凍結(jié)管斷管原因及凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算分析

杜 猛， 榮傳新， 鄭騰龍

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 引 言

凍結(jié)法鑿井過(guò)深厚粘土層時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生凍結(jié)管斷管事故，例如，張集礦風(fēng)井3根凍結(jié)管斷管發(fā)生在270m鈣質(zhì)粘土與砂層交界處；謝橋礦矸石井在垂深224－242m粘土層中斷管34根，凍結(jié)管幾乎全部斷裂，副井在200～240m下部粘土層部位斷管5根，并發(fā)生淹井事故；顧北礦副井連續(xù)發(fā)生43根凍結(jié)管斷管，分別有外圈孔9個(gè)，中圈孔21個(gè)，內(nèi)圈孔13個(gè)，發(fā)生層位主要在井筒下部粘土層或鈣質(zhì)粘土層［1－2］。凍結(jié)管斷裂是井筒掘砌過(guò)程常見(jiàn)現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)對(duì)于凍結(jié)管斷裂的研究大部分著眼于斷管原因分析［3－5］，以及凍結(jié)管斷裂的位置確定及其有效的處理措施。本文在分析凍結(jié)管斷管原因的基礎(chǔ)上，針對(duì)凍結(jié)管斷管情況，建立有限元計(jì)算模型，分析凍結(jié)管斷管對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律影響。

2 工程概況

國(guó)投新集能源股份有限公司楊村煤礦位于淮南煤田的西部，淮南復(fù)向斜中的次級(jí)褶曲陳橋背斜的南翼西段，總體為一不完整向斜構(gòu)造，南翼被F1斷層切斷。楊村煤礦設(shè)計(jì)有主、副、風(fēng)三個(gè)井筒，其中副井井筒設(shè)計(jì)凈直徑為7．5m，穿過(guò)沖積層厚536．65m，第三系埋深670．55m，該井筒采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)深度達(dá)到725．00m，井筒最大荒直徑12．256m，井壁最大厚度2．303m。

副井凍結(jié)段采用四排孔凍結(jié)方式，外排孔（編號(hào)為W1～W56）凍結(jié)深度為681m，此孔為加強(qiáng)凍結(jié)孔，其作用是確保沖積層和三系上部松軟巖層凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度；主排孔（編號(hào)為Z1～Z52）孔深分別為687m和725m，為主凍結(jié)孔，采用差異凍結(jié)方式，淺孔（編號(hào)為奇數(shù)）穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化帶，其作用是加強(qiáng)沖積層凍結(jié)壁的強(qiáng)度和厚度，深孔（編號(hào)為偶數(shù)）穿過(guò)深部含水基巖，達(dá)到封止水的目的；內(nèi)排孔（編號(hào)為N1～N25）孔深為660m，為加強(qiáng)凍結(jié)孔，其作用是確保凍結(jié)壁平均溫度和三系上部松軟巖層凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度，提高凍結(jié)壁的穩(wěn)定性；防片幫孔孔深分別為210m（編號(hào)為NF1～NF10）和420m（編號(hào)為 WF1～WF10），差異、插花凍結(jié)方式，其作用是盡可能實(shí)現(xiàn)井筒提早開(kāi)挖，防止井筒掘進(jìn)時(shí)片幫，如圖4（a）所示。凍結(jié)各圈孔供冷方式為內(nèi)排孔、中排孔和防片幫孔為一組鹽水循環(huán)系統(tǒng)，外排孔為一組鹽水循環(huán)系統(tǒng)，凍結(jié)孔布置參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 凍結(jié)孔布置參數(shù)

凍結(jié)壁設(shè)計(jì)控制層位分別取第四系粘土（累深445．35m）、第四系砂層（累深536．6m）和第三系上部松軟巖層（累深641．7m），由計(jì)算和工程類比得凍結(jié)壁厚度為10．6m；設(shè)計(jì)凍結(jié)鹽水溫度為－31～－33℃，凍結(jié)壁平均溫度為－18℃。為判斷井筒交圈情況，布置了4個(gè)水文觀測(cè)孔，其中1號(hào)水文孔深度為32m（位于厚度為12．6m的中砂層中）、2號(hào)水文孔深度為85m（位于厚度為3．75m的中砂層中）、3號(hào)水文孔深度為320m（位于厚度為10．65m的細(xì)砂層中）、4號(hào)水文孔深度為514m（位于厚度為17．9m的細(xì)砂層中）；為掌握井筒凍結(jié)壁溫度場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r，布置了5個(gè)測(cè)溫孔，其中1號(hào)測(cè)溫孔和3號(hào)測(cè)溫孔位于外排孔外側(cè)主面上；2號(hào)測(cè)溫孔和4號(hào)測(cè)溫孔位于中排孔和外排孔之間；5號(hào)溫測(cè)孔位于內(nèi)排孔和防片幫孔之間，1號(hào)測(cè)溫孔深度為681m，2號(hào)測(cè)溫孔深度為725m，3號(hào)測(cè)溫孔深度為681m，4號(hào)測(cè)溫孔深度為725m，5號(hào)測(cè)溫孔深度為660m，如圖4（a）所示。副井凍結(jié)工程于2012年4月8日開(kāi)機(jī)，最后一個(gè)水文4號(hào)孔于2012年8月1日（凍結(jié)115天）冒水。

