深厚砂黏分界處不同工況下多圈管凍結(jié)溫度場(chǎng)特性

楊 青，榮傳新，黎明鏡，楊國(guó)兵

深厚砂黏分界處不同工況下多圈管凍結(jié)溫度場(chǎng)特性

楊 青1,3，榮傳新2,3，黎明鏡2，楊國(guó)兵4

(1. 滁州學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000；2. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；3. 安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001； 4. 安徽滁州技師學(xué)院，安徽 滁州 239000)

多圈管凍結(jié)壁設(shè)計(jì)方案是解決深凍結(jié)問題的有效方法，為研究深厚砂黏層分界處不同工況下多圈管凍結(jié)溫度場(chǎng)特性，采取分界處原黏性土XRD試驗(yàn)結(jié)果，利用ANSYS數(shù)值模擬凍結(jié)三圈管，對(duì)比分析了細(xì)砂土與膨脹性黏土在凍結(jié)管偏斜與不偏斜工況下溫度場(chǎng)凍結(jié)壁形成與發(fā)展特性。研究表明：多圈管不偏斜凍結(jié)，細(xì)砂層與膨脹性黏土層凍結(jié)壁溫度場(chǎng)均呈規(guī)則、對(duì)稱、有序發(fā)展，主凍結(jié)中圈管間、內(nèi)圈管間、中–內(nèi)圈管間、中–外圈管間、外圈管依次形成交圈過程，隨著凍結(jié)時(shí)間增加，中–內(nèi)圈、中–外圈管間凍結(jié)溫度由拋物線型發(fā)展為梯形降溫形狀，且溫差減少，內(nèi)、外圈管外側(cè)呈倒八字型發(fā)展形態(tài)，內(nèi)圈管內(nèi)側(cè)降溫效果明顯好于外圈管外側(cè)。偏斜時(shí)，凍結(jié)壁溫度場(chǎng)交圈降溫不規(guī)則，凍結(jié)冷鋒交圈疊加具有隨機(jī)性和離散性。膨脹性黏土凍結(jié)壁形成時(shí)間嚴(yán)重滯后，偏斜、土性差異對(duì)凍結(jié)壁溫度影響均較大，偏斜對(duì)膨脹性黏土影響尤其明顯，與某礦凍結(jié)法鑿井在地層–400 m以上砂黏分界處發(fā)生的多根凍結(jié)管斷管事件較為吻合，研究成果可以為類似深層礦井凍結(jié)施工提供參考。

膨脹性黏土；砂黏分界處；凍結(jié)壁溫度場(chǎng)；多圈管凍結(jié)；凍結(jié)管偏斜；凍結(jié)壁特征

本世紀(jì)初，河南省焦作市程村煤礦凍結(jié)法鑿井沖積層厚度開始超越400 m，達(dá)到430 m，凍結(jié)深度485 m。2004年的山東省菏澤市郭屯主井沖積層厚度達(dá)587.4 m，凍結(jié)深度702 m。到2012年，山東省菏澤市萬福礦主、副井分別穿過753.95、754.96 m的沖積層，凍結(jié)深度分別為894、840 m，今后凍結(jié)工程還會(huì)遭遇更深的第四紀(jì)和不穩(wěn)定新近紀(jì)地層[1]。

凍結(jié)壁溫度場(chǎng)特性是計(jì)算凍結(jié)壁強(qiáng)度的基礎(chǔ)[2]，目前，多圈管凍結(jié)是解決深凍結(jié)問題的有效方法[3-8]，而凍結(jié)管偏斜是施工中無法避免的情況，成孔質(zhì)量是深凍結(jié)鑿井成功的關(guān)鍵之一[1]，因此，探討偏斜成孔之于多圈管溫度場(chǎng)形成特性十分必要。

榮傳新等[9]以外圈管為主凍結(jié)管，利用深厚沖積層各層位土層熱物理參數(shù)，建立雙層凍結(jié)圈管模型進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，用信息化手段控制凍結(jié)壁設(shè)計(jì)參數(shù)，成功修復(fù)了板集煤礦副井破損井筒；汪仁和等[10-11]研究了凍結(jié)造孔偏斜與不偏斜情況下單排管與雙排管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)形成特征，得出在這些設(shè)定情況下凍結(jié)壁平均溫度的計(jì)算方法。為探索礦井凍結(jié)向更深層次沖積層發(fā)展，我國(guó)凍土界專家與學(xué)者已積累了數(shù)十個(gè)深凍結(jié)井的成功經(jīng)驗(yàn)[12-17]，但不同深度，性質(zhì)明顯不同的土層，在面對(duì)復(fù)雜水文地質(zhì)環(huán)境下，如何優(yōu)化凍結(jié)設(shè)計(jì)方案，預(yù)測(cè)和合理處理凍結(jié)過程中突發(fā)事件，仍然是凍土界的一個(gè)嚴(yán)肅的課題。筆者結(jié)合某礦凍結(jié)法鑿井在地層–400 m以上砂黏層分界處發(fā)生多根凍結(jié)管斷管事件，通過在凍結(jié)管偏斜與不偏斜工況下的數(shù)值模擬結(jié)果，研究?jī)鼋Y(jié)壁溫度場(chǎng)形成的差異特性，供同類工程參考。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)特征及施工簡(jiǎn)況

