基于凍結(jié)壁凍融過程中溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬分析

方 浩，王曉健

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南 232001)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，在煤礦開采過程中，逐漸由淺部地層向深部地層開采[1-2]，傳統(tǒng)的立井井筒施工方法難度逐漸加大，因此開鑿井筒需要特殊的施工方法，凍結(jié)法施工適用于各種地層[3-6]，且防水、隔水性能好，因此被廣范應(yīng)用。凍結(jié)法鑿井是在井筒未開鑿之前[7]，利用人工方法通過鹽水循環(huán)攜帶的冷量，將周圍的含水土層或巖層迅速降溫凍結(jié)，形成一圈凍結(jié)帷幕，從而進(jìn)行井筒開挖工作[8-9]。

本文以錢營(yíng)孜礦新副井為工程背景，通過有限元軟件模擬分析凍結(jié)和融化過程中的規(guī)律及注漿時(shí)間的確定[10-12]，能夠更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，研究結(jié)果對(duì)類似工程具有參考意義。

1 工程概況

根據(jù)錢營(yíng)孜煤礦改建及二水平延深工程建設(shè)需要，擬在本礦井工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)增設(shè)1個(gè)新副井立井井筒，位于礦井中央風(fēng)井西南約170m。該新建井筒工程具有井筒深、直徑大，井壁受力條件復(fù)雜特點(diǎn)，井筒上部要穿越?jīng)_積層223.2m，凍結(jié)深度為325m。

新副井采用“上凍下注”施工方式，凍結(jié)、地面預(yù)注漿、井筒掘砌“三同時(shí)”施工方案。井筒主要技術(shù)特征如表1所示。

表1 井筒主要技術(shù)特征表

2 凍結(jié)及監(jiān)測(cè)方案

2.1 凍結(jié)孔的布置

為保證井筒凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)井筒提前開挖，并保證井筒連續(xù)掘進(jìn)施工，借鑒錢營(yíng)孜主井、風(fēng)井、西風(fēng)井凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)及周邊地區(qū)已建和在建同類工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行凍結(jié)設(shè)計(jì)優(yōu)化，增加防片幫孔。新副井采用主排孔+輔助孔+防片孔凍結(jié)方案，輔助孔與防片孔布置圈徑距離較近，采用插花布置，根據(jù)凍結(jié)設(shè)計(jì)思路，結(jié)合凍結(jié)壁厚度、掘進(jìn)荒直徑的變化、開挖速度的要求及凍結(jié)方式，綜合確定凍結(jié)孔的圓直徑和孔間距的大小。

主排孔采用差異凍結(jié)方式布置，選用Φ133mm凍結(jié)管。其中深孔深325m，淺孔深276m，穿過風(fēng)化帶，為了保證凍結(jié)壁有效厚度和凍結(jié)壁平均溫度滿足設(shè)計(jì)要求。輔助孔采用雙圈孔梅花狀布置，選用Φ140mm大直徑凍結(jié)管。凍結(jié)深度227m，穿過表土層，進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化帶，強(qiáng)化深部黏土層凍結(jié)，增加了凍結(jié)壁穩(wěn)定性的作用。防片孔選用Φ140mm大直徑凍結(jié)管。凍結(jié)深度68m，保證上部地層開挖不片幫，加強(qiáng)上部含水層凍結(jié)。凍結(jié)孔布置參數(shù)如表2所示。

表2 凍結(jié)孔布置參數(shù)表

為了更加了解凍結(jié)溫度場(chǎng)演變，錢營(yíng)孜礦新副井在深度78m的地方布置1個(gè)測(cè)溫孔C3，在深度325m的地方布置2個(gè)測(cè)溫孔C1和C2，凍結(jié)壁外側(cè)水流上下游各布置一個(gè)，凍結(jié)壁與井壁之間布置一個(gè)，測(cè)溫孔均布置在相鄰凍結(jié)孔界面上。測(cè)溫孔里面安放的測(cè)溫管采用Φ133×5mm的20#低碳無縫鋼管，內(nèi)管采用箍焊接連接方式，焊接的質(zhì)量和凍結(jié)孔一樣，測(cè)溫管的要求為不能滲漏水。