3 凍結(jié)管斷管情況及原因分析

楊村副井于2012年8月8日井筒開(kāi)挖（凍結(jié)122天），到2013年1月4日凍結(jié)271天，井筒掘進(jìn)深度為412．95m，從累深407．3m開(kāi)始進(jìn)入厚38．05m的厚粘土層段。由于井筒井幫位移和底鼓量大，發(fā)生內(nèi)、中、外圈15個(gè)凍結(jié)孔的凍結(jié)管斷裂，1月4日停止掘進(jìn)，及時(shí)采取井內(nèi)設(shè)置工字鋼和打混凝土封底措施，斷管的凍結(jié)孔采取下置套管，斷管孔恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)后增加管道泵，并在斷管孔周圍的凍結(jié)孔增設(shè)管道泵加大鹽水流量，凍結(jié)站積極降低鹽水溫度，井筒采取強(qiáng)化凍結(jié)等一系列措施。第一次斷管經(jīng)處理后恢復(fù)凍結(jié)孔12個(gè)，未恢復(fù)的孔為內(nèi)圈N4、N6、N24。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)197天的低溫－32～－34℃的鹽水溫度加強(qiáng)凍結(jié)后，2013年7月20日井筒恢復(fù)掘砌施工，7月20日至8月20日安全順利通過(guò)厚粘土層段?；謴?fù)掘進(jìn)后在粘土段又出現(xiàn)凍結(jié)管斷裂，8月8日～12日內(nèi)、中、外圈孔共斷管14根，8月27日中圈又?jǐn)喙?根，第二次總共斷管17根，斷管鹽水液面位置在255～432m。為確保表土段的凍結(jié)壁強(qiáng)度，第二次斷管經(jīng)處理后恢復(fù)孔7個(gè)，未恢復(fù)孔10個(gè)。其中內(nèi)圈孔未恢復(fù)的孔為N3、N13、N16、N22、N23五個(gè)，中圈孔未恢復(fù)的孔為Z18、Z19、Z20、Z21四個(gè)，外圈孔未恢復(fù)的孔為 W1。具體情況如圖4（a）、（b）。

淮南地區(qū)由地表向下劃分為上含、中含、中隔和下含（底含），三隔（中隔）為一段含量單一的粘土層，一般厚度為40－80m，由鈣質(zhì)粘土局部夾雜細(xì)粉砂組成［6］。楊村煤礦副井在該層位（從累深407．3m至445．35m，厚度38．05m，粘土的含水率為22%）施工過(guò)程中發(fā)生凍結(jié)管斷裂現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，井筒掘進(jìn)至井深411m時(shí)，井幫位移量達(dá)90mm／10小時(shí)，平均每小時(shí)位移量9mm左右，6小時(shí)底鼓量為360mm，從拔管恢復(fù)凍結(jié)管情況看，斷裂的凍結(jié)管都存在不同程度的錯(cuò)位，由此可見(jiàn)，掘砌段高過(guò)大，井幫暴露時(shí)間長(zhǎng)，井幫位移和底鼓量大，從而使凍結(jié)管產(chǎn)生較大位移，在彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用下，造成凍結(jié)管斷裂。另外，從副井測(cè)溫孔的實(shí)測(cè)資料可見(jiàn)，該段粘土層的測(cè)溫孔溫度普遍較上下段地層溫度高6～8℃（如圖1～3所示，至2012年12月井筒掘進(jìn)超過(guò)350m的粘土層，由于5號(hào)溫測(cè)孔離井幫較近，受外層井壁澆筑混凝土水化熱影響，350m的粘土層處的5號(hào)溫測(cè)孔溫度出現(xiàn)回升現(xiàn)象），凍土發(fā)展速度僅為6～9mm／d，同樣的供冷量其凍結(jié)發(fā)展差異很大，因此，該粘土層導(dǎo)熱性能差，凍土發(fā)展速度慢，凍土強(qiáng)度低，使凍結(jié)管產(chǎn)生較大變形而斷裂。

