核桃峪井筒凍結(jié)溫度場(chǎng)擴(kuò)展規(guī)律數(shù)值分析

申 鵬 舉

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

0 引言

核桃峪副井凍結(jié)深度達(dá)950 m，為世界最深的井筒凍結(jié)工程。凍結(jié)法施工是通過(guò)人工制冷的方式使地層中的水結(jié)冰，提高土體強(qiáng)度且抵抗水土壓力[1-3]，保障地下工程結(jié)構(gòu)在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行掘砌施工。凍結(jié)溫度場(chǎng)擴(kuò)展情況是凍結(jié)法施工中判斷凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r的關(guān)鍵，因此凍結(jié)工程中需要對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析研究。本文采用有限元軟件Ansys對(duì)井筒周圍土體溫度場(chǎng)的擴(kuò)展情況進(jìn)行數(shù)值分析，獲得了凍結(jié)壁發(fā)展的相關(guān)規(guī)律。為類似工程的設(shè)計(jì)提供相關(guān)參考。

1 工程概況

核桃峪礦井位于隴東黃土高原東南部，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力8 Mt，服務(wù)年限70年。井田礦井采用主斜井—副立井和回風(fēng)立井開拓方式，副井井筒凈直徑9 m，前期采用普通法進(jìn)行鑿井，施工至472 m時(shí)，工作面涌水量最大達(dá)95 m3/h，經(jīng)研究決定改用凍結(jié)法進(jìn)行施工，凍結(jié)孔布置示意圖如圖1所示。凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度為4.4 m，井筒共設(shè)置凍結(jié)孔44個(gè)，采用深、淺凍結(jié)，深凍結(jié)孔深度為950 m，淺凍結(jié)孔深度為856 m，凍結(jié)孔采用φ168 mm的無(wú)縫鋼管，布置圈徑19.4 m，開孔間距1.385 m；溫控孔共設(shè)置20個(gè)，采用φ127 mm的無(wú)縫鋼管，布置圈徑13.4 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)井筒凍結(jié)施工特點(diǎn)，聯(lián)立圖紙，建立如圖2所示的二維平面溫度場(chǎng)有限元計(jì)算模型，考慮到凍結(jié)溫度場(chǎng)對(duì)周圍土體影響范圍，計(jì)算模型直徑取20 m。溫度場(chǎng)分析單元采用具有4節(jié)點(diǎn)的Plane 55單元，為提高計(jì)算精度，對(duì)井筒周圍的土體進(jìn)行網(wǎng)格加密。模型邊界條件為：土體初始溫度為18 ℃～22 ℃，因此假定初始地溫為20 ℃；凍結(jié)管壁溫度為鹽水溫度。

數(shù)值計(jì)算模型作以下假設(shè)：土體材質(zhì)均勻且各向同性；不考慮鹽水與凍結(jié)管壁之間的對(duì)流換熱，凍結(jié)管壁上的溫度等效鹽水溫度，鹽水降溫曲線如圖3所示；地下水近似無(wú)流動(dòng)，即溫度場(chǎng)計(jì)算不考慮地下水流的影響；水土之間的熱動(dòng)態(tài)平衡瞬時(shí)發(fā)生，土體骨架為周圍水在同一時(shí)刻具有相同溫度。

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)核桃峪井檢孔提供的水文地質(zhì)資料，核桃峪井筒圍巖主要為松散巖與碎屑巖沉積巖層，模擬所采用的土層參數(shù)如表1所示。土體中水結(jié)冰釋放潛熱模擬主要通過(guò)賦予土體在相變區(qū)間的焓值來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本文中土體相變區(qū)間取[-1.5 ℃,0 ℃]，潛熱取1.5×105kJ/m3。

表1 砂巖熱物理參數(shù)

2.3 數(shù)值分析

圖4為凍結(jié)30 d,60 d,90 d,120 d時(shí)井筒凍結(jié)溫度場(chǎng)擴(kuò)展分布情況?？梢钥闯鰞鼋Y(jié)初期，凍結(jié)管與周圍土體熱交換明顯，凍結(jié)管周圍土體降溫迅速，凍土圓柱逐漸向外擴(kuò)展迅速；凍結(jié)中后期，土體熱交換趨向平衡，土體降溫較為平緩；以井筒中心為起點(diǎn)，凍土發(fā)展速度沿徑向內(nèi)側(cè)最快。凍結(jié)30 d時(shí)，凍結(jié)壁總厚度達(dá)1.3 m，以井筒中心為起點(diǎn)，凍結(jié)壁沿徑向內(nèi)、外分別擴(kuò)展了約0.7 m,0.6 m；凍結(jié)60 d時(shí)，凍結(jié)壁總厚度達(dá)2.4 m，以井筒中心為起點(diǎn)，凍結(jié)壁沿徑向內(nèi)、外分別擴(kuò)展了約1.3 m,1.1 m；凍結(jié)90 d時(shí)，凍結(jié)壁總厚度達(dá)3.5 m，以井筒中心為起點(diǎn)，凍結(jié)壁沿徑向內(nèi)、外分別擴(kuò)展了約1.9 m，1.6 m；當(dāng)井筒凍結(jié)120 d時(shí)，凍結(jié)壁總厚度達(dá)4.5 m，以井筒中心為起點(diǎn)，凍結(jié)壁沿徑向內(nèi)、外分別擴(kuò)展了約2.5 m,2 m?？梢钥闯鰞鼋Y(jié)120 d時(shí)，凍結(jié)壁厚度已基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5為測(cè)溫點(diǎn)T2隨溫降曲線。從圖5中可以看出，凍結(jié)初期，井筒溫度梯度較大，凍結(jié)前60 d，2號(hào)測(cè)溫孔的溫降速度約為0.4 ℃/d；60 d～90 d時(shí)，溫降速度約為0.2 ℃/d；90 d～120 d時(shí)，溫降速度約為0.07 ℃/d；這是由于凍結(jié)管初期，土體為凍結(jié)管之間熱交換迅速，溫降速率快；隨著凍結(jié)時(shí)間的增加，土體與凍結(jié)管熱交換逐漸趨于平衡，故溫降曲線的斜率逐漸變緩直至消失。

3 結(jié)語(yǔ)

1)凍結(jié)90 d時(shí)凍結(jié)壁厚度約為3.5 m，凍結(jié)120 d時(shí)，凍結(jié)壁厚度約為4.5 m；凍土平均發(fā)展速度約為37.5 mm/d。

2)在此凍結(jié)方案下，凍結(jié)120 d時(shí)，凍結(jié)壁厚度滿足設(shè)計(jì)要求，由于凍土發(fā)展速度較快，在凍結(jié)中后期需要開啟溫控孔以控制凍結(jié)鋒面到井壁的距離，減弱凍土凍脹壓力對(duì)井筒的作用。