某礦副井設(shè)計(jì)井筒凈直徑7.5 m，凍結(jié)段最大井壁厚度2.303 m，凍結(jié)深度725 m，井筒深度1 001.9 m。地質(zhì)資料顯示，井筒表土層厚度681.05 m，其中第四系底板埋深536.65 m，二疊系頂板埋深681.05 m，基巖風(fēng)化帶底板埋深714.05 m。檢查孔資料表明，松散層包含4層含水層和3層隔水層，見表1。

表1 某礦副井松散表土地質(zhì)層狀況

第四系378.20~398.90 m和407.3~445.35 m深度段為20.70 m和38.05 m的2層深厚“黏土層”，較為特別。2008年12月18日，該礦副井凍結(jié)方案確定了多圈凍結(jié)孔的深度，并設(shè)計(jì)4個(gè)水文孔，安排各含水層防竄水措施，用以預(yù)測(cè)4個(gè)含水層交圈情況，以驗(yàn)證、分析、判斷凍結(jié)壁形成狀況。在副井歷時(shí)271 d凍結(jié)施工，穿過深厚黏土層38.05 m(407.30~445.35 m)時(shí)，在砂黏分界處發(fā)生15根凍結(jié)管斷管事件[18]。

1.2 深厚黏土層X衍射試驗(yàn)

針對(duì)該礦斷管砂黏分界處的黏土土樣，按照GB/T50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，利用TF-5500型XRD衍射儀得出土樣X射線衍射圖(圖1)，圖1中，橫坐標(biāo)為2倍入射角，縱坐標(biāo)為垂直于反射線的靶面單位時(shí)間內(nèi)接收到的電子數(shù)。當(dāng)縱坐標(biāo)電子數(shù)急劇增高時(shí)，此角度發(fā)生衍射，不同的黏土礦物、晶格構(gòu)造各異，會(huì)產(chǎn)生不同的衍射圖譜，根據(jù)土樣衍射試驗(yàn)結(jié)果來分析判斷土樣具有的礦物成分[19-20]。

從圖1可以明顯看出，同類土的2次試驗(yàn)，均在衍射入射角6.1°產(chǎn)生衍射光譜強(qiáng)度峰值，分別為14.57 ?、14.29 ?，與晶胞厚度14 ?的蒙脫石礦物顆粒特征相吻合；在衍射角8.8°產(chǎn)生衍射光譜強(qiáng)度峰值10.02 ?、9.99 ?，顯示晶胞厚度10 ?的伊利石礦物顆粒特征；在衍射角12.4°產(chǎn)生衍射光譜強(qiáng)度峰值7.17 ?、7.08 ?，顯示晶胞厚度7.2 ?的高嶺石礦物顆粒特征。對(duì)衍射圖譜進(jìn)行定性分析可知：該黏土礦物富含膨脹土性質(zhì)，其成分以蒙脫石和伊利石為主，其次是高嶺石，具有吸水性強(qiáng)、易泥化等特征。由此，推斷該副井?dāng)喙芴幍酿ね翞榕蛎浶责ね?。而埋?02.75~407.30 m的細(xì)砂層(細(xì)砂、粉砂)呈棕色、土黃色，外觀色澤及土性較為正常。

圖1 某礦副井黏土XRD衍射圖譜

2 凍結(jié)方案布置

該礦副井凍結(jié)采用三圈管+防片管設(shè)計(jì)方案，其中外圈管編號(hào)分別為W1—W56，中圈管分別為Z1—Z52，內(nèi)圈管分別為N1—N25；內(nèi)圈管內(nèi)側(cè)布置的外防片管編號(hào)分別為WF1—WF10，內(nèi)防片管分別為NF1—NF10；設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度為10.6 m，凍結(jié)壁平均溫度為–18℃，鹽水溫度為–31~–33℃，為掌握井筒凍結(jié)壁溫度場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r，布置5個(gè)測(cè)溫孔，其中C1和C3測(cè)溫孔位于外排孔外側(cè)主面上，測(cè)溫孔深度均為681 m；C2和C4測(cè)溫孔位于中排孔和外排孔之間，測(cè)溫孔深度均為725 m；C5測(cè)溫孔位于內(nèi)排孔和防片幫孔之間，深度為660 m，同時(shí)在距離井筒中心1.65 m圓周上布置4個(gè)水文孔，編號(hào)分別為水1—水4，深度分別為32、85、320、514 m，凍結(jié)孔、測(cè)溫孔、水文孔平面分布如圖2所示。施工過程中，由于實(shí)際操作誤差等原因，凍結(jié)管發(fā)生過程偏斜，其在主控層面的凍結(jié)管偏斜位置如圖3所示；偏斜原孔位置比較突出的孔號(hào)見表2。副井主要凍結(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表3。