圖1 副井2號(hào)測(cè)溫孔不同層位實(shí)測(cè)溫度與時(shí)間關(guān)系曲線

圖2 副井4號(hào)測(cè)溫孔不同層位實(shí)測(cè)溫度與時(shí)間關(guān)系曲線

圖3 副井5號(hào)測(cè)溫孔不同層位實(shí)測(cè)溫度與時(shí)間關(guān)系曲線

4 計(jì)算模型

根據(jù)凍結(jié)管的實(shí)際偏斜位置，建立楊村礦副井井筒440m粘土層位的凍結(jié)溫度場(chǎng)有限元計(jì)算模型［7］。并依據(jù)凍結(jié)管斷管位置圖（如圖4所示），將凍結(jié)管斷管且未能恢復(fù)的單獨(dú)選取出來(lái)，為使ANSYS數(shù)值模擬更為精確，斷管內(nèi)圈N3、N13、N16、N22、N23鹽水溫度2013年8月8日后采用距其最近的5號(hào)測(cè)溫孔溫度，之前保持原來(lái)鹽水溫度；N4、N6、N24鹽水溫度2013年1月1日后采用距其最近的5號(hào)測(cè)溫孔溫度，之前保持原來(lái)鹽水溫度；斷管外圈W1鹽水溫度2013年8月8日后采用距其最近的1號(hào)測(cè)溫孔溫度，之前保持原來(lái)鹽水溫度；斷管Z18、Z19、Z20、Z21鹽水溫度2013年8月8日后采用距其最近的2號(hào)測(cè)溫孔溫度，之前保持原來(lái)鹽水溫度。其余未斷管外、中、內(nèi)分別施加對(duì)應(yīng)的鹽水溫度。

立井凍結(jié)鑿井溫度場(chǎng)屬于含相變、由內(nèi)熱源、具有移動(dòng)邊界的不穩(wěn)定導(dǎo)熱問(wèn)題。由于其豎直方向上的尺寸遠(yuǎn)超過(guò)水平方向，且凍結(jié)過(guò)程中豎直方向?qū)嵯鄬?duì)較弱，可以作為2維軸對(duì)稱平面問(wèn)題計(jì)算各個(gè)層位的溫度場(chǎng)。以孔位終測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立考察地層的二維數(shù)值模型，并劃分網(wǎng)格。初始條件即為模型中各點(diǎn)的初始溫度，具體方法是將該地層第一天的監(jiān)測(cè)溫度作為初始地溫，邊界條件即模型外邊界（恒溫邊界）溫度，根據(jù)該層位原始地溫實(shí)測(cè)取值。并依據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的土（巖）性設(shè)置初步的土性參數(shù)，其中包括熱傳導(dǎo)率、比熱容、比重、焓值等［8］。

凍結(jié)管中的低溫鹽水對(duì)土層的降溫有直接的作用，通過(guò)凍結(jié)管外表面的溫度變化模擬凍結(jié)管內(nèi)鹽水的降溫過(guò)程，為提高計(jì)算精度，計(jì)每個(gè)層位凍結(jié)管的溫度荷載為T，即鹽水命令流，以鹽水去／回路溫度作為計(jì)算依據(jù)，然后按（1）式進(jìn)行計(jì)算。

其中:L為凍結(jié)管長(zhǎng)度，H為地層深度，T回為回路溫度，T底為凍結(jié)管底部溫度，按（2）進(jìn)行計(jì)算。

待反演參數(shù)以導(dǎo)熱系數(shù)為主，采用單參數(shù)反演，必要時(shí)可調(diào)整比熱、焓值等參數(shù)。以尋求最優(yōu)參數(shù)，使得計(jì)算得出的各點(diǎn)溫度與實(shí)測(cè)溫度高精度擬合［8］。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，將測(cè)溫孔的模擬溫度與測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)作比較，調(diào)整模型的土性參數(shù)，首先選用實(shí)驗(yàn)測(cè)出的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算［8～10］，調(diào)取計(jì)算模型中測(cè)溫孔位置的溫度計(jì)算結(jié)果，將其與測(cè)溫孔實(shí)測(cè)的溫度進(jìn)行對(duì)比，反復(fù)操作，直到數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比誤差在±2℃以內(nèi)，則表明凍結(jié)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果是可靠的，4個(gè)測(cè)溫孔實(shí)測(cè)溫度（于2013年8月，5號(hào)測(cè)溫孔數(shù)據(jù)線斷了）與相同位置的ANSYS數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖4 副井井筒凍結(jié)管斷管示意圖

