氯化鈣溶液在凍結工程中的應用

楊明紅

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

1 概述

凍結鑿井法施工是借助于人工制冷暫時加固不穩定地層和隔絕地下水的一種特殊施工方法。首先在擬開鑿井筒的周圍打一定數量的鉆孔，孔內裝有帶底錐的凍結器，以便輸送低溫鹽水進行熱交換，吸收管子周圍地產的熱量，使之降溫以至凍結。隨著凍結工程的延續，各鉆孔周圍的凍結圓柱不斷擴大而連成不透水的且能抵抗地壓和水壓的凍結圓柱，而后在凍結壁的保護下進行井筒的掘砌工作。

2 傳統冷媒劑的選取

凍結鑿井法施工作為所有冷量的傳媒劑起著流動傳導低溫并吸收地層溫度的作用?，F在工程施工中多是選取一定濃度的氯化鈣(俗稱鹽)作為冷媒劑。煤礦凍結工程需鹽量大，尤其是深厚粘土層凍結工程。凍結企業一般采購的是含有2個結晶水的氯化鈣晶體(CaCl2·2H2O)。采用固體氯化鈣的優缺點:

優點:1)運輸方便，所需車次較少;2)貯存方便，可集中堆放;3)溶液濃度操作方便，現場配比簡單;4)可隨時補充。

缺點:1)造價高，相對于液體;2)化鹽速度慢，持續工期長，所有固體鹽均需人工配合機械溶解成一定濃度的液體;3)人工勞務量需求巨大;4)反復溶解氯化鈣造成溫度回升，降溫梯度不易控制;5)容易造成凍結管堵塞等事故，處理起來繁瑣。

目前所知的礦井凍結鑿井法施工都是采取固體氯化鈣的施工方法。張集煤礦副井則首先嘗試了將設計濃度的氯化鈣溶液直接填充的施工工藝，在國內凍結行業尚屬首次。

3 張集副井凍結工程冷媒劑使用情況

單縣豐源實業有限公司張集礦井井田位于單縣煤田東部，行政區劃屬張集鎮管轄，張集礦井井田的開拓方式為立井+暗斜井開拓。中央并列式通風。初期開鑿主井、副井兩個井筒，副井筒凈直徑6.5 m，礦井設計生產能力為1.20 Mt/年，服務年限為51.2年。詳細副井凍結參數見表1。

表1 副井凍結設計技術參數匯總表

1)經濟比較:張集副井設計使用二水氯化鈣(CaCl2·2H2O)750 t，市場到貨價1 200元/t，總購置金額90萬元。由于工期緊張，為了保證工期，經過仔細討論、科學分析決定采用一定比例的液體氯化鈣溶液。張集副井實際采購氯化鈣溶液1 294 t，1 007 m3比重為1.285，折合二水氯化鈣553.8 t。氯化鈣溶液單價為458元/t，折合成二水氯化鈣為 1 070元/t，即每噸便宜130元，節約71 994元。

2)技術比較:對于固體氯化鈣使用方法極為普遍，技術成熟。工作流程見圖1。

直接使用設計濃度的氯化鈣溶液的方法沒有經驗可以借鑒，在使用前需要反復的討論驗證、使用過程中密切觀察、部分孔置換后總結經驗。張集煤礦副井凍結工程鹽水置換工作進行的非常順利，制定了專項措施。具體操作步驟如下:

a.將凍結器、鹽水干管、集配液圈內的清水放凈;

b.配液圈與集液圈連接，關閉所有凍結器進出閥門;

c.開啟集液圈放空閥，向鹽水箱、鹽水干管及集配液圈充填鹽水;

d.充滿后，關閉放空閥，斷開集配液圈回路連接;

e.關閉配液圈進口閥門，開動鹽水泵，慢慢開啟配液圈進口閥門;

f.逐個凍結孔鹽水置換，利用正循環置換出清水，先打開測流量閥門及進液閥門，清水開始被置換出，待有鹽水時(判斷依據為看顏色、看濃度)，開啟回液閥，關閉測流量閥門;

g.氯化鈣溶液供應不及時時，即鹽水量構不成回路循環，應停止置換清水。但必須是鹽水回路一直循環避免結晶。等待鹽水補充。

3)施工結束后發現液體氯化鈣有以下幾個優點:

a.設計濃度的氯化鈣溶液使用方便、加鹽速度快、節省時間;

b.設計濃度的氯化鈣溶液大量節約勞動力，只需2個～4個人即可;

c.由于氯化鈣溶液廠家在工藝上節省了提純變固的一道工序，所以造價比固體氯化鈣要便宜;

d.符合國家節能環保要求，沒有廢棄包裝，且溶液在生產過程中也節能減排，節省一道工序;

e.配制好的溶液不會出現大面積或大體積結晶現象，不會造成凍結管堵塞等質量事故。

綜合以上固體與設計濃度的氯化鈣溶液的使用對比，氯化鈣溶液在工程使用中的優點更為突出。最科學的方法是氯化鈣溶液+固體相結合的方式，即用大量的液體氯化鈣填充置換一定的濃度后，開機運行，隨著溫度的降低再補充少部分固體氯化鈣。這樣的方式就結合了固體與液體氯化鈣的優點，既節約成本、降低能耗，又達到了施工的目的。

4 結語

成熟的施工工藝下，我們仍然要不斷的努力挖掘最合適的新材料、新工藝，使其更方便更經濟。選擇合理的氯化鈣的形態能夠有效的節約成本、縮短工期;采用設計濃度的氯化鈣溶液結合部分固體氯化鈣作為冷媒劑是一種比較科學、安全、經濟、高效的施工方法。

［1］ 王菊花，萬長忠，澹臺妹嫻.制冷系統中冷媒的選用［J］.氯堿工業，2008，44(9):40-45.

［2］ 李方政.人工地層凍結的環境效應及其工程對策［J］.公路交通科技，2004(3):67.

［3］ 王宗金，曹化春.我國凍結法施工技術及其發展［J］.山西建筑，2006，32(18):52-53.

［4］ 井巷工程施工手冊編寫組.井巷工程施工手冊［M］.北京:煤炭工業出版社，1980.