内蒙古软岩温度场发展规律研究

王 龙

(北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)

1 工程概况

泊江海子矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市塔然高勒矿区南部，东距鄂尔多斯市东胜区55 km。矿井场地被第四系所覆盖，依据井检孔资料，区内地层由老到新依次为：三叠系上统延长组(T3y)岩性为一套灰绿色中～粗粒砂岩，局部含砾；侏罗系中—下统延安组(J1-2y)岩性主要由一套浅灰、浅灰绿、灰白色各粒级的砂岩，灰色、深灰色砂质泥岩、泥岩和煤层组成，发育有水平纹理及波状层理；侏罗系中统直罗组(J2z)：岩性特征为灰绿色厚层状各粒级砂岩及绛紫色、紫红色砂质泥岩与泥岩。与下伏地层延安组(J1-2y)地层呈平行不整合接触；白垩系下统志丹群(K1zh)：上部为紫红色细粒砂岩、粗粒砂岩、含砾粗砂岩互层。

采用差异冻结方式，共设置冻结孔44个，其中为深孔(编号为单数)22个，孔深556 m；浅孔(编号为双数)22个，孔深396 m。10号，18号为556 m，9号为454 m，17号下有φ108 mm的套管。冻结孔布置圈径18.0 m/17.6 m。冻结孔开孔间距1.285 m。设水文孔2个，报道层位为87 m～93 m，253.7 m～258.7 m。设置测温孔3个，T1,T2深度556 m，T3深度120 m。

2 研究现状及技术路线

陈文豹通过潘谢等矿区的16个井筒的冻结壁温度场实测研究，基本上解决了深400 m以内的第四季冲积层的冻结设计和施工的技术关键[1]。赵玉明、李长忠、肖衡林根据冻结工程信息化施工的要求,将分布测量理论和光纤传感技术引入到冻结监测中,并结合某矿井冻结工程的实际情况,对分布式光纤测温系统的工作原理、性能指标温度调节方案进行了详细的分析与研究[2，3]。周晓敏等根据在冻结法凿井工程中冻结器纵向测温的经验摸索,建立了停冻后的单孔冻土柱升温的数学计算模型。陈军浩、汪仁和得出了不同土质条件下冻结壁融化时间和融化[4-9]。

依据当前国内外研究现状，拟通过对内蒙古泊江海煤矿副井冻结工程现场实测数据的对比分析，研究不同岩性冻结温度场变化规律。

3 数据分析

图1～图3为三个测温孔白垩系下统志丹群相邻深度含砾粗砂岩与砾岩、砾岩与粗粒砂岩的温降规律。对相邻层位的78 m含砾粗砂岩和90 m砾岩，三图中砾岩温度低于含砾粗砂岩，温降速率比含砾粗砂岩快。对相邻层位的190 m砾岩、200 m粗粒砂岩和230 m含砾粗砂岩，其温降速率从大到小依次为：砾岩>含砾粗砂岩>粗粒砂岩。稳态下最低温度从低到高分别为：砾岩<含砾粗砂岩<粗粒砂岩。

图4和图5为两测温孔相邻深度砂质泥岩和粗粒砂岩的温降规律。可见在250 m与265 m处，砂质泥岩和粗粒砂岩的温降规律基本一致。原始地温、冻结期整体温度情况、温降速率三个方面都基本一致。405 m与420 m处的规律也印证了这一规律。说明这两种砂质泥岩和粗粒砂岩温降特性相近。

埋深、正盐水循环及原始地温对冻结温度场的综合影响。

另外可以看出，图4和图5中250 m砂质泥岩与405 m砂质泥岩相比，250 m处冻结期内整体温度更低，从原始地温到0 ℃的温降速率250 m处与405 m处相近，这一规律在T1和T2测温孔温度数据上都有很好的体现。但考虑396 m以下冻结器间距增大1倍，故在相同冻结期间距下，405 m处温降速率应大于250 m处。在图1，图2中，对于粗粒砂岩，比较其200 m处、230 m处与420 m处、430 m处；在图4，图5中，对于含砾粗砂岩，比较其78 m处与230 m处、235 m处，均很好地体现了这一规律。对于所选的四种岩性，除了砾岩因在90 m～190 m范围内两测温孔及各自相邻冻结孔偏向差异导致T1，T2测温孔温度数据存在较大偏差，没有体现这一规律外。在其他三种岩性(即粗粒砂岩、含砾粗砂岩、砂质泥岩)T1，T2测温孔数据中都较好的反映了这一规律。同种岩性在不同层位的矿物组成、产状、胶结情况、含水率基本一致。故初步认为，在同一冻结工程中，采用正盐水循环，不考虑地下水流动影响，对矿物组成、产状、胶结情况、含水率相近的同种岩性，在相同的冻结孔间距时，埋深小的岩层在整个冻结期内整体温度低于埋深大的岩层。但从原始地温至0 ℃，埋深小的岩层的温降速率小于埋深大的岩层的温降速率。即在正温范围内，埋深大的岩层温度下降更快。

图6和图7为四种岩性在深度方向上不同层位两测温孔的温度数据，比较相同层位、相同岩性的两测温孔数据，两图中数据存在较大差异，在冻结期整体温度，原始地温至0 ℃区间内温降速率方面缺乏一致性。该研究区为弱含水地层，地下水流量较小，而且在近一年的冻结期内，经历了完整的枯水期和丰水期，但岩层温度数据并没有随枯水期和丰水期水量变化表现出明显的周期性规律，故认为地下水对本次实测研究的冻结温度场影响是可以忽略不计的，也就排除了因两测温孔分别处于地下水上下游而造成测温数据差异。且开孔位置方面，T1测温孔距Z8，Z9连线距离为1.304 m。T2测温孔距Z16，Z17连线距离为1.389 m。两测温孔开孔位置距相近冻结器中心连线距离基本相等，即设计孔位的差异也是可以忽略的。故认为对同种岩性、相同深度两测温孔温度数据的差异性是由于测温孔和相邻冻结孔在造孔过程中的偏斜向背差异造成的。

4 结语

因砾岩五个层位从原始地温降至0 ℃的速率T1测温孔均小于T2测温孔，且T1与相邻冻结孔偏斜背离三孔中心，T2与相邻冻结孔偏斜靠近三孔中心。认为在相同的开孔距离下，测温孔与相邻冻结孔的偏斜向背情况会引起测温孔温度数据的较大偏差。同种岩性、相同深度两测温孔温度数据的差异性是由于测温孔和相邻冻结孔在造孔过程中的偏斜向背差异造成的。

相近深度范围内，蒙西白垩系软岩从原始地温至0 ℃温降速率为：砾岩>含砾粗砂岩>粗粒砂岩>砂质泥岩。稳态下最低温度从低到高分别为：砾岩<含砾粗砂岩<粗粒砂岩<砂质泥岩。

在相同的冻结孔间距时，采用正盐水循环，不考虑地下水流动影响，对矿物组成、产状、胶结情况、含水率相近的同种岩性，埋深小的岩层在整个冻结期内整体温度低于埋深大的岩层。但从原始地温至0 ℃，埋深小的岩层的温降速率小于埋深大的岩层的温降速率。即在正温范围内，埋深大的岩层温度下降较快。但整体温度高于埋深小的岩层。