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摘 要：板集煤矿主、副、风三个井筒冻结工程为井筒成井后的再冻结，三井筒冻结壁既要满足设计要求，又要防范冻胀力破坏既有井壁。本工程采取综合信息化监控方案，加强三井筒冻结监测与分析，通过优化冻结控制方案，寻找冻结与控制冻结契合点，适时调整三井冻结制冷量，使冻结工程达到安全、高效、经济合理之目的。
关键词：冻结；监测；制冷控制
【分类号】：TD265.3
1 工程概况
板集煤矿主、副、风三个井筒上部（表土段）采用钻井法施工，下部（基岩段）均采用普通凿井法施工。三井钻井段深度分别为660m、638m和656m，井壁采取地面预制，漂浮对接下沉成井，井壁外侧采用水泥浆和碎石分段充填固井，成井井筒净直径分别为6.2m、7.0m和6.5m，成井深度为795.5m、795.4m和776.7m。2009年“4·18”副井发生突水涌砂后，板集煤矿按照治水专家组意见，采用冻结法封水修复主、副、风三个井筒。
2 凍结技术方案设计
根据治水专家组对板集副井出水点位置分析结果，出水点位于四含或四含以下至基岩以上风化带，其具体位置不明确，因此，板集煤矿主、副、风三井筒设计冻结深度不低于钻井法施工深度，最大冻结深度为673m（副井）。主、风井采用单排梅花型布孔，各布置冻结孔48个，全深冻结；副井采用双排孔布置，外排布孔42个、内排布孔32个，上部采取局部冻结，下部地层采取全深冻结。设计基本参数见表1，井筒冻结技术参数见表2。
表1 主、副、风井冻结设计基本参数
表2 主、副、风井冻结技术参数
3 监控方案
为全面掌握冻结壁实际发展情况，需要对冻结壁及与之有关的系统进行监控。为明确掌握冻结壁温度，尤其是井壁外缘温度，在冻结孔与井壁之间区域尽可能多布置测温孔，且距离井壁越近越好。考虑现场内侧测温孔距离固井碎石充填范围较近，施工难度大且成孔质量差等情况，采取在井壁内侧增设测点等办法掌握冻结壁内侧发展情况。基于以上原则，冻结壁温度监测分为冻结盐水系统监控、冻结壁温度监控、井壁内缘温度监控三大部分。
各监控系统测点布置如下：
冻结盐水系统测点布置：三井盐水去回路总干管及冻结器回路均布置测点，其中主、风井均布置52个，副井共布置78个。
测温孔测点布置：布置原则：每种土性地层中尽量均布置测点，在出水底层适当加密测点。根据本原则结合现场钻孔施工情况，主井5个测温孔共布置190个测点，副井7个测温孔共布置235个测点，风井共5个测温孔共布置180个测点。
井筒内水温测点布置：探测三个井筒测温线能够下放的最大深度，根据下放深度布置测点，原则上50m布置1个测点，对于温度变化异常段加密布点。
冻结器纵向温度测点布置：在冻结器盐水中每隔10m布置一个测点，在温度异常段加密至每隔1m布置一个测点，必要时根据光线测温精度最大程度增加测点数量。
冻结壁温度场采用作图法及ANSYS有限元数值计算综合分析。
4 冻结控制效果
主、副、风三井冻结站自开机制冷以来，通过时时监测冻结温度场数据变化，坚持冻结旬分析，及时掌控三井冻结壁发展状况，适时调整冻结站制冷机组运行数量，控制三井冻结制冷总量或单个冻结器盐水流量，使板集煤矿冻结工程既满足井筒安全施工需要，在减少制冷机组运行费用的同时又节约大量电费，产生了较好的安全和经济效益。
我们选取2012年6月上旬副井内侧5号测温孔为例，观察冻结壁温度变化情况及控制效果。测温孔温度变化情况，实施控制冻结以来，副井冻结壁内侧测温孔温度在-15℃左右，变化较为平稳，能够满足井筒清淤及修复施工安全。
2012年6月上旬主、副、风三井冻结壁厚度和平均温度见表3。
从上表可以看出，三井冻结壁厚度均大于设计厚度，三井冻结壁平均温度（即冻结壁强度）完全可以满足井筒排水清淤及修复井筒施工安全。
经冻结监测、分析，通过优化冻结控制方案后，主、副、风三个井筒冻结开机数量及电费比较见表4。
