臨渙煤礦中央風(fēng)井凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算分析

周為軍 吳 洋 榮傳新 王 彬

(1.淮北礦業(yè)集團(tuán) 臨渙煤礦,安徽 淮北 235136;2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 引言

自1955年我國(guó)成功將凍結(jié)鑿井法應(yīng)用于開(kāi)灤林西礦風(fēng)井施工以來(lái),該工法已經(jīng)逐漸發(fā)展成為穿越厚松散地層立井,以及富含水地層地下工程施工的主要工法之一[1-5]。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者圍繞人工凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法及應(yīng)用展開(kāi)了一系列研究,在雙圈以及多圈孔凍結(jié)溫度場(chǎng)變化規(guī)律[6-11]、地下水對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律等方面[12-18],取得了大量研究成果。本文針對(duì)在凍結(jié)工程中凍結(jié)溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)的工程問(wèn)題,基于臨渙礦中央井凍結(jié)方案,結(jié)合測(cè)溫孔數(shù)據(jù),利用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)各層位凍結(jié)壁交圈時(shí)間及不同月進(jìn)尺條件下凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,為現(xiàn)場(chǎng)凍結(jié)工程中凍結(jié)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整和井筒掘進(jìn)施工提供參考依據(jù)。

1 工程背景

1.1 礦井概況

臨渙煤礦位于淮北礦區(qū)臨渙區(qū)北部,行政區(qū)劃隸屬濉溪縣韓村鎮(zhèn),北距淮北市40 km,東距宿州市30 km。臨渙煤礦新建中央風(fēng)井井筒全深為667.7 m,井筒凈直徑為6.5 m。

1.2 地層特點(diǎn)

井筒穿過(guò)新生界松散層厚度較大,粘土層所占比例高(74.0%),膨脹量大,特別是新近系下部粘土層及鈣質(zhì)粘土,半固結(jié)狀為主,局部遇水易崩解松散。深部粘土及含鈣粘土凍結(jié)溫度較低,凍結(jié)速度緩慢,凍結(jié)強(qiáng)度小。

1.3 凍結(jié)方案

為保證井筒凍結(jié)帷幕厚度和強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)井筒順利、安全提前開(kāi)挖,并保證井筒連續(xù)掘進(jìn)施工,臨渙中央風(fēng)井設(shè)計(jì)采用主排孔(單排差異)+輔助孔(雙排插花)的凍結(jié)方式,其中主凍結(jié)孔按差異凍結(jié)方式布置,輔助孔采用梅花狀布置。臨渙煤礦新建中央風(fēng)井凍結(jié)孔平面布置如圖1所示,凍結(jié)參數(shù)如表1所示。

表1 凍結(jié)設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 臨渙煤礦中央風(fēng)井凍結(jié)孔平面布置

2 計(jì)算理論與計(jì)算模型

采用COMSOL Multiphysics有限元數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)臨渙煤礦中央風(fēng)井的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,計(jì)算分析凍結(jié)壁平均溫度和厚度、溫度場(chǎng)分布、開(kāi)挖井幫溫度等指標(biāo)。這些指標(biāo)對(duì)更好地控制開(kāi)挖進(jìn)度、鹽水溫度、分析施工中碰到的問(wèn)題都起著指導(dǎo)作用。

2.1 計(jì)算理論

人工地層凍結(jié)是一個(gè)邊界條件復(fù)雜的不穩(wěn)定導(dǎo)熱問(wèn)題,其凍結(jié)溫度場(chǎng)的求解需要考慮相變、移動(dòng)邊界、內(nèi)熱源等因素。由于凍結(jié)壁在水平方向的尺寸遠(yuǎn)小于豎直方向的尺寸,同時(shí),在凍結(jié)過(guò)程中豎向的熱傳導(dǎo)也十分微弱。因此,在分析凍結(jié)壁溫度場(chǎng)時(shí),通常將其簡(jiǎn)化為平面的問(wèn)題進(jìn)行求解。由熱物理學(xué)和凍土學(xué)理論,得出立井凍結(jié)溫度場(chǎng)的控制微分方程為[16]:

式中:T n為凍結(jié)溫度場(chǎng)中任一點(diǎn)的溫度,℃;t表示凍結(jié)時(shí)間,d;r為凍結(jié)區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)與井筒圓心的距離,m;a n是導(dǎo)溫系數(shù),a n=λn/ρnc n,m2/s;λn為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);ρn為密度,g/cm3;c n為比熱容,J/(g·K);n表示土體的狀態(tài),n=1表示未凍土,n=2表示凍土。

在凍結(jié)開(kāi)始前,地層溫度的初始條件為[16]:

式中:T0為土層的初始溫度,℃。

在凍結(jié)過(guò)程中,凍結(jié)管壁與周圍土層的邊界滿足Dirichlet 邊界條件,其邊界條件的表達(dá)式為[16]:

