統(tǒng)和熱鹽水循環(huán)系統(tǒng)；二級(jí)循環(huán)是指熱水循環(huán)和熱鹽水循環(huán)。原理是利用鍋爐產(chǎn)生高溫?zé)崴�，通過(guò)自身循環(huán)泵將高溫?zé)崴�送至鹽水箱進(jìn)行中間換熱，換熱后的低溫?zé)崴�再回鍋爐進(jìn)行重新加熱；中間換熱裝置加熱過(guò)的熱鹽水經(jīng)鹽水泵泵送至鹽水干管、再經(jīng)配液圈送至50 米深的凍結(jié)孔進(jìn)行強(qiáng)制解凍，吸收凍結(jié)壁冷量后的鹽水再通過(guò)集液圈、鹽水干管回到鹽水箱繼續(xù)換熱。
　　
　　2.2 強(qiáng)制解凍參數(shù)設(shè)計(jì)
　　靈東煤礦副井井筒采用凍結(jié)法施工，根據(jù)凍結(jié)設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)資料，至停止凍結(jié)時(shí)已經(jīng)形成了厚度約4.2m 的凍結(jié)壁。其中凍結(jié)壁向凍結(jié)孔圈徑外側(cè)發(fā)展2.5m，內(nèi)側(cè)凍結(jié)壁厚度為1.7m。分別為副井凍結(jié)壁與井塔基礎(chǔ)及解凍管位置示意圖。
　　副井強(qiáng)制解凍采用隔孔解凍的方式，將凍結(jié)孔內(nèi)的鹽水供液管上提至地面標(biāo)高以下50米位置，將凍結(jié)器頭部重新組焊安裝后進(jìn)行可進(jìn)行強(qiáng)制解凍，即熱鹽水只在解凍管上部50米范圍內(nèi)形成循環(huán)，針對(duì)上部50 米范圍的凍結(jié)壁解凍。強(qiáng)制解凍的基本條件如所示。
　　經(jīng)過(guò)熱工計(jì)算[5][6]，強(qiáng)制解凍采用LZ-160 型蒸發(fā)器兩臺(tái)作為熱水箱，每個(gè)蒸發(fā)器中投入是三片盤管作為熱交換器，每片盤管換熱面積為40m2，共計(jì)240m2，富裕系數(shù)3.4，進(jìn)水、回水干管管徑選用Φ159×5mm。
　　
　　3 強(qiáng)制解凍監(jiān)測(cè)分析成果
　　
　　3.1 測(cè)溫孔溫度
　　副井在在自然解凍期間砂礫層溫升速度最快，可以達(dá)到0.12℃/d；其次是粗砂巖，平均溫升速度在0.06℃/d~0.09℃/d；泥巖溫升速度在0.02℃/d ~0.05℃/d 之間。
　　2012 年3 月11 日至2012 年5 月25 日期間，副井進(jìn)行強(qiáng)制解凍，共計(jì)76 天，測(cè)溫孔溫度隨解凍時(shí)間的關(guān)系曲線如所示。
　　從數(shù)據(jù)可以看出，在強(qiáng)制解凍狀態(tài)下，砂礫層溫度回升速度在0.068~0.087℃/d之間，粗砂巖和泥巖溫度回升速度在0.065~0.067℃/d 之間。
　　由于強(qiáng)制解凍只針對(duì)上部50m 范圍內(nèi)的凍土進(jìn)行，這樣，下部的凍土體就處于自然解凍的狀態(tài)，分別選取與強(qiáng)制解凍巖性相對(duì)應(yīng)的處于自然解凍狀態(tài)的層位與之對(duì)比，繪制其溫度變化曲線如所示。2012 年3 月20 日至2012 年4 月28 日之間未進(jìn)行自然解凍土體的溫度監(jiān)測(cè)，造成了一定數(shù)據(jù)的缺失，但現(xiàn)有數(shù)據(jù)已能反映其自然解凍狀態(tài)下溫度變化的規(guī)律，故將其與強(qiáng)制解凍溫度變化曲線對(duì)比，反映兩種不同解凍狀態(tài)下溫度變化的差異。表3-2 列出了解凍速度差異的數(shù)值，用每天溫度升高值來(lái)反映解凍速度的快慢。
　　從上述圖表可以看出解凍速度受巖性影響較大，砂礫>粗砂巖>泥巖；自然解凍狀態(tài)下，粗砂巖和泥巖的溫度回升速度在0.025~0.028℃/d 之間，強(qiáng)制解凍狀態(tài)下可達(dá)到0.065~0.067℃/d 之間。
　　
　　3.2 熱水溫度
