白垩系地层冻结壁冻融全过程温度场现场实测研究

陈飞敏，陈军浩

（1.江苏建筑职业技术学院 建筑工程技术学院，江苏 徐州 221116；2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

西部地区煤矿资源丰富，近年来建井重心逐步向西部转移，其中又以内蒙地区最为突出，但这些地区所处地层以白垩系为主，力学性能较东部地区第四系表土地层差异很大。白垩系地层以泥岩、砂岩为主，遇水容易泥化崩解，使岩石自身承载力快速下降，为解决这一工程地质问题，现场普遍采用冻结工法进行凿井。由于对这些地层特别是在低温条件下力学性能研究较少，导致冻结后形成的白垩系冻结壁温度场分布规律掌握不清，在部分冻结井筒中出现冻结管断裂、井壁破裂，严重时甚至出现淹井现象，因此对所建井筒冻结壁温度场的研究至关重要。本文基于此，选择在西部地区某在建井筒，开展白垩系地层冻结壁温度场冻结、融化全过程现场监测，通过对现场实测与数值计算结果相比较，得出西部地区冻结壁温度场冻融规律，为类似地层冻结法凿井提供依据。

1 现场测试

1.1 现场工程概况及测试方案

内蒙地区泊江海子矿设计生产能力300×104t/年，井筒净直径7.6m，最大掘砌荒径10.4m，设计冻结深度556m，冻结壁厚度3.1m，平均温度-12℃，采用单圈孔冻结防水，冻结孔圈径15.3m，设计孔数36个。

为掌握白垩系地层冻结壁在冻结及融化全过程温度场分布规律，在冻结孔内外布置3个测温孔，对不同深度测点温度变化进行实时监测。其中C1孔位于冻结孔内侧1.2m，C2孔位于冻结孔外侧1.2m，C3孔位于冻结孔外侧1.3m。本文选取145m（砾岩）、213m（砂质泥岩）、234m（泥岩）、260m（中粒砂岩）4个代表性岩层进行测试。现场在冻结冷冻站停机及井壁浇筑完成后，保持融化过程测点温度监测，以获得冻结与融化过程冻结壁温度场之间关系。

1.2 冻结过程温度场现场实测结果分析

通过对现场实测数据进行整理，获得了各层位岩体在不同孔位冻结过程温度随时间变化关系曲线，见图1所示。

图1 不同层位岩体温度随时间变化关系曲线

从图1各岩层温度变化情况对比中可以看出：

①在冻结开始初始阶段，各层岩体均表现出温度快速下降趋势，且与冻结时间大致体现出线性关系；

②测温孔内侧岩体温度下降速率远大于测温孔外侧岩体温度下降速率，如145m砾岩处C1孔、C3孔降温速率分别为0.45℃/d、0.31℃/d；

③不同岩体之间降温速率差异较大，总体降温趋势依次为砾岩、中粒砂岩、砂质泥岩、泥岩。

1.3 融化过程温度场现场实测结果分析

在冻结站停机后，继续保持对测温孔温度数据现场实测，由于自动采集仪器在现场施工时遭到损坏，因此改用人为手动不定期采集，通过对现场实测数据整理，获得了各层位岩体在不同孔位融化过程温度随时间变化关系曲线，如图2所示。

图2 不同孔位融化过程温度随时间变化关系曲线

从图2中各岩层温度变化情况对比可以看出：

①在融化初始阶段，各岩层温度快速回升，但温度回升速率逐渐下降，至融化后期，温度回升趋于平稳，各孔位之间温度差异逐渐减小；

②冻结孔内侧岩体回升速率明显大于冻结孔外侧岩体回升速率，究其原因主要为内侧岩体受井壁内侧通风影响，而冻结孔外侧岩体则受地层恒定地温影响；

③当岩体温度处于-1℃～-3℃之间时，岩体冻结壁变化缓慢，处于融化临界状态；

④不同岩体之间温度回升速率差异较大，总体趋势依次为砾岩、中粒砂岩、泥岩、砂质泥岩，如145m砾岩C2孔处在停机初期，温度回升速率达到0.12℃/d；而234m泥岩处回升速率仅0.08℃/d，各岩体融化阶段温度回升速率快慢与岩体冻结阶段温度降温速率快慢相一致。

2 小 结

本文通过对西部地区在建井筒，开展白垩系地层冻结壁温度场冻结、融化全过程现场监测，通过现场实测与数值计算结果相比较，基本掌握了西部地区白垩系地层冻结壁温度场冻结与融化过程一些基本规律，为类似地层冻结法凿井施工与设计提供一定参考依据。

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