分別在深度28m的砂質(zhì)黏土層和113m的砂巖盤層各設(shè)計(jì)布置一個(gè)水文孔，記為S1和S2。測(cè)溫孔和水文孔布置參數(shù)如表3所示，凍結(jié)孔平面布置如圖1所示。

圖1 凍結(jié)孔平面布置圖

表3 測(cè)溫孔、水文孔布置參數(shù)表

由圖1可以看出，最外圈半徑為7.3m的38個(gè)凍結(jié)孔為主排孔1和主排孔2，最內(nèi)圈半徑為5.1m的16個(gè)凍結(jié)孔為防片孔，中間部分半徑為5.35m和半徑為5.6m的16個(gè)凍結(jié)孔為輔助孔1和輔助孔2。

2.2 凍結(jié)壁厚度的確定

凍結(jié)壁厚度根據(jù)《煤礦凍結(jié)法鑿井技術(shù)規(guī)程》中的強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，如式(1)所示。

(1)

式(1)中：E為凍結(jié)壁的厚度，m；k為安全系數(shù)，取1.1；ξ為固定系數(shù)，取0.3；P為地壓，MPa；地壓值P=0.013H，H為地層的深度；h為掘砌段高，取3.8m；σ為凍土單軸抗壓強(qiáng)度，根據(jù)新副井井檢孔凍土試驗(yàn)報(bào)告，由插值法計(jì)算為3.36MPa，根據(jù)式(1)計(jì)算得出223.2m砂質(zhì)黏土層位處的凍結(jié)壁厚度為4.37m。

3 凍結(jié)溫度場(chǎng)模型及參數(shù)確定

3.1 凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值模型的建立

錢營(yíng)孜煤礦新副井設(shè)計(jì)凈直徑為6.5m，設(shè)計(jì)最大開挖荒徑為8.7m，利用有限元軟件建立的模型假設(shè)以井筒中心為圓心，半徑為50m的圓。選擇深度為223.2m的砂質(zhì)黏土層進(jìn)行數(shù)值模擬分析，按照平面問題來進(jìn)行計(jì)算，凍結(jié)孔布置在幾何圓周上，模型采用平面三角形進(jìn)行劃分，數(shù)值模型共劃分了7474個(gè)網(wǎng)格單元和4028個(gè)節(jié)點(diǎn)，溫度場(chǎng)模型劃分單元如圖2所示。

圖2 凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型

由圖2可以看出，越靠近井筒中心的地方網(wǎng)格越密，越遠(yuǎn)離井筒中心的地方，單元?jiǎng)澐志拖鄬?duì)越稀疏。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分可以讓一個(gè)復(fù)雜的模型分成若干簡(jiǎn)單的模型，這些簡(jiǎn)單的個(gè)體之間又相互聯(lián)系，相互約束，構(gòu)成整個(gè)結(jié)構(gòu)，求解這些簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，就能得到整體的變化趨勢(shì)，網(wǎng)格越細(xì)致整齊，對(duì)模型計(jì)算的結(jié)果就越精確。

3.2 邊界條件及熱物理參數(shù)

在數(shù)值模型中，假設(shè)所建模型外邊緣與外界絕熱，沒有熱交換的形式進(jìn)行傳熱，模型邊界設(shè)置的溫度為各層土的地溫，經(jīng)測(cè)定累深223.2m砂質(zhì)黏土層的初始地溫為23.6℃，積極凍結(jié)期鹽水去路溫度為-30℃～-28℃，通過對(duì)新副井檢查孔所取的土體做土工和凍土試驗(yàn)得到的熱物理參數(shù)如表4所示。

表4 土體的熱物理參數(shù)