3 凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

3.1 凍結(jié)溫度場(chǎng)控制方程

用有限元法分析凍結(jié)壁溫度場(chǎng)時(shí)，對(duì)凍結(jié)管的供冷一般處理為溫度的時(shí)間函數(shù)，轉(zhuǎn)化為有限元邊界條件，將具有內(nèi)熱源的瞬態(tài)溫度場(chǎng)問題轉(zhuǎn)化為無內(nèi)熱源的瞬態(tài)溫度場(chǎng)[13]。二維無內(nèi)熱源熱傳導(dǎo)過程的偏微分方程為：

圖3 凍結(jié)管偏斜實(shí)況

表2 偏斜較大的孔號(hào)及偏值和偏斜率

表3 某礦副井主要凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)表

邊界條件：物體表面的溫度是時(shí)間的已知函數(shù)，即：

式中：為溫度，℃；為時(shí)間s；為溫度函數(shù)。

為求解熱傳導(dǎo)方程，設(shè)定本模擬的初始瞬時(shí)溫度后，再明確邊界條件。溫度場(chǎng)的變化將引起凍土的變形，而凍土的蠕變又會(huì)產(chǎn)生熱量，引起溫度場(chǎng)的變化，這種耦合現(xiàn)象本次模擬暫不考慮。

3.2 凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算模型

井筒設(shè)計(jì)荒徑6.128 m，結(jié)合井筒凈徑及凍結(jié)孔在平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和凍結(jié)管半徑，考慮凍結(jié)孔偏斜情況，數(shù)值計(jì)算模型外邊界尺寸選取以井筒為中心，邊界半徑為40 m。按平面問題建立溫度場(chǎng)ANSYS有限元計(jì)算模型，數(shù)值計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

3.3 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

凍土的熱物理參數(shù)主要有導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、導(dǎo)溫系數(shù)、凍結(jié)溫度、密度等，導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)采用XT5201HCC型導(dǎo)熱系數(shù)儀測(cè)定，凍結(jié)溫度試驗(yàn)采用XT5201FST凍結(jié)溫度測(cè)定儀測(cè)量[21]，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

3.4 測(cè)溫孔實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬對(duì)比

選取該礦副井膨脹性黏土–440 m層位C1、C4、C5測(cè)溫孔實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果比較，如圖5所示。圖5a為C1數(shù)據(jù)(C3測(cè)溫孔類同)，凍結(jié)初期，降溫不明顯，50 d后，降溫較明顯，幾乎呈直線型下降，進(jìn)入負(fù)溫時(shí)需要260 d左右，主要是因?yàn)樵摐y(cè)溫孔位于外排孔外側(cè)1.6 m，受凍結(jié)溫度影響降溫較為遲緩；圖5b為C4測(cè)溫孔(C2測(cè)溫孔類同)，從凍結(jié)初期開始以直線型下降，降溫效果最快，進(jìn)入負(fù)溫時(shí)約在100 d，下降速度有所減緩，主要是因?yàn)樵摐y(cè)溫孔位于中排孔和外排孔之間，受2排凍結(jié)管溫度場(chǎng)疊加影響所致；圖5c為C5溫測(cè)孔實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬，其降溫幅度小于C4測(cè)溫孔，進(jìn)入負(fù)溫時(shí)約需要130 d，主要是因?yàn)樵撐挥趦?nèi)排孔和防片幫孔之間，雖受內(nèi)排孔和防片幫孔2排凍結(jié)管冷鋒疊加影響，但防片幫冷量不如外排凍結(jié)管冷量大。所有測(cè)溫孔實(shí)測(cè)溫度與數(shù)值模擬均較為吻合，充分說明數(shù)值模擬用于溫度場(chǎng)形成與發(fā)展特征研究具有真實(shí)性和可操作性。

3.5 不偏斜凍結(jié)管孔交圈時(shí)間

通過ANSYS軟件對(duì)某礦副井進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，選擇關(guān)鍵層位400 m細(xì)砂層和440 m膨脹黏土層，提取主凍結(jié)中圈管交圈時(shí)間、外圈管整體交圈時(shí)間、及某特定凍結(jié)時(shí)間的凍結(jié)壁計(jì)算結(jié)果，不偏斜溫度場(chǎng)云圖如圖6所示，偏斜溫度場(chǎng)云圖如圖7所示。圖6a1為細(xì)砂土凍結(jié)40 d，簡(jiǎn)稱砂凍40；膨脹黏層土層凍結(jié)96 d，簡(jiǎn)稱膨黏凍96，余同。

表4 凍土熱物理參數(shù)

圖5 測(cè)溫孔實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬

a1為砂凍40；a2為砂凍55；a3為砂凍96；a4為砂凍148；a5為砂凍270； b1為膨黏凍96；b2為膨黏凍55；b3為膨黏凍96；b4為膨黏凍148；b5為膨黏凍270

c1為砂凍62；c2為砂凍93；c3為砂凍122；c4為砂凍180；c5為砂凍270； d1為膨黏凍62；d2為膨黏凍93；d3為膨黏凍122；d4為膨黏凍180；d5為膨黏凍270