式中:T c(t)為凍結(jié)管內(nèi)的鹽水溫度,℃。

距離凍結(jié)區(qū)域無(wú)窮遠(yuǎn)處的邊界滿足Dirichlet邊界條件,其邊界條件的表達(dá)式為[16]:

2.2 土層熱物理參數(shù)

對(duì)臨渙煤礦中央風(fēng)井所處地層進(jìn)行取土,并對(duì)土樣進(jìn)行熱物理特性測(cè)試,得出不同深度處土層的熱物理參數(shù)如表2所示。土層的熱物理參數(shù)為數(shù)值計(jì)算模型提供了建?；A(chǔ)參數(shù)。

表2 臨渙煤礦中央風(fēng)井所處地層熱物理參數(shù)

2.3 計(jì)算模型

根據(jù)臨渙煤礦中央風(fēng)井凍結(jié)孔的實(shí)際成孔位置,結(jié)合所處地層的熱物理參數(shù)(如表2所示),分別構(gòu)建了凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型(如圖2 所示)。

圖2 凍結(jié)溫度場(chǎng)計(jì)算模型

2.4 數(shù)值計(jì)算模型可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的合理性,將各個(gè)層位的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與測(cè)溫孔的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖3所示。

圖3 測(cè)溫點(diǎn)溫度數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)將數(shù)值計(jì)算與測(cè)溫孔的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的吻合度較高,說(shuō)明數(shù)值計(jì)算模型合理、可靠,選取的計(jì)算參數(shù)準(zhǔn)確,基于構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程凍結(jié)溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)分析。

3 凍結(jié)溫度場(chǎng)計(jì)算分析

3.1 凍結(jié)壁交圈時(shí)間預(yù)測(cè)分析

凍結(jié)壁交圈意味著單根凍結(jié)管形成的凍結(jié)柱狀體已經(jīng)連接到一起,凍結(jié)壁已經(jīng)具備初步的防水功能,因此,凍結(jié)壁的交圈時(shí)間是凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展過(guò)程中的重要參數(shù),通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)不同層位凍結(jié)壁的交圈時(shí)間進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析,預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4以及表3所示。

表3 不同層位凍結(jié)壁交圈時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖4 不同層位凍結(jié)壁交圈時(shí)刻溫度分布

通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)不同層位凍結(jié)壁的交圈時(shí)間進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析,結(jié)果表明:臨渙煤礦中央風(fēng)井不同層位凍結(jié)壁的交圈時(shí)間介于31～48 d之間,其中-65 m 細(xì)砂層位凍結(jié)壁的交圈時(shí)間最短,僅為31 d,-215 m 黏土層凍結(jié)壁的交圈時(shí)間最長(zhǎng),達(dá)到48 d。由此可見(jiàn),粘土層的凍結(jié)壁交圈時(shí)間明顯大于砂層凍結(jié)壁的交圈時(shí)間。

3.2 開(kāi)挖進(jìn)度對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)影響規(guī)律分析

開(kāi)挖過(guò)程的熱擾動(dòng)會(huì)對(duì)凍結(jié)壁的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響,因此,需要對(duì)開(kāi)挖的速度進(jìn)行控制,既要滿足工期的要求,也要保證整個(gè)施工過(guò)程的安全性。

根據(jù)凍結(jié)孔實(shí)際成孔位置,結(jié)合檢查孔地質(zhì)報(bào)告、凍土實(shí)驗(yàn)報(bào)告、以及凍結(jié)壁的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù),采用有限元數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)不同開(kāi)挖速度條件下凍結(jié)壁的發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果如圖5 以及表4所示。

表4 不同月進(jìn)尺條件下凍結(jié)壁發(fā)展情況預(yù)測(cè)

圖5 不同月進(jìn)尺條件下部分層位凍結(jié)溫度場(chǎng)分布

結(jié)果表明:按照85 m/月或100 m/月的速度掘進(jìn)時(shí),當(dāng)開(kāi)挖至各個(gè)層位時(shí),凍結(jié)壁均已交圈,且平均溫度均低于-17 ℃,滿足設(shè)計(jì)要求。因此,為了提高施工效率可以將掘進(jìn)速度提升至100 m/月。

4 結(jié)論

根據(jù)臨渙煤礦中央風(fēng)井不同層位凍結(jié)壁數(shù)值模擬結(jié)果表明:

(1)臨渙煤礦中央風(fēng)井不同層位凍結(jié)壁的交圈時(shí)間介于31～48 d之間,其中-65 m 細(xì)砂層位凍結(jié)壁的交圈時(shí)間最短,僅為31 d,-215 m 黏土層凍結(jié)壁的交圈時(shí)間最長(zhǎng),達(dá)到48 d。

(2)按照85 m/月或100 m/月的速度掘進(jìn)時(shí),當(dāng)開(kāi)挖至各個(gè)層位時(shí),凍結(jié)壁均已交圈,且平均溫度均低于-17 ℃,滿足設(shè)計(jì)要求。因此,為了提高施工效率,可以將掘進(jìn)速度提升至100 m/月。