经济效益：同为维持冻结期的2012年6月份与1月份比较，6月份比1月份节约电费586890元，减少冻结制冷机组运行数量10组。2012年6月份至12月份，累计节约电费：586890元×7=410.8万元；同期，累计减少冻结设备运行租赁费用：4600元/台班×10组×3班/天×30天×7个月=2898万元，合计减少制冷设备运行费用：410.8万元+2898万元=3308.8万元，经济效益显著。
关键词：冻结；监测；制冷控制
【分类号】：TD265.3
1 工程概况
板集煤矿主、副、风三个井筒上部（表土段）采用钻井法施工，下部（基岩段）均采用普通凿井法施工。三井钻井段深度分别为660m、638m和656m，井壁采取地面预制，漂浮对接下沉成井，井壁外侧采用水泥浆和碎石分段充填固井，成井井筒净直径分别为6.2m、7.0m和6.5m，成井深度为795.5m、795.4m和776.7m。2009年“4·18”副井发生突水涌砂后，板集煤矿按照治水专家组意见，采用冻结法封水修复主、副、风三个井筒。
2 凍结技术方案设计
根据治水专家组对板集副井出水点位置分析结果，出水点位于四含或四含以下至基岩以上风化带，其具体位置不明确，因此，板集煤矿主、副、风三井筒设计冻结深度不低于钻井法施工深度，最大冻结深度为673m（副井）。主、风井采用单排梅花型布孔，各布置冻结孔48个，全深冻结；副井采用双排孔布置，外排布孔42个、内排布孔32个，上部采取局部冻结，下部地层采取全深冻结。设计基本参数见表1，井筒冻结技术参数见表2。
表1 主、副、风井冻结设计基本参数
表2 主、副、风井冻结技术参数
3 监控方案
为全面掌握冻结壁实际发展情况，需要对冻结壁及与之有关的系统进行监控。为明确掌握冻结壁温度，尤其是井壁外缘温度，在冻结孔与井壁之间区域尽可能多布置测温孔，且距离井壁越近越好。考虑现场内侧测温孔距离固井碎石充填范围较近，施工难度大且成孔质量差等情况，采取在井壁内侧增设测点等办法掌握冻结壁内侧发展情况。基于以上原则，冻结壁温度监测分为冻结盐水系统监控、冻结壁温度监控、井壁内缘温度监控三大部分。
各监控系统测点布置如下：
冻结盐水系统测点布置：三井盐水去回路总干管及冻结器回路均布置测点，其中主、风井均布置52个，副井共布置78个。
测温孔测点布置：布置原则：每种土性地层中尽量均布置测点，在出水底层适当加密测点。根据本原则结合现场钻孔施工情况，主井5个测温孔共布置190个测点，副井7个测温孔共布置235个测点，风井共5个测温孔共布置180个测点。
井筒内水温测点布置：探测三个井筒测温线能够下放的最大深度，根据下放深度布置测点，原则上50m布置1个测点，对于温度变化异常段加密布点。
冻结器纵向温度测点布置：在冻结器盐水中每隔10m布置一个测点，在温度异常段加密至每隔1m布置一个测点，必要时根据光线测温精度最大程度增加测点数量。
冻结壁温度场采用作图法及ANSYS有限元数值计算综合分析。
4 冻结控制效果
主、副、风三井冻结站自开机制冷以来，通过时时监测冻结温度场数据变化，坚持冻结旬分析，及时掌控三井冻结壁发展状况，适时调整冻结站制冷机组运行数量，控制三井冻结制冷总量或单个冻结器盐水流量，使板集煤矿冻结工程既满足井筒安全施工需要，在减少制冷机组运行费用的同时又节约大量电费，产生了较好的安全和经济效益。
我们选取2012年6月上旬副井内侧5号测温孔为例，观察冻结壁温度变化情况及控制效果。测温孔温度变化情况，实施控制冻结以来，副井冻结壁内侧测温孔温度在-15℃左右，变化较为平稳，能够满足井筒清淤及修复施工安全。
2012年6月上旬主、副、风三井冻结壁厚度和平均温度见表3。
从上表可以看出，三井冻结壁厚度均大于设计厚度，三井冻结壁平均温度（即冻结壁强度）完全可以满足井筒排水清淤及修复井筒施工安全。
经冻结监测、分析，通过优化冻结控制方案后，主、副、风三个井筒冻结开机数量及电费比较见表4。
经济效益：同为维持冻结期的2012年6月份与1月份比较，6月份比1月份节约电费586890元，减少冻结制冷机组运行数量10组。2012年6月份至12月份，累计节约电费：586890元×7=410.8万元；同期，累计减少冻结设备运行租赁费用：4600元/台班×10组×3班/天×30天×7个月=2898万元，合计减少制冷设备运行费用：410.8万元+2898万元=3308.8万元，经济效益显著。