圖6a1—圖6a5 及圖6b1—圖6b5分別反映細(xì)砂土與膨脹性黏土在凍結(jié)管不偏斜工況下，從中圈管開始交圈直至外圈管整體交圈后，凍結(jié)壁形成與發(fā)展重要節(jié)點(diǎn)歷程，明顯可以看出，2種不同性質(zhì)的土層凍結(jié)交圈的次序均為：中圈管→內(nèi)圈管→內(nèi)–中圈管→外圈管；2種土溫度場(chǎng)云圖均呈明顯對(duì)稱均勻、各向同性、規(guī)則發(fā)展特性，主要因?yàn)閮鼋Y(jié)管位置理想化且冷量分配均勻所致。圖7c1—圖7c5及圖7d1—圖7d5分別為凍結(jié)管偏斜工況下，細(xì)砂土與膨脹性黏土凍結(jié)壁形成過程溫度場(chǎng)云圖，與凍結(jié)管不偏斜相比，偏斜在凍結(jié)壁形成過程中沿徑向存在無序發(fā)展現(xiàn)象，主要是凍結(jié)管施工隨機(jī)偏斜，造成因偏離而接近的凍結(jié)管重疊效果大增，因偏離而距離較遠(yuǎn)的凍結(jié)管冷縫相遇疊加效果差，且具有嚴(yán)重的離散性和滯后性，凍結(jié)發(fā)展極其不均勻。

提取圖7相關(guān)數(shù)據(jù)，偏斜工況時(shí)，砂土中圈管、整體交圈時(shí)間分別為62、122 d，膨脹性黏土中圈管、整體交圈時(shí)間分別為93、180 d。該礦井凍結(jié)工程于2012年4月8日開機(jī)凍結(jié)，實(shí)測(cè)顯示，凍結(jié)80 d前后，水1孔、水2孔、水3孔均已先后冒水，最后一個(gè)水4孔于2012年8月1日(凍結(jié)115 d)冒水，2012年8月6日(凍結(jié)122 d)，水1孔、水2孔、水3孔均已溢水，地質(zhì)報(bào)告中在4個(gè)水文孔不同埋深范圍內(nèi)，均為中砂或細(xì)砂，水文孔冒水是凍結(jié)壁交圈最為直觀的表象，說明主要含水層均已交圈，數(shù)值模擬與工程實(shí)測(cè)有較好的擬合度。

由此可見，凍結(jié)管偏斜對(duì)凍結(jié)壁主凍結(jié)管交圈時(shí)間存在顯著影響。細(xì)砂層和膨脹性黏土層凍結(jié)交圈存在顯著差異，主要是因?yàn)榧?xì)砂層土顆粒遠(yuǎn)比黏性土大，顆粒無吸著水，無塑性，細(xì)砂層土顆粒的結(jié)合水含量很少，形成凍土后幾乎無未凍水，凍結(jié)速度快。膨脹性黏土顆粒細(xì)、總表面積大，含有大量吸著水(帶有電荷的黏粒吸引水化離子和水分子形成雙電子層水膜)和薄膜水[22]。特別是膨脹性黏土中的蒙脫石伊利石礦物親水性很強(qiáng)，包含吸著水，密度大黏度高，流動(dòng)性差，冰點(diǎn)低，比熱容大，凍結(jié)過程長(zhǎng)，凍結(jié)速度慢。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 凍結(jié)壁特征參數(shù)隨時(shí)間變化

4.1.1 凍結(jié)壁有效厚度

膨脹性黏土以–2.9℃、細(xì)砂以–0.5℃作為凍結(jié)溫度，提取凍結(jié)溫度以下的凍結(jié)壁區(qū)域數(shù)據(jù)，用從井筒圓心到凍結(jié)壁外邊緣的距離，減去井筒圓心到內(nèi)邊緣距離，或用從井筒圓心到凍結(jié)壁外邊緣距離減去凍結(jié)壁入荒徑長(zhǎng)度，取兩者的較小值來作為該方向凍結(jié)壁厚度，再按照?qǐng)D8中標(biāo)注的3個(gè)方向路徑的平均值作為凍結(jié)壁的有效厚度，如圖9、圖10所示。

圖8 凍結(jié)管偏斜路徑

圖9 偏斜砂土凍結(jié)壁特征

圖10 膨脹性黏土凍結(jié)壁發(fā)展特征

4.1.2 凍結(jié)壁平均溫度

采用凍結(jié)壁區(qū)域的溫度按區(qū)域面積進(jìn)行加權(quán)平均來計(jì)算。凍結(jié)管偏斜工況時(shí)取圖8中(2、3、4)3個(gè)路徑的相關(guān)參數(shù)的平均值，提取不同工況下凍結(jié)壁形成過程相應(yīng)數(shù)值，根據(jù)Origin軟件得出–400 m和–440 m控制層位凍結(jié)壁發(fā)展形狀，如圖9、圖10所示。

