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關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，在井筒周圍形成了一圈凍結壁，凍結壁在自然狀態下解凍緩慢，而且還會產生融沉等問題[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洲里市扎賚諾爾礦區內。設計生產能力為500 萬噸/年，副井井筒的主要技術特征所示。
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生高溫熱水，利用中間熱交換裝置使熱水與鹽水進行熱交換，加熱鹽水溫度的方案[4]。
采用三大系統、二級循環的解凍模式。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系統；二級循環是指熱水循環和熱鹽水循環。原理是利用鍋爐產生高溫熱水，通過自身循環泵將高溫熱水送至鹽水箱進行中間換熱，換熱后的低溫熱水再回鍋爐進行重新加熱；中間換熱裝置加熱過的熱鹽水經鹽水泵泵送至鹽水干管、再經配液圈送至50 米深的凍結孔進行強制解凍，吸收凍結壁冷量后的鹽水再通過集液圈、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，至停止凍結時已經形成了厚度約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行可進行強制解凍，即熱鹽水只在解凍管上部50米范圍內形成循環，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。
經過熱工計算[5][6]，強制解凍采用LZ-160 型蒸發器兩臺作為熱水箱，每個蒸發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240m2，富裕系數3.4，進水、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，副井進行強制解凍，共計76 天，測溫孔溫度隨解凍時間的關系曲線如所示。
從數據可以看出，在強制解凍狀態下，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 范圍內的凍土進行，這樣，下部的凍土體就處于自然解凍的狀態，分別選取與強制解凍巖性相對應的處于自然解凍狀態的層位與之對比，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下溫度變化的規律，故將其與強制解凍溫度變化曲線對比，反映兩種不同解凍狀態下溫度變化的差異。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，強制解凍狀態下可達到0.065~0.067℃/d 之間。
3.2 熱水溫度
強制解凍循環系統如所示。高溫熱水從鍋爐經保溫管路進入鹽水箱內的散熱盤管，與鹽水箱內的鹽水進行熱交換；換熱后的低溫熱水經管路回到鍋爐重新被加熱。熱水溫度測點布置在熱水管路與盤管交接的部位，在進入盤管前、后分別布置，監測進入盤管的高溫熱水溫度和出盤管的低溫熱水溫度。
副井熱水溫度變化曲線如所示。2012 年3 月11 日開始強制解凍，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，根據解凍速度和循環系統磨合后的運轉情況，改進了鍋爐運行模式，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、回路溫度曲線如所示。鹽水溫度與熱水溫度具有很好的相關性，曲線形態波動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 結論
本文通過現場實測，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濟與方便，結合礦區供暖鍋爐系統產生高溫熱水，利用原有制冷系統蒸發器進行熱水-鹽水換熱，因地制宜，經濟合理。
�。�2）強制解凍工程中，通過現場監測解凍情況，計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，熱水到達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越性。強制解凍施工技術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[J]．施工技術．2007，36(8)7-9．
[2] 仇培云．地鐵區間隧道聯絡通道強制解凍技術研究[D]．徐州：中國礦業大學，2006．
[3] 周真云．凍結法施工快速解凍研究及施工實踐[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] 徐學祖等著．凍土物理學[M]．科學出版社，2001．
[7] 周紅,王貴虎.人工凍土凍脹融沉問題研究現狀與展望[J].淮南職業技術學院學報,2002,4: 52-61．
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