陳飛敏，陳軍浩

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

西部地區(qū)煤礦資源豐富，近年來建井重心逐步向西部轉(zhuǎn)移，其中又以內(nèi)蒙地區(qū)最為突出，但這些地區(qū)所處地層以白堊系為主，力學(xué)性能較東部地區(qū)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(zhì)問題，現(xiàn)場(chǎng)普遍采用凍結(jié)工法進(jìn)行鑿井。由于對(duì)這些地層特別是在低溫條件下力學(xué)性能研究較少，導(dǎo)致凍結(jié)后形成的白堊系凍結(jié)壁溫度場(chǎng)分布規(guī)律掌握不清，在部分凍結(jié)井筒中出現(xiàn)凍結(jié)管斷裂、井壁破裂，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)淹井現(xiàn)象，因此對(duì)所建井筒凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的研究至關(guān)重要。本文基于此，選擇在西部地區(qū)某在建井筒，開展白堊系地層凍結(jié)壁溫度場(chǎng)凍結(jié)、融化全過程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相比較，得出西部地區(qū)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)凍融規(guī)律，為類似地層凍結(jié)法鑿井提供依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 現(xiàn)場(chǎng)工程概況及測(cè)試方案

內(nèi)蒙地區(qū)泊江海子礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力300×104t/年，井筒凈直徑7.6m，最大掘砌荒徑10.4m，設(shè)計(jì)凍結(jié)深度556m，凍結(jié)壁厚度3.1m，平均溫度-12℃，采用單圈孔凍結(jié)防水，凍結(jié)孔圈徑15.3m，設(shè)計(jì)孔數(shù)36個(gè)。

為掌握白堊系地層凍結(jié)壁在凍結(jié)及融化全過程溫度場(chǎng)分布規(guī)律，在凍結(jié)孔內(nèi)外布置3個(gè)測(cè)溫孔，對(duì)不同深度測(cè)點(diǎn)溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中C1孔位于凍結(jié)孔內(nèi)側(cè)1.2m，C2孔位于凍結(jié)孔外側(cè)1.2m，C3孔位于凍結(jié)孔外側(cè)1.3m。本文選取145m（礫巖）、213m（砂質(zhì)泥巖）、234m（泥巖）、260m（中粒砂巖）4個(gè)代表性巖層進(jìn)行測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)在凍結(jié)冷凍站停機(jī)及井壁澆筑完成后，保持融化過程測(cè)點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)，以獲得凍結(jié)與融化過程凍結(jié)壁溫度場(chǎng)之間關(guān)系。

1.2 凍結(jié)過程溫度場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，獲得了各層位巖體在不同孔位凍結(jié)過程溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線，見圖1所示。

圖1 不同層位巖體溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

從圖1各巖層溫度變化情況對(duì)比中可以看出：

①在凍結(jié)開始初始階段，各層巖體均表現(xiàn)出溫度快速下降趨勢(shì)，且與凍結(jié)時(shí)間大致體現(xiàn)出線性關(guān)系；

②測(cè)溫孔內(nèi)側(cè)巖體溫度下降速率遠(yuǎn)大于測(cè)溫孔外側(cè)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(shì)依次為礫巖、中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖。

1.3 融化過程溫度場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

在凍結(jié)站停機(jī)后，繼續(xù)保持對(duì)測(cè)溫孔溫度數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，由于自動(dòng)采集儀器在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)遭到損壞，因此改用人為手動(dòng)不定期采集，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理，獲得了各層位巖體在不同孔位融化過程溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 不同孔位融化過程溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

從圖2中各巖層溫度變化情況對(duì)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(wěn)，各孔位之間溫度差異逐漸減??；

②凍結(jié)孔內(nèi)側(cè)巖體回升速率明顯大于凍結(jié)孔外側(cè)巖體回升速率，究其原因主要為內(nèi)側(cè)巖體受井壁內(nèi)側(cè)通風(fēng)影響，而凍結(jié)孔外側(cè)巖體則受地層恒定地溫影響；

③當(dāng)巖體溫度處于-1℃～-3℃之間時(shí)，巖體凍結(jié)壁變化緩慢，處于融化臨界狀態(tài)；

④不同巖體之間溫度回升速率差異較大，總體趨勢(shì)依次為礫巖、中粒砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖，如145m礫巖C2孔處在停機(jī)初期，溫度回升速率達(dá)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(jié)階段溫度降溫速率快慢相一致。

2 小 結(jié)

本文通過對(duì)西部地區(qū)在建井筒，開展白堊系地層凍結(jié)壁溫度場(chǎng)凍結(jié)、融化全過程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相比較，基本掌握了西部地區(qū)白堊系地層凍結(jié)壁溫度場(chǎng)凍結(jié)與融化過程一些基本規(guī)律，為類似地層凍結(jié)法鑿井施工與設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù)。

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