4 凍結(jié)壁凍融過程溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析

4.1 凍結(jié)過程溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析

經(jīng)測(cè)定100m以下的淺部地層凍結(jié)溫度為-2.11℃，繪制出223.2m砂質(zhì)黏土層位凍結(jié)壁交圈云圖如圖3所示，-2.11℃等值線圖如圖4所示。

圖3 凍結(jié)40d溫度場(chǎng)云圖

圖4 凍結(jié)40d等值線圖

隨著凍結(jié)的進(jìn)行，由圖3可以看出，越靠近凍結(jié)管的地方溫度越低，由圖4可以看出，當(dāng)凍結(jié)40d時(shí)，累深223.2m砂質(zhì)黏土層位開始交圈，凍結(jié)管周圍的土體形成一個(gè)密封的整體。凍結(jié)壁開始交圈到水文孔冒水，還需經(jīng)歷凍脹擠壓冒水整個(gè)復(fù)雜的過程，與凍結(jié)壁厚度、溫度、土體含水率均有關(guān)系，一般凍結(jié)圈孔交圈后，約需10d～15d的擠壓冒水時(shí)間。根據(jù)數(shù)值模擬可以得出-25.95m細(xì)砂層位、-50.2m細(xì)砂層位、-76.7m黏土層位、-105.05m砂質(zhì)黏土層位、-123.7m細(xì)砂層位、-155.9m黏土層位、-168.75m砂質(zhì)黏土層位、-196.55m黏土層位、-223.2m砂質(zhì)黏土層位交圈時(shí)間如表5所示。

表5 各個(gè)層位模擬的凍結(jié)壁交圈時(shí)間

由表5的累深25.95m細(xì)砂層位和50.2m細(xì)砂層位交圈模擬時(shí)間分析可以得出，水文孔S1交圈溢水時(shí)間約為25±5d。根據(jù)礦上每天實(shí)測(cè)記錄的數(shù)據(jù)，由工程實(shí)測(cè)知實(shí)際凍結(jié)了26d水文孔S1開始溢水，與數(shù)值模擬結(jié)果相符。由累深105.05m砂質(zhì)黏土層位和123.70m細(xì)砂層位交圈模擬時(shí)間分析可以得出，水文孔S2交圈溢水時(shí)間約為33±5d；由工程實(shí)測(cè)知實(shí)際凍結(jié)了37d水文孔S2開始溢水，與數(shù)值模擬結(jié)果相符。由累深223.20m砂質(zhì)黏土層位分析可知表土段交圈形成整體凍結(jié)帷幕的時(shí)間約為40±7d。

按凍結(jié)47d后井筒開始正式開挖，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)可知當(dāng)實(shí)際開挖到223.2m砂質(zhì)黏土層位時(shí)凍結(jié)了109d，為了更加精確計(jì)算在凍結(jié)過程中凍結(jié)壁的平均溫度和有效厚度，在模型上設(shè)置8條路徑，路徑分別為從井心延伸到凍結(jié)壁外緣，路徑圖如圖5所示，分別計(jì)算8條路徑上凍結(jié)壁的厚度和凍結(jié)壁溫度，計(jì)算出開挖到223.2m砂質(zhì)黏土層位時(shí)凍結(jié)壁平均溫度和凍結(jié)壁有效厚度分別為-14.58℃和5.00m，凍結(jié)壁平均溫度滿足控制層位設(shè)計(jì)的要求，有效厚度滿足公式(1)的要求。

圖5 模型路徑分布圖

由圖5可以看出，在模型上設(shè)置了8條對(duì)稱路徑，有利于我們精確計(jì)算在凍結(jié)過程中凍結(jié)壁的平均溫度和有效厚度。

為了更好的分析在凍結(jié)過程中凍結(jié)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，通過有限元軟件模擬出凍結(jié)109d的C1測(cè)溫孔溫度結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖6所示，C2測(cè)溫孔溫度結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖6 C1測(cè)溫孔溫度與凍結(jié)時(shí)間的關(guān)系

