混凝土井壁水化热对白垩侏罗系地层冻结壁的影响.pdf

煤炭 工程 2 0 1 1年第 1 2期 混凝土井壁水化热对 白垩侏 罗系 地层冻结壁 的影响 许 影 ，汪仁和 ( 安徽理工大学 土小建筑学院，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ) 摘要：根据现场实测结果 ，对 内蒙古东胜地区冻结法凿井混凝土井壁水化热对冻结壁的影 响规律进行分析和探讨。 内壁浇筑水化热对冻结壁的影响不可忽略 ，其影响使得井帮处正温持 续 时间较长 ，及侏 罗系地层受其影响的冻结壁融化深度 比白垩 系地层要 大 2 0 0 ra m左右等结论。对 内蒙古地 区冻结工法设计与施工具有重要 意义。 关键词 ：冻结法凿井；内壁浇筑水化热；冻结壁 ；白垩系地层；侏 罗系地层 中图分类号 ：T U 5 2 8 ；T D 2 6 5 3 文献标识码 ：B文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 1 0 2 0 4 Hy dr a t e d He a t o f M i ne Sh a f t Co nc r e t e Li n e r Affe c t e d t o M i ne S h a f t Fr e e z i n g W a l l i n Cr e t a c e o u s J u r a s s i c S t r a t a XU Yi n g， W ANG Renh e ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ，A n h u i U n i v e r s i t y( S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t o t h e s i t e me a s u r e d r e s u l t s ， a n a n a l y s i s a n d d i s c u s s i o n w a s c o n d u c t e d o n t h e i n fl u e n c e l a w o f t h e h y d r a t e d h e a t fro m t he c o nc r e t e s ha f t l i n e r t o t h e f r e e z i ng wa l l i n t he g r o un d f r e e z i n g s h a f t s i n ki n g i n hme r Mo ng o l i a Do ng s h e n g Ar e a Th e h yd r a t e d he a t f r o m t he po ur i n g c o n c r e t e o f t he s h MI i n ne r l i n e ra f f e c t e d t o t he f r e e z i n g wal l c o u l d n o t b e i g n o r e d T h e p o s i t i v e t e mp e r a t u r e a t t h e mi e n s h a ft l i n e r w o u l d b e k e p t i n a l o n g t i me p e r i o d F i l e t h a wi n g d e p t h o f t h e f r e e z i n g w a l l a f f e c t e d i n t h e J u r a s s i c s t r a t a wo u l d b e 2 0 0 mn l d e e p e r t h a n i n t h e C r e t a c e o u s s t r a t a F h e a n a l y s i s a n d d