4.1.3 凍結(jié)壁特征參數(shù)分析

圖10a可以看出，凍結(jié)管不偏斜時(shí)，膨脹性黏土凍結(jié)壁有效厚度，55 d(凍結(jié)中圈管交圈)時(shí)為零，隨著時(shí)間推移，凍結(jié)壁呈線性增長(zhǎng)，凍結(jié)100 d后，增長(zhǎng)速度有所降低，到接近150 d時(shí)，有效厚度發(fā)生突增，此時(shí)應(yīng)是凍結(jié)壁外圈管交圈閉合形成累加整體凍結(jié)壁所致。160 d后，凍結(jié)壁有效厚度又呈直線增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速度較緩慢穩(wěn)定。

圖10b凍結(jié)管偏斜時(shí)，膨脹性黏土凍結(jié)壁有效厚度，93 d(凍結(jié)中圈管交圈)時(shí)為零，隨著時(shí)間推移，凍結(jié)壁呈線性增長(zhǎng)，140 d時(shí)出現(xiàn)“小臺(tái)階”，155 d后再次發(fā)生突增，180 d后再次出現(xiàn)“小臺(tái)階”，200 d后總體呈直線型緩慢增長(zhǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)，這種不規(guī)則的發(fā)展性狀主要是由于原布置間距規(guī)則一致的凍結(jié)管因施工偏差而呈毫無規(guī)律隨機(jī)偏斜狀態(tài)，造成以凍結(jié)管為中心的低溫?cái)U(kuò)散呈不規(guī)則紊亂狀態(tài)，致使中–內(nèi)圈、中–外圈凍結(jié)管間距與相鄰中圈管、內(nèi)圈管之間管距無明顯差別。

同樣，圖9的偏斜砂土凍結(jié)壁特征發(fā)展趨勢(shì)中，凍結(jié)壁有效厚度發(fā)展先快速增長(zhǎng)，凍結(jié)120 d后，增長(zhǎng)速度放緩，整體呈較為“圓滑”穩(wěn)定的曲線型發(fā)展軌跡。原因是盡管凍結(jié)管位置有隨機(jī)偏斜工況，但細(xì)砂層透水性好，水分遷移速度快，冷量擴(kuò)散受凍結(jié)管偏斜影響較小。

凍結(jié)100 d和200 d時(shí)，膨脹性黏土層凍結(jié)壁厚度分別為1.82、9.63 m，細(xì)砂土凍結(jié)壁厚度為7.38、11.86 m。細(xì)砂土偏斜工況下161 d達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度。凍結(jié)管不偏斜與偏斜工況下，膨脹性黏土達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度(10.6 m)分別是242 d與239 d。土性差異對(duì)凍結(jié)壁厚度影響較大；凍結(jié)管是否偏斜對(duì)深層黏土層最終達(dá)到凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度的時(shí)間影響不大。

通過凍結(jié)管偏斜和不偏斜情況下溫度場(chǎng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，偏斜凍結(jié)時(shí)，凍結(jié)100 d與200 d時(shí)，膨脹性黏土層、細(xì)砂土凍結(jié)壁平均溫度分別為–3.3℃、–6.8℃與–15.8℃、–16.72℃。凍結(jié)管不偏斜情況下，膨脹性黏土287 d達(dá)到設(shè)計(jì)溫度(–18℃)。凍結(jié)管偏斜時(shí)，膨脹性黏土、細(xì)砂土分別330 d、241 d達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度，膨脹性黏土偏斜比不偏斜滯后43 d，達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度，凍結(jié)管偏斜時(shí)，細(xì)砂土比膨脹性黏土偏斜早89 d達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度。

綜上，偏斜、土性差異對(duì)黏土層凍結(jié)壁溫度影響均較大。偏斜對(duì)膨脹性黏土達(dá)到設(shè)計(jì)溫度影響尤其明顯。

4.2 不偏斜主面溫度場(chǎng)曲線

提取通過井心和多圈管位置模擬主面溫度場(chǎng)數(shù)值，繪出不偏斜狀態(tài)下細(xì)砂土與膨脹性黏土三圈管凍結(jié)壁主面溫度場(chǎng)形成特性圖(圖11)?？傮w上，內(nèi)圈管(防片幫)、中圈管、外圈管將凍結(jié)壁劃分為4個(gè)區(qū)域，中間2個(gè)區(qū)域隨著凍結(jié)天數(shù)增加，降溫線呈開口向下的拋物線下降趨勢(shì)，內(nèi)圈管處降溫最明顯，中圈管次之，外圈管最后。凍結(jié)300 d時(shí)，中、內(nèi)圈管溫度最低趨于一致，隨著凍結(jié)天數(shù)增加，內(nèi)圈管內(nèi)側(cè)和外圈管外側(cè)降溫較明顯，但外圈管外側(cè)降溫幅度明顯小于內(nèi)圈管內(nèi)側(cè)，且膨脹性黏土降溫效果比細(xì)砂土差，發(fā)展較為緩慢。原因是外圈管外側(cè)冷量擴(kuò)散范圍廣，膨脹性黏土發(fā)展尤為緩慢。

