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关于内蒙古灵东矿强制解冻监测分析
引言
冻结法施工后的矿井，在井筒周围形成了一圈冻结壁，冻结壁在自然状态下解冻缓慢，而且还会产生融沉等问题[1]。内蒙古自治区的呼伦贝尔盟的立井矿井一般采用井塔式提升，避免冬季寒风和极低的气温对提绞设备的影响。井筒施工完毕以后需要拆除临时井架并修建永久井架及井塔，部分靠近井筒的井塔桩基础位于冻结壁范围内，这部分桩基础需要在冻结壁解冻以后才能施工。目前，强制解冻技术还局限于小规模的市政工程，大规模的矿井冻结壁强制解冻还未有先例[2][3]。
1 工程概况
灵东煤矿位于内蒙古自治区满洲里市扎赉诺尔矿区内。设计生产能力为500 万吨/年，副井井筒的主要技术特征所示。
2 强制解冻设计
2.1 强制解冻系统介绍
根据矿上现有条件，强制解冻设计采用锅炉产生高温热水，利用中间热交换装置使热水与盐水进行热交换，加热盐水温度的方案[4]。
采用三大系统、二级循环的解冻模式。三大系统包括锅炉生热系统、盐水箱换热系统和热盐水循环系统；二级循环是指热水循环和热盐水循环。原理是利用锅炉产生高温热水，通过自身循环泵将高温热水送至盐水箱进行中间换热，换热后的低温热水再回锅炉进行重新加热；中间换热装置加热过的热盐水经盐水泵泵送至盐水干管、再经配液圈送至50 米深的冻结孔进行强制解冻，吸收冻结壁冷量后的盐水再通过集液圈、盐水干管回到盐水箱继续换热。
2.2 强制解冻参数设计
灵东煤矿副井井筒采用冻结法施工，根据冻结设计和监测资料，至停止冻结时已经形成了厚度约4.2m 的冻结壁。其中冻结壁向冻结孔圈径外侧发展2.5m，内侧冻结壁厚度为1.7m。分别为副井冻结壁与井塔基础及解冻管位置示意图。
副井强制解冻采用隔孔解冻的方式，将冻结孔内的盐水供液管上提至地面标高以下50米位置，将冻结器头部重新组焊安装后进行可进行强制解冻，即热盐水只在解冻管上部50米范围内形成循环，针对上部50 米范围的冻结壁解冻。强制解冻的基本条件如所示。
经过热工计算[5][6]，强制解冻采用LZ-160 型蒸发器两台作为热水箱，每个蒸发器中投入是三片盘管作为热交换器，每片盘管换热面积为40m2，共计240m2，富裕系数3.4，进水、回水干管管径选用Φ159×5mm。
3 强制解冻监测分析成果
3.1 测温孔温度
副井在在自然解冻期间砂砾层温升速度最快，可以达到0.12℃/d；其次是粗砂岩，平均温升速度在0.06℃/d~0.09℃/d；泥岩温升速度在0.02℃/d ~0.05℃/d 之间。
2012 年3 月11 日至2012 年5 月25 日期间，副井进行强制解冻，共计76 天，测温孔温度随解冻时间的关系曲线如所示。
从数据可以看出，在强制解冻状态下，砂砾层温度回升速度在0.068~0.087℃/d之间，粗砂岩和泥岩温度回升速度在0.065~0.067℃/d 之间。
由于强制解冻只针对上部50m 范围内的冻土进行，这样，下部的冻土体就处于自然解冻的状态，分别选取与强制解冻岩性相对应的处于自然解冻状态的层位与之对比，绘制其温度变化曲线如所示。2012 年3 月20 日至2012 年4 月28 日之间未进行自然解冻土体的温度监测，造成了一定数据的缺失，但现有数据已能反映其自然解冻状态下温度变化的规律，故将其与强制解冻温度变化曲线对比，反映两种不同解冻状态下温度变化的差异。表3-2 列出了解冻速度差异的数值，用每天温度升高值来反映解冻速度的快慢。
从上述图表可以看出解冻速度受岩性影响较大，砂砾>粗砂岩>泥岩；自然解冻状态下，粗砂岩和泥岩的温度回升速度在0.025~0.028℃/d 之间，强制解冻状态下可达到0.065~0.067℃/d 之间。
3.2 热水温度
强制解冻循环系统如所示。高温热水从锅炉经保温管路进入盐水箱内的散热盘管，与盐水箱内的盐水进行热交换；换热后的低温热水经管路回到锅炉重新被加热。热水温度测点布置在热水管路与盘管交接的部位，在进入盘管前、后分别布置，监测进入盘管的高温热水温度和出盘管的低温热水温度。
副井热水温度变化曲线如所示。2012 年3 月11 日开始强制解冻，首次监测到的热水去、回路温度分别为67.9℃和54.3℃，温差13.6℃。之后热水温度保持在70±5℃，平均温差在3.2℃左右。解冻42 天时，根据解冻速度和循环系统磨合后的运转情况，改进了锅炉运行模式，将热水温度提高到80±5℃，热水去、回路温差在3.5℃。
3.3 盐水温度
盐水去、回路温度曲线如所示。盐水温度与热水温度具有很好的相关性，曲线形态波动与热水温度曲线一致。初始去路盐水温度47℃，温差4℃，之后去路盐水温度在65℃左右，热水温度提高以后，去路盐水温度70℃左右，温差2.4℃左右。
4 结论
本文通过现场实测，总结了白垩系地层中岩土强制解冻的规律，主要结论有：
（1）矿井强制解冻工程巨大，采用电能加热盐水的方式不够经济与方便，结合矿区供暖锅炉系统产生高温热水，利用原有制冷系统蒸发器进行热水-盐水换热，因地制宜，经济合理。
（2）强制解冻工程中，通过现场监测解冻情况，计算的供热量基本满足工程需要。
（3）锅炉热水出水温度在90℃左右时，热水到达换热盘管前可保证在80±5℃，盐水温度在70±5℃，可保证解冻系统连续、温度工作。
强制解冻作为冻结工程的延续，解决了融沉的不利影响，提高了冻结法施工的优越性。强制解冻施工技术的完善给地下工程施工提供了一套完备的冻结施工方法[7]。
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[参考文献] (References)
[1] 仇培云．冻结加固工程强制解冻融沉注浆施工技术[J]．施工技术．2007，36(8)7-9．
[2] 仇培云．地铁区间隧道联络通道强制解冻技术研究[D]．徐州：中国矿业大学，2006．
[3] 周真云．冻结法施工快速解冻研究及施工实践[J]．西部探矿工程，2003，(10)．
[4] 杨平，陈明华，张维敏等．冻结壁形成及解冻规律实测研究[J]．冰川冻土．1998，20（2）：128-132．
[5] 李述训．立井冻结法凿井工程中的热工计算[J]．冰川冻土．1994，16(1)：20-30．
[6] 徐学祖等著．冻土物理学[M]．科学出版社，2001．
[7] 周红,王贵虎.人工冻土冻胀融沉问题研究现状与展望[J].淮南职业技术学院学报,2002,4: 52-61．
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