圖5 各測(cè)溫孔實(shí)測(cè)溫度與ANSYS數(shù)值計(jì)算溫度對(duì)比

5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

楊村礦副井于2013年8月19日施工到440m粘土層位，共凍結(jié)了503天（TIME＝12076小時(shí)），該粘土層位凍結(jié)溫度場(chǎng)分布云圖如圖6所示，由計(jì)算可知，該層位的凍結(jié)壁平均溫度為－19．21℃，凍結(jié)壁平均厚度為10．88m，滿足凍結(jié)壁設(shè)計(jì)與施工要求；井筒四周開(kāi)挖荒徑處的井幫溫度數(shù)值計(jì)算結(jié)果與井筒施工過(guò)程中實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖7和表2所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了該粘土層位累深從424．9m～448．7m的井幫溫度，由圖表可知，該層位的井幫溫度為－10～－13℃之間，井幫溫度數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差－0．7～0．4℃，表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果是可靠的；另外，從圖7可以看出，沿開(kāi)挖荒徑圓周井幫溫度曲線差別較大，說(shuō)明凍結(jié)管斷裂加劇了凍結(jié)溫度場(chǎng)的不均勻性。

圖6 440m粘土層位凍結(jié)溫度場(chǎng)分布云圖（凍結(jié)503天）

表2 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比

圖7 井幫溫度沿逆時(shí)針（初始為正東方向）旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)溫度變化圖

6 小 結(jié)

楊村煤礦副井從累深407．3m至445．35m，有一層厚度38．05m的粘土層，該層位的凍結(jié)溫度普遍比上、下段地層溫度高6～8℃，凍土發(fā)展速度僅為6～9mm／d，可見(jiàn)，該粘土層導(dǎo)熱性能差，凍土發(fā)展速度慢，凍土強(qiáng)度低，同時(shí)，施工過(guò)程中掘砌段高大，井幫暴露時(shí)間長(zhǎng)，從而引起井幫位移和底鼓量較大，是造成凍結(jié)管斷裂的主要原因。同時(shí)也表明，該粘土層是凍結(jié)施工的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)采取加強(qiáng)凍結(jié)和縮小段高等措施，減少凍結(jié)壁變形。

根據(jù)凍結(jié)管的實(shí)際偏斜位置，同時(shí)考慮凍結(jié)管斷管影響，建立有限元計(jì)算模型。進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，該層位的井幫溫度為－10～－13℃之間，井幫溫度數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差－0．7～0．4℃，表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果是可靠的，可為淮南礦區(qū)深厚粘土層凍結(jié)法施工提供參考。

1 郭瑞平，李廣信．凍結(jié)壁位移對(duì)凍結(jié)管的影響［J］．淮南礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997（3）:22－26．

2 郁楚侯，楊平．凍結(jié)管斷裂原因的探討及防止斷管的技術(shù)［J］．淮南礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1987（3）:40－49．

3 張世芳，李功洲，陳文豹．永夏礦區(qū)深厚沖積層特殊鑿井技術(shù)［M］北京:煤炭工業(yè)出版社，2003．

4 張世芳，楊小林．深厚表土礦井建設(shè)技術(shù)［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，2002．

5 孫勇，王正廷．伍期建．強(qiáng)化凍結(jié)在邱集煤礦井筒深厚粘土層凍結(jié)施工中的應(yīng)用［J］．建井技術(shù)，1995（1）:13－15．

6 榮傳新，程樺，盛衛(wèi)國(guó)．丁集煤礦風(fēng)井深厚粘土層段凍結(jié)施工技術(shù)［J］．建井技術(shù)，2006，27（1）:5－7．

7 張朝暉．ANSYS12．0熱分析工程應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2010．

8 王衍森，楊維好，任彥龍．凍結(jié)法鑿井凍結(jié)溫度場(chǎng)的數(shù)值反演與模擬［J］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，34（5）:626－629．

9 劉勇．深土凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬及其導(dǎo)熱系數(shù)識(shí)別［D］．山東科技大學(xué)碩士論文，2006．

10 沈科偉，榮傳新．查干淖爾礦副井凍結(jié)溫度場(chǎng)有限元分析［J］．廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，36（4）:647－652．