圖11 三圈管凍結(jié)壁主面溫度場(chǎng)(不偏斜)

4.3 偏斜隨機(jī)界面溫度場(chǎng)曲線

提取通過井心和多圈管位置模擬界面溫度場(chǎng)數(shù)值，繪出偏斜狀態(tài)下細(xì)砂土與膨脹性黏土三圈管凍結(jié)壁界面溫度場(chǎng)形成特性圖(圖12)。4個(gè)區(qū)域雖仍存在前述類似變化趨勢(shì)，但是溫度發(fā)展呈不規(guī)則性狀，源于凍結(jié)冷量分配不均勻。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在凍結(jié)相同天數(shù)情況下，細(xì)砂土降溫區(qū)域明顯大于膨脹性黏土區(qū)域，凍結(jié)天數(shù)越多，細(xì)砂土降溫早期十分明顯，后期不明顯且趨于穩(wěn)定；膨脹性黏土降溫較為緩慢，總體降溫效果不如細(xì)砂土，內(nèi)圈管內(nèi)側(cè)降溫效果優(yōu)于外圈管外側(cè)，原因是中圈管為主凍結(jié)管，中–內(nèi)圈管因?yàn)榫嚯x近又偏斜交織，凍結(jié)壁儲(chǔ)存大量冷量向內(nèi)傳遞，且內(nèi)側(cè)土層溫度無熱源補(bǔ)充，而外圈管外側(cè)熱源補(bǔ)充充足。從圖12還可看出，凍結(jié)管偏斜時(shí)，凍結(jié)270 d時(shí)，砂土最低溫度比膨脹性黏土低1.5℃。

圖12 三圈管凍結(jié)壁界面溫度場(chǎng)曲線(偏斜)

5 結(jié)論

a.某礦井砂黏層分界(凍結(jié)管斷管)處的黏土層屬性為膨脹性黏土，其中的蒙脫石伊利石礦物親水性很強(qiáng)，包含吸著水，密度大黏度高，流動(dòng)性差，冰點(diǎn)低，比熱大，凍結(jié)過程長(zhǎng)，凍結(jié)速度慢。在膨脹性黏土與細(xì)砂土分界處，凍結(jié)壁發(fā)展不平衡、不充分，使得凍結(jié)壁強(qiáng)度低、蠕變變形大是造成斷管的潛在內(nèi)因，必須加強(qiáng)膨脹性黏土層凍結(jié)。

b.多圈管凍結(jié)過程中，不同性質(zhì)的土層對(duì)凍結(jié)壁形成時(shí)間影響較大。凍結(jié)管不偏斜與偏斜工況下，膨脹性黏土達(dá)到凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度(10.6 m)的凍結(jié)時(shí)間分別是242 d與239 d；達(dá)到凍結(jié)壁設(shè)計(jì)溫度(–18 ℃)的凍結(jié)時(shí)間分別是287 d與330 d(細(xì)砂土為241 d)；凍結(jié)管偏斜時(shí)，細(xì)砂土比膨脹性黏土早89 d達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度，與幾乎同深度細(xì)砂土相比，膨脹性黏土凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)溫度時(shí)間嚴(yán)重滯后。

c.多圈管不偏斜凍結(jié)，凍結(jié)壁溫度場(chǎng)呈規(guī)則、對(duì)稱、有序發(fā)展，主凍結(jié)中圈管間、內(nèi)圈管間、中–內(nèi)圈管間、中–外圈管間、外圈管依次形成交圈過程，隨著凍結(jié)時(shí)間增加，中–內(nèi)圈、中–外圈管間凍結(jié)溫度由拋物線型發(fā)展為梯形降溫形狀，且溫差減少，內(nèi)、外圈管外側(cè)呈倒八字型發(fā)展形態(tài)，內(nèi)圈管內(nèi)側(cè)降溫效果明顯好于外圈管外側(cè)。偏斜時(shí)，凍結(jié)壁溫度場(chǎng)交圈降溫不規(guī)則不明晰，凍結(jié)冷鋒交圈疊加具有隨機(jī)性和離散性。

[1] 陳湘生. 對(duì)深凍結(jié)井幾個(gè)關(guān)鍵問題的探討[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，1999，27(1)：36–38.CHEN Xiangsheng. Discussion on several key issues for deep frozen shaft[J]. Coal Science and Technology，1999，27(1)：36–38.

[2] 高志宏，胡雙平，張曉峰，等. 聯(lián)絡(luò)通道富水卵礫石層凍結(jié)施工凍結(jié)壁溫度及變形的模型試驗(yàn)[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，40(3)：408–416. GAO Zhihong，HU Shuangping，ZHANG Xiaofeng，et al. Model test of freezing wall temperature and deformation in freezing construction of water-rich gravel layer in connecting passage[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2020，40(3)：408–416.