i s c u s s i o n o n t h e h y d r a t e d h e a t w o u l d h a v e g r e a t s i g n i fi c a n c e s t o t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f t h e g r o u n d f r e e z i n g me t h o d i n I n n e r Mo n g o l i a Ar e a Ke y wo r ds： mi ne f r e e z i ng s ha f t s i nk i ng； h y d r a t e d he a t fro m p o u r e d c o n c r e t e o f s h a f t i n n e r l i n e r ； mi n e s h a f t fre e z i n g wa l l ； C r e t a c e o u s s t r a t a ；J u r a s s i c s t r a t a 随着国家西部 大开发 战略 的进一 步实施 ，内蒙地 煤 炭开发的力度也在不断加大。但是，与中东部地区的矿井 建设相比，内蒙地区第三、第四系表土浅 ，井筒大部分穿 越的是白孚系和侏罗纪地层 ，它们强度低、遇水软化 、属 软弱不稳定岩层 ，且 含水 较大 。这就 对此地 区冻结 法凿 井 的关键技术提 出了挑战 。虽然 自 1 9 5 5年我 国引入冻结法 凿 井以来，已经形成了一套较为成熟的冻结法凿井设计理论 和施工管理方法，但在此之前对内蒙地区全基岩冻结工程 还鲜有工程实例。因而这一地区冻结法凿井的关键技术和 理论的研究将是当今和将来煤炭行业研究的热点。 冻结壁是冻结法凿井中用来抵抗地压和隔绝地下水的 临时支护结构，是冻结丁程的核心工程，是冻结法凿井成 败的关键环节。冻结壁的设计方法、厚度、平均温度等都 是冻结法 凿井 中的关键 问题。长期 以来 ，关 丁外壁 浇注混 凝土水化热对冻 结壁 的影响 ， 一 直是冻 结凿 井 丁程 中研 究 的重点。但关 于内壁浇注混 凝土 水化热 对冻结 壁 的影 响还 少有探讨。文章就内蒙地 区特殊地层冻结法凿井T程 中， 内壁浇注混凝土水化热对冻结壁的影响结合现场实测，进 行了分析和探讨 。 1 测试方案 内蒙古某矿主井 、副井、风井i个井筒均采用冻结 I _ 法施T。矿 井筒揭露的地层有第 四系、白 系 F统志丹 群、侏罗系中统直罗组、侏罗系中一下统延安组。第 四系 表土较薄 ( 6 8 87 0 3 m) ，其 下到 3 2 5 m为白 系地层， 3 2 5 m以下为侏 罗系地层。井筒 大部 分穿越 的是 白 系和侏 收稿 日期 ：2 0 1 1 0 50 6 基金项 目：国家 自然科学基金( 4 0 9 7 2 1 8 8 ) ；教育部博十点基金( 2 0 0 8 0 3 6 1 0 0 0 4 ) 作者简介：许影( 1 9 8 7一) ，男，安徽淮南人，安徽理工大学土小建筑学院在读硕士研究牛 ， 要从事岩上 与地F 1 程研究工作。 l O 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1年第 1 2期 表 2 井帮处测点测试结 果 表 3 距井帮 2 5 0 m m处测点测试结果 表 4 距井帮 5 0 0 ra m处测点测试结果 南表 2 4可见 ，内壁浇注混凝土后 ： 1 ) 随着 内壁混凝土 的浇筑 ，产生 了大量 的水化热 ，总 体上 ，随着深度 的增加 ，水化 热 的影响越 大。这一 点可 以 从井帮处测点的正温持续时间上明显 的看 出 ，尤其是第 四、 五水平的井帮处测点的正温持续时间分别达到了2 7天和 2 8 天。一方面，随着深度的增加，内壁厚度和混凝土等级在 增加，水化热源量在增加。另一方面，随着深度的增加 ， 地层温度在增加 ，井筒内风流热量交换在减小 ，热量损失 在减少 。 