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關(guān)于內蒙古靈東礦強制解凍監測分析
引言
凍結法施工后的礦井，在井筒周?chē)纬闪艘蝗鼋Y壁，凍結壁在自然狀態(tài)下解凍緩慢，而且還會(huì )產(chǎn)生融沉等問(wèn)題[1]。內蒙古自治區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)和極低的氣溫對提絞設備的影響。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位于凍結壁范圍內，這部分樁基礎需要在凍結壁解凍以后才能施工。目前，強制解凍技術(shù)還局限于小規模的市政工程，大規模的礦井凍結壁強制解凍還未有先例[2][3]。
1 工程概況
靈東煤礦位于內蒙古自治區滿(mǎn)洲里市扎賚諾爾礦區內。設計生產(chǎn)能力為500 萬(wàn)噸/年，副井井筒的主要技術(shù)特征所示。
2 強制解凍設計
2.1 強制解凍系統介紹
根據礦上現有條件，強制解凍設計采用鍋爐產(chǎn)生高溫熱水，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、二級循環(huán)的解凍模式。三大系統包括鍋爐生熱系統、鹽水箱換熱系統和熱鹽水循環(huán)系統；二級循環(huán)是指熱水循環(huán)和熱鹽水循環(huán)。原理是利用鍋爐產(chǎn)生高溫熱水，通過(guò)自身循環(huán)泵將高溫熱水送至鹽水箱進(jìn)行中間換熱，換熱后的低溫熱水再回鍋爐進(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 米深的凍結孔進(jìn)行強制解凍，吸收凍結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換熱。
2.2 強制解凍參數設計
靈東煤礦副井井筒采用凍結法施工，根據凍結設計和監測資料，至停止凍結時(shí)已經(jīng)形成了厚度約4.2m 的凍結壁。其中凍結壁向凍結孔圈徑外側發(fā)展2.5m，內側凍結壁厚度為1.7m。分別為副井凍結壁與井塔基礎及解凍管位置示意圖。
副井強制解凍采用隔孔解凍的方式，將凍結孔內的鹽水供液管上提至地面標高以下50米位置，將凍結器頭部重新組焊安裝后進(jìn)行可進(jìn)行強制解凍，即熱鹽水只在解凍管上部50米范圍內形成循環(huán)，針對上部50 米范圍的凍結壁解凍。強制解凍的基本條件如所示。
經(jīng)過(guò)熱工計算[5][6]，強制解凍采用LZ-160 型蒸發(fā)器兩臺作為熱水箱，每個(gè)蒸發(fā)器中投入是三片盤(pán)管作為熱交換器，每片盤(pán)管換熱面積為40m2，共計240m2，富裕系數3.4，進(jìn)水、回水干管管徑選用Φ159×5mm。
3 強制解凍監測分析成果
3.1 測溫孔溫度
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)行強制解凍，共計76 天，測溫孔溫度隨解凍時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如所示。
從數據可以看出，在強制解凍狀態(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。
由于強制解凍只針對上部50m 范圍內的凍土進(jìn)行，這樣，下部的凍土體就處于自然解凍的狀態(tài)，分別選取與強制解凍巖性相對應的處于自然解凍狀態(tài)的層位與之對比，繪制其溫度變化曲線(xiàn)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測，造成了一定數據的缺失，但現有數據已能反映其自然解凍狀態(tài)下溫度變化的規律，故將其與強制解凍溫度變化曲線(xiàn)對比，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，強制解凍狀態(tài)下可達到0.065~0.067℃/d 之間。
3.2 熱水溫度
強制解凍循環(huán)系統如所示。高溫熱水從鍋爐經(jīng)保溫管路進(jìn)入鹽水箱內的散熱盤(pán)管，與鹽水箱內的鹽水進(jìn)行熱交換；換熱后的低溫熱水經(jīng)管路回到鍋爐重新被加熱。熱水溫度測點(diǎn)布置在熱水管路與盤(pán)管交接的部位，在進(jìn)入盤(pán)管前、后分別布置，監測進(jìn)入盤(pán)管的高溫熱水溫度和出盤(pán)管的低溫熱水溫度。
副井熱水溫度變化曲線(xiàn)如所示。2012 年3 月11 日開(kāi)始強制解凍，首次監測到的熱水去、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)，根據解凍速度和循環(huán)系統磨合后的運轉情況，改進(jìn)了鍋爐運行模式，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(xiàn)如所示。鹽水溫度與熱水溫度具有很好的相關(guān)性，曲線(xiàn)形態(tài)波動(dòng)與熱水溫度曲線(xiàn)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 結論
本文通過(guò)現場(chǎng)實(shí)測，總結了白堊系地層中巖土強制解凍的規律，主要結論有：
�。�1）礦井強制解凍工程巨大，采用電能加熱鹽水的方式不夠經(jīng)濟與方便，結合礦區供暖鍋爐系統產(chǎn)生高溫熱水，利用原有制冷系統蒸發(fā)器進(jìn)行熱水-鹽水換熱，因地制宜，經(jīng)濟合理。
�。�2）強制解凍工程中，通過(guò)現場(chǎng)監測解凍情況，計算的供熱量基本滿(mǎn)足工程需要。
�。�3）鍋爐熱水出水溫度在90℃左右時(shí)，熱水到達換熱盤(pán)管前可保證在80±5℃，鹽水溫度在70±5℃，可保證解凍系統連續、溫度工作。
強制解凍作為凍結工程的延續，解決了融沉的不利影響，提高了凍結法施工的優(yōu)越性。強制解凍施工技術(shù)的完善給地下工程施工提供了一套完備的凍結施工方法[7]。
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[參考文獻] (References)
[1] 仇培云．凍結加固工程強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．地鐵區間隧道聯(lián)絡(luò )通道強制解凍技術(shù)研究[D]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2006．
[3] 周真云．凍結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．凍結壁形成及解凍規律實(shí)測研究[J]．冰川凍土．1998，20（2）：128-132．
[5] 李述訓．立井凍結法鑿井工程中的熱工計算[J]．冰川凍土．1994，16(1)：20-30．
[6] 徐學(xué)祖等著(zhù)．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)題研究現狀與展望[J].淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2002,4: 52-61．
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