[3] 盛天寶，魏世義. 特厚黏土層多圈孔凍結(jié)壁溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)研究與工程應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(8)：1516–1521. SHENG Tianbao，WEI Shiyi. Measurement and engineering application of temperature field multiple-ring hole frozen wall in extra-thick clay strata[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34(8)：1516–1521.

[4] 陳軍浩，李棟偉. 多圈管凍結(jié)溫度場(chǎng)特征分析及工程應(yīng)用[J]. 冰川凍土，2016，38(6)：1568–1574. CHEN Junhao，LI Dongwei. Temperature field frozen with multi-circle pipes in shaft sinking：Feature analysis and engineering application[J]. Journal of Glaciology and Geocryology，2016，38(6)：1568–1574.

[5] 焦華喆，孫冠東，陳新明，等. 深厚沖積層多圈孔凍結(jié)壁溫度場(chǎng)發(fā)展研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2018，43(增刊2)：443–449. JIAO Huazhe，SUN Guandong，CHEN Xinming，et al. Development of temperature field of multiple circle freezing wall in deep alluvium[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(Sup.2)：443–449.

[6] 胡坤，周國(guó)慶，荊留杰，等. 深厚表土多圈管凍結(jié)溫度場(chǎng)演變規(guī)律研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27(2)：149–153. HU Kun，ZHOU Guoqing，JING Liujie，et al. Experimental research on multiple-circle freezing temperature field for thick top soil[J]. Journal of Mining and Safety Engineering，2010，27(2)：149–153.

[7] 林斌，王鵬，侯海杰，等. 深厚黏土層多圈管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2018，46(4)：135–141.LIN Bin，WANG Peng，HOU Haijie，et al. Development law of the multiple-loop tube freezing temperature field in deep thick clay layer[J]. Coal Geology & Exploration，2018，46(4)：135–141.

[8] 李懷鑫，林斌，王鵬. 雙圈管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)形成特性及影響因素[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：169–175.LI Huaixin，LIN Bin，WANG Peng. Influence factors and formation properties of temperature field in the frozen wall of double ring pipes[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：169–175.

[9] 榮傳新，尹建輝，王彬，等. 深厚沖積層破損井筒修復(fù)過程中的控制凍結(jié)技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48(1)：157–166. RONG Chuanxin，YIN Jianhui，WANG Bin，et al. Controlled freezing technology for repairing damaged shaft in deep alluvium[J]. Coal Science and Technology，2020，48(1)：157–166．

[10] 汪仁和，王偉. 凍結(jié)孔偏斜下凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的形成特征與分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2003，25(6)：658–661. WANG Renhe，WANG Wei. Analysis for features of the freezing temperature field under deflective pipes[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(6)：658–661.

[11] 汪仁和，曹榮斌. 雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁溫度場(chǎng)形成特征的數(shù)值分析[J]. 冰川凍土，2002，24(2)：181–185. WANG Renhe，CAO Rongbin. Numerical analysis of the temperature field features in the frozen wall with double rows of freezing pipes[J]. Journal of Glaciology and Geocryology，2002，24(2)：181–185.

[12] 陳文豹，吳里揚(yáng)，李功洲，等. 程村主副井深厚沖積層凍結(jié)法鑿井技術(shù)[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2008. CHEN Wenbao，WU Liyang，LI Gongzhou，et al. Freezing sinking technology in deep alluvium of Chengcun main and auxiliary shafts[M]. Beijing：Coal Industry Press，2008.

[13] 王磊，陳世官，李祖勇. 軟巖凍結(jié)鑿井井幫穩(wěn)定性影響因素敏感性分析[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，38(1)：79–84. WANG Lei，CHEN Shiguan，LI Zuyong. Sensitivity analysis of influential factors of surrounding rock stability in soft rock freezing sinking[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2019，38(1)：79–84.

[14] 王千星，楊維好，王衍森. 厚表土斜井凍結(jié)鑿井期井壁混凝土應(yīng)變實(shí)測(cè)研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016，33(4)：655?661. WANG Qianxing，YANG Weihao，WANG Yansen. Study on concrete strain of inclined shaft lining in deep alluvium during freezing sinking period[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2016，33(4)：655?661.

[15] 程樺，張亮亮，姚直書，等. 厚表土薄基巖鉆井井筒突水潰砂次生豎向受壓破壞機(jī)理研究[J]. 煤炭工程，2020，52(1)：1–7. CHENG Hua，ZHANG Liangliang，YAO Zhishu，et al. Study on the mechanism of secondary vertical compression failure caused by water and sand inrush during shaft boring through thick alluvium and thin bedrock[J]. Coal Engineering，2020，52(1)：1–7.

[16] 胡向東，方濤，韓延廣. 環(huán)形雙圈管凍結(jié)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)廣義解析解[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2017，42(9)：2287–2294. HU Xiangdong，F(xiàn)ANG Tao，HAN Yanguang. Generalized analytical solution to steady-state temperature field of double-circle-piped freezing[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(9)：2287–2294.