2 )内壁浇筑混凝土，使得冻结壁内温度达到的峰值并 不大，但对冻结壁的正温影响时间却 比较长。五个水平井 帮处 测 点受 内壁浇 筑 影响 的温 度 峰值 分 别 为 1 6 c C、 0 1 5 、3 8 、5 5 5 o C、5 8 5 ，但正温持续时间分别为 5 d 、2 d 、1 3 d 、2 7 d 、2 8 d 。( 这与以往研究中外壁浇注水化 热产牛的高影响温度 ，低持续时间有很大不同。 ) 1 0 4 3 )综合井帮、距井帮 2 5 0 ra m、距井帮 5 0 0 ra m处测点 受内壁浇筑影响的温度上升速率的平均值 ，得到五个水平 温度上升速率的大小关系：第四水平 第三水平 第五水 平 第一水平 第二水平。即：粗粒砂岩 砂质泥岩 细 砂岩 砾岩 中粒砂 岩。 4 )冷冻站停机以后，冻结壁融化之后并没有表现出迅 速升温解冻，而是表现出二次回冻的趋势( 相 比较于受外壁 浇注水化热影响的第一次融化回冻) 。首先，白垩、侏罗系 地层地层温度较低( 5 0 0 m深度地温在 1 5 61 6 ，而徐淮 地区则在2 8 3 O ) 。其次，内蒙地区进入冬季较早，冬季 时间长、气温低。 综上所述 ：内壁浇 注混凝 土产生 了大量 的水 化热 ，大 量的水化热使得冻结壁内温度迅速上升，冻结壁融化，并 使得各测试水平保持了较长的正温养护时间，对内壁混凝 土早期强度增长有利。总体上，随着深度的增加，水化热 的影响越大。受水化热影响的温度上升速率大小关系为： 粗粒砂岩 砂质 泥岩 细砂岩 砾岩 中粒 砂岩 。冷 冻站 停机后 ，冻结壁表现出了明显的二次回冻趋势。 3 内壁浇注混凝土水化热对冻结壁最大融化深度 的计算 由于浇注混 凝土释 放大量 的热量 ，必然会对 冻结 壁产 生影响，造成冻结壁的融化。冻结壁的融化深度不仅能能 直观的反映出影 响 的大小 ，而且 融化深 度还牵扯 到融 化后 的回冻，对冻结壁的各物理力学性能都有不可忽略的影响。 所以 ，冻结壁 的融化深度是衡量这一影响最好的参数。表 5 及表6是根据实测数据结合安徽理工大学冻土研究所的冻 结温度实验，对各监测层位受内壁浇筑影响的冻结壁融化 深度进行了计算 。 表 5冻结温度 实验数据 层位 m岩性 南 卜 冻结壁融化深度 的计算可见：除第 一 一 水平外 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 1 2期 煤炭工程 受水化热热量大小的影响，深度越大，冻结壁的融化深度 越大。第二、三水平为白垩系地层，第 四、五水平为侏罗 系地层，可见，侏罗系地层的融化深度要 比白垩系地层大 2 0 0 m m左右。第一水平由于没有铺设保温材料，且冻结温 度较低( 为 一2 3 C，比起它四个水平的冻结温度都要低) ， 所以导致了融化深度较大。 4结论 1 )第一水平没有铺设保温材料，第二、三、四、五水 平铺设了塑料薄膜，但没有在某一监测水平铺设 2 5 7 5 mm 厚的泡沫塑料板的对比层 ，是此次实验安排上存在的缺陷。 但是，由于白垩、侏罗系地层冻胀量小，同时采用塑料薄 膜施工造价小、又可以缩短工期 ，而且经实践检验 ，采用 塑料薄膜保温层也能够满足外壁混凝土早期强度的要求， 这是对冻结法施工双层钢筋混凝土井壁的创新。 2 )随着内壁混凝土的浇筑，产生了大量的水化热，总 体上，随着深度的增加，水化热的影响越大。内壁浇筑混 凝土水化热，使得冻结壁 内冻土出现了二次融化与回冻状 态，这就要求我们在以后的研究中不能忽略内壁浇筑水化 热对冻结壁的影响，同时 ，白垩、侏罗系软弱不稳定岩层 的二次融化与回冻规律也是我们所要研究的重点。 3 )内壁浇筑混凝土，使得冻结壁内温度达到的峰值并 不大，但对冻结壁的正温影响时间却 比较长。五个水平井 帮处 测 点 受 内壁 浇筑 影 响 的温 度 峰值 分 别 为 1 6 Y ： 、 0 1 5 、3 8 C、5 5 5 、5 8 5 C，但正温持续时间分别为 5 d、2 d、1 3 d 、2 7 d 、2 8 d。 ( 上接第 1 0 1页) 5 结语 1 )随着我国原煤入洗率提高，煤泥产量大幅度增加， 煤泥燃烧发电是解决煤泥综合利用问题的一条有效途径。 2 )经过煤泥综合利用电厂多年的发展 ，煤泥掺烧正朝 着洁净、可靠、大量、高效的方向发展，循环流化床锅炉 大比例掺烧煤泥不但解决 了煤泥污染 问题 ，而且也节约能 源，变废为宝，创造了很好的经济效益。 3 )传导式间接干燥工艺使煤泥水分降低后，掺入商品 煤外销，能够保证锅炉的正常运行 ，大大提高了经济效益。 安全、节能、环保，且 占地小 ，特别适用于周边没有 自备 电厂的洗煤厂对煤泥的处置。也是煤泥资源化利用的又一 有效 途径。 参考文献 ： 1 孙立新，国平，许金德2 2 0 t h 循环流化床锅炉煤泥掺烧 技术探讨 J 锅炉制造，2 0 1 0 ，( 4 ) ：5 7 4 )综合井帮、距井帮 2 5 0 m m、距井帮 5 0 0 m m处测点 受内壁浇筑影响的温度上升速率的平均值 ，得到五个水平 温度上升速率的大小关系：第四水平 第三水平 第五水 平 第一水平 第二水平。即：粗粒砂岩 砂质泥岩 细 砂岩 砾岩 中粒砂岩。 5 )通过实测及理论计算得到，侏罗系地层的融化深度 要比白垩系地层大 2 0 0 m m左右。保温材料的选用对冻结壁 融化深度的影响也比较大。 参考 文献 ： 1 王衍森 ，黄家会 ，等特厚冲积层中冻结井外壁温度实测研 究 J 中国矿业大学学报 ，2 0 0 6 ，3 5 ( 4 ) ：4 6 8 4 7 2 2 姚直书， 程桦 ， 荣传新西部地区深基岩冻结井筒井壁结构 设计 与优化 J 煤炭学报 ，2 0 1 0 ，3 5 ( 5 ) ：7 6 07 6 4 3 陈军浩 ， 汪仁和多圈管冻结壁温度场融化特性的实测研究 J 煤炭科技，2 0 0 9 ， 3 5 ( 1 2 ) ： 4 8 5 0 4 姜浩亮混凝土水化热对井壁和冻结壁的影响研究 D 淮南 ：安徽理工大学 ，2 0 0 7 5 刘为国冻 结井筒 高强混凝 土水化 热规律研 究 J 煤 炭 科学技术 ，2 0 0 8 ，3 6 ( 3 ) ：5 1 5 3 6 王晓健， 程桦 ， 姚直书，荣传新特厚冲积层矿井竖向局部 保温冻结技术研究与应用 J 煤 炭工程 ，2 0 0 9，( 0 7 ) 7 杨勇 ，罗慧 ，姚 直书特厚 表土层 冻结井 壁 C 8 0高性能 混 凝土配 比研究 J 煤炭工程 ，2 0 0 7 ，( 0 7 ) 8 王晓红 ，韩振先 ，李 国栋冻结井壁高强高性 能混凝土 的研 制与应用 J 中州煤炭 ，2 0 0 9 ，( 1 1 ) ( 责任编辑章新敏) 8 9 郭滨 大容 量 C F B锅 炉大 比例 掺 烧矿 区洗 煤泥 技 术研 发 J 电力技术 ，2 0 1 0，1 9 ( 1 1 1 2 ) ：1 4 侯保 国，张鲁生 ，赖 映军 ，等7 5 t h煤泥循 环流化床锅 炉 运行技术 J 山东煤炭科技 ，2 0 0 0 ，( 4) ：3 73 8 郭天罡两种煤泥干燥工艺 的比较 J 西 山科技 ，2 0 0 2， ( 4 )：78 马星 民，李宁 ，雷宏彬 ，等煤泥输送技术在黄陵煤矸石热 电厂 的应用 J 煤炭工程 ，2 0 1 0，( 6 ) ：4 7- 4 8 刘吉堂 ，王冬梅 ，蒋 文斌 ，等 大型 C F B锅 炉大 比例 掺烧 煤泥的分析 J 电力技术，2 0 1 0 ，1 9 ( 1 0 ) ：5 2 5 7 刘彦鹏，李建民，余永生，马斌3 0 0 M W循环流化床锅炉 掺烧煤泥试验研究 J 热力发电， 2 0 1 0 ，3 9 ( 1 O ) ： 6 0 6 4 关莹C F B锅炉煤泥的燃烧和输送技术 J 锅炉制造， 2 0 0 9，( 4 ) ：1 3l 5 王琦煤泥干燥与泵送技术对煤泥燃烧发电的影响 J 洁净煤技术 ，2 0 1 1 ，( 0 4) ：7 4 7 6 ( 责任编辑赵巧芝) 1 0 5 1i 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m