圖7 C2測(cè)溫孔溫度與凍結(jié)時(shí)間的關(guān)系

由圖6和圖7可以看出，在凍結(jié)的前109d內(nèi)，兩個(gè)測(cè)溫孔數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)值吻合度較好，說明可以通過數(shù)值模擬軟件來模擬凍結(jié)溫度場(chǎng)的變化。

4.2 凍結(jié)壁融化規(guī)律及注漿時(shí)機(jī)分析

對(duì)錢營(yíng)孜礦新副井凍結(jié)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，立井井筒的凍結(jié)過程對(duì)井筒建設(shè)十分重要，是建井成功與否的關(guān)鍵所在，而井筒凍結(jié)結(jié)束并且井壁砌筑完成后，井筒周圍的土體就進(jìn)入了解凍時(shí)期，凍結(jié)壁將會(huì)逐漸融化，沒有了凍結(jié)壁的保護(hù)，井壁將會(huì)受到水土壓力的作用，所以對(duì)凍結(jié)壁融化時(shí)溫度場(chǎng)分析同樣重要，根據(jù)數(shù)值模擬得出-25.95m細(xì)砂層位、-50.2m細(xì)砂層位、-76.7m黏土層位、-105.05m砂質(zhì)黏土層位、-123.7m細(xì)砂層位、-155.9m黏土層位、-168.75m砂質(zhì)黏土層位、-196.55m黏土層位、-223.2m砂質(zhì)黏土層位共9個(gè)層位在凍結(jié)100d、150d、200d、250d、300d時(shí)的凍結(jié)壁平均厚度與融化時(shí)間關(guān)系如圖8所示，凍結(jié)壁平均溫度與融化時(shí)間關(guān)系如圖9所示。

圖8 凍結(jié)壁平均厚度與融化時(shí)間的關(guān)系

圖9 凍結(jié)壁平均溫度與融化時(shí)間的關(guān)系

從圖8和圖9可以看出，停止凍結(jié)后，錢營(yíng)孜礦新副井的井幫溫度和井筒周圍的土體溫度逐漸上升，總體的規(guī)律為下部先解凍，上部后解凍，砂層先解凍，粘土層后解凍，綜合各層位的凍結(jié)時(shí)間，得到錢營(yíng)孜礦新副井的壁間注漿時(shí)間約為停凍后的260d～340d。通過有限元軟件對(duì)錢營(yíng)孜礦新副井凍結(jié)法施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究得到了新副井凍結(jié)壁的發(fā)展規(guī)律，為新副井井筒掘砌過程和壁間注漿提供了技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)了井筒安全高效建成。

5 結(jié)論

(1)錢營(yíng)孜礦新副井在凍結(jié)過程中，通過數(shù)值模擬的測(cè)溫孔溫度與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較小，驗(yàn)證了有限元軟件模擬凍結(jié)溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確性，可以通過有限元軟件來預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)凍結(jié)壁的發(fā)展?fàn)顩r。

(2)預(yù)測(cè)新副井表土段凍結(jié)壁交圈形成整體凍結(jié)帷幕的時(shí)間為40±7d，與實(shí)際水文孔記錄和表土段開挖結(jié)果相吻合，錢營(yíng)孜礦新副井在凍結(jié)47d后按照平均速度110m/月左右掘進(jìn)。經(jīng)數(shù)值計(jì)算后得到井筒開挖至控制層位時(shí)的凍結(jié)壁平均厚度、平均溫度均滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)在停止凍結(jié)融化階段，錢營(yíng)孜礦新副井的井幫溫度和井筒周圍的土體溫度逐漸上升，總體的規(guī)律為下部先解凍，上部后解凍，砂層先解凍，粘土層后解凍，綜合各層位的凍結(jié)時(shí)間，得到錢營(yíng)孜礦新副井的壁間注漿時(shí)間約為停凍后的260d～340d。