[17] 胡向東，汪洋. 三排管凍結(jié)溫度場(chǎng)的勢(shì)函數(shù)疊加法解析解[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(5)：1071–1080. HU Xiangdong，WANG Yang. Analytical solution of three-row-piped frozen temperature field by means of superposition of potential function[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(5)：1071–1080.

[18] 馬茂艷，程樺，榮傳新. 楊村煤礦主井深厚鈣質(zhì)黏土層凍結(jié)施工技術(shù)[J]. 煤炭工程，2017，49(9)：14–18. MA Maoyan，CHENG Hua，RONG Chuanxin. Freezing construction technology for main shaft of Yangcun coal mine in deep and thick calcareous clay layer[J]. Coal Engineering，2017，49(9)：14–18.

[19] 蒲海波. 用X射線衍射分析鑒定黏土礦物的方法[J]. 勘察科學(xué)技術(shù)，2011(5)：12–14. PU Haibo. Method of identifying clay minerals by X-ray diffraction analysis[J]. Site Investigation Science and Technology，2011(5)：12–14.

[20] 田玉新. 淮南礦區(qū)厚松散層結(jié)構(gòu)特征及其沉積環(huán)境研究[D]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2014. TIAN Yuxin. Study on the structural characteristics and sedimentary environment of thick loose layer in Huainan mining area[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2014.

[21] 楊青. 熱力耦合作用下凍結(jié)壁溫度場(chǎng)與凍脹力分布規(guī)律研究[D]. 淮南：安徽理工大學(xué)，2015. YANG Qing. Research on distribution of the temperature field and heaving force in the frozen wall based on thermal-mechanics coupling effect[D]. Huainan：Anhui University of Science and Technology，2015.

[22] 殷宗澤. 土工原理[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2007. YIN Zongze. Geotechnical principles[M]. Beijing：China Water Power Press，2007.

Freezing temperature field characteristics of multi-loop pipers under different working conditions at the interface of deep thick sand and clay

YANG Qing1,3, RONG Chuanxin2,3, LI Mingjing2, YANG Guobing4

(1. School of Civil and Architecture Engineering, Chuzhou University, Chuzhou 239000, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China; 3. Engineering Research Center of the Ministry of Education on Underground Mining Engineering of Anhui University of Technology, Huainan 232001, China; 4. Anhui Chuzhou Technician College, Chuzhou 239000, China)

The design scheme of multiple-loop pipe freezing wall is an effective method to solve the problem of deep freezing, In order to study the freezing temperature field characteristics of multiple-loop pipes under different working conditions at the boundary of deep thick sand and expansive clay, the XRD test results of the original cohesive soil at the boundary were taken. ANSYS numerical simulation was used to compare under the skewed and non-skewed conditions of fine sand and expansive clay. Studies have shown that: multiple-loop pipes are frozen without non-skewed, and the temperature field of the frozen wall of the fine sand layer and the expansive clay layer develops in a regular, symmetrical and orderly manner. The main freezing center ring tube, inner ring tube, middle-inner tube, middle-outer tube, the outer ring tube form an intersection process in turn. As the freezing time increases, the freezing temperature between the middle-inner ring and the middle-outer ring tube develops from a parabolic shape to a trapezoidal cooling shape, and the temperature difference decreases. The outer side of the inner and outer ring tubes is inverted. The cooling effect on the inside of the inner tube is obviously better than that on the outside of the outer tube. When skewed, the temperature field of the freezing wall is irregular in the temperature field, and the superposition of the freezing cold front is random and discrete. The formation time of the frozen wall of expansive clay is seriously lagging behind deviation and soil properties have a greater influence on the temperature of the frozen wall. The deviation has a particularly obvious effect on the expansive clay. It is more consistent with the multiple freezing pipe broken events that occurred in a mine’s freezing shaft sinking at the sand-clay boundary of the formation above -400 m. The research results can provide a reference for similar deep mine frozen construction.

expansive clay; sand-clay boundary; freezing wall temperature field; multiple-loop tube frozen; freezing of freezing pipe; frozen wall features

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TU443

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.030

1001-1986(2020)06-0224-09

2020-08-24；

2020-11-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374010，51878005)；安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心2020年基金項(xiàng)目(JYBGCZX2020209)

National Natural Science Foundation of China(51374010，51878005)；Engineering Research Center of the Ministry of Education of Anhui University of Science and Technology in 2020(JYBGCZX2020209)

楊青，1990年生，女，安徽滁州人，碩士，講師，從事土木地下工程及凍土力學(xué)研究. E-mail：1302511392@qq.com

榮傳新，1968年生，男，安徽六安人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事巖土與地下結(jié)構(gòu)工程等方面的研究工作. E-mail：chxrong@aust.edu.cn

楊青，榮傳新，黎明鏡，等. 深厚砂黏分界處不同工況下多圈管凍結(jié)溫度場(chǎng)特性[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：224–232.

YANG Qing，RONG Chuanxin，LI Mingjing，et al. Freezing temperature field characteristics of multi-loop pipers under different working conditions at the interface of deep thick sand and clay[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：224–232.

(責(zé)任編輯 周建軍)