　　強(qiáng)制解凍循環(huán)系統(tǒng)如所示。高溫?zé)崴畯腻仩t經(jīng)保溫管路進(jìn)入鹽水箱內(nèi)的散熱盤管，與鹽水箱內(nèi)的鹽水進(jìn)行熱交換；換熱后的低溫?zé)崴��?jīng)管路回到鍋爐重新被加熱。熱水溫度測(cè)點(diǎn)布置在熱水管路與盤管交接的部位，在進(jìn)入盤管前、后分別布置，監(jiān)測(cè)進(jìn)入盤管的高溫?zé)崴疁囟群统霰P管的低溫?zé)崴疁囟取?br />　　副井熱水溫度變化曲線如所示。2012 年3 月11 日開始強(qiáng)制解凍，首次監(jiān)測(cè)到的熱水去、回路溫度分別為67.9℃和54.3℃，溫差13.6℃。之后熱水溫度保持在70±5℃，平均溫差在3.2℃左右。解凍42 天時(shí)，根據(jù)解凍速度和循環(huán)系統(tǒng)磨合后的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，改進(jìn)了鍋爐運(yùn)行模式，將熱水溫度提高到80±5℃，熱水去、回路溫差在3.5℃。
　　
　　3.3 鹽水溫度
　　鹽水去、回路溫度曲線如所示。鹽水溫度與熱水溫度具有很好的相關(guān)性，曲線形態(tài)波動(dòng)與熱水溫度曲線一致。初始去路鹽水溫度47℃，溫差4℃，之后去路鹽水溫度在65℃左右，熱水溫度提高以后，去路鹽水溫度70℃左右，溫差2.4℃左右。
　　
　　4 結(jié)論
　　
　　本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，總結(jié)了白堊系地層中巖土強(qiáng)制解凍的規(guī)律，主要結(jié)論有：
　　（1）礦井強(qiáng)制解凍工程巨大，采用電能加熱鹽水的方式不夠經(jīng)濟(jì)與方便，結(jié)合礦區(qū)供暖鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生高溫?zé)崴�，利用原有制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器進(jìn)行熱水-鹽水換熱，因地制宜，經(jīng)濟(jì)合理。
　�。�2）強(qiáng)制解凍工程中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)解凍情況，計(jì)算的供熱量基本滿足工程需要。
　�。�3）鍋爐熱水出水溫度在90℃左右時(shí)，熱水到達(dá)換熱盤管前可保證在80±5℃，鹽水溫度在70±5℃，可保證解凍系統(tǒng)連續(xù)、溫度工作。
　　強(qiáng)制解凍作為凍結(jié)工程的延續(xù)，解決了融沉的不利影響，提高了凍結(jié)法施工的優(yōu)越性。強(qiáng)制解凍施工技術(shù)的完善給地下工程施工提供了一套完備的凍結(jié)施工方法[7]。

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　　[參考文獻(xiàn)] (References)
　　[1] 仇培云．凍結(jié)加固工程強(qiáng)制解凍融沉注漿施工技術(shù)[J]．施工技術(shù)．2007，36(8)7-9．
　　[2] 仇培云．地鐵區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道強(qiáng)制解凍技術(shù)研究[D]．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2006．
　　[3] 周真云．凍結(jié)法施工快速解凍研究及施工實(shí)踐[J]．西部探礦工程，2003，(10)．
　　[4] 楊平，陳明華，張維敏等．凍結(jié)壁形成及解凍規(guī)律實(shí)測(cè)研究[J]．冰川凍土．1998，20（2）：128-132．
　　[5] 李述訓(xùn)．立井凍結(jié)法鑿井工程中的熱工計(jì)算[J]．冰川凍土．1994，16(1)：20-30．
　　[6] 徐學(xué)祖等著．凍土物理學(xué)[M]．科學(xué)出版社，2001．
　　[7] 周紅,王貴虎.人工凍土凍脹融沉問(wèn)題研究現(xiàn)狀與展望[J].淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,4: 52-61．

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