口孜东矿井壁浇筑温度场研究

陈红蕾

随着我国浅部煤炭资源的枯竭,新建矿井深度逐渐增大,穿越的冲积层厚度越来越大。地压变大必然导致井壁厚度增大。外层井壁属于大体积混凝土,浇筑后产生的水化热与冻结壁的温度场相互影响[1,2]:一方面,随着混凝土水化热的释放,为混凝土的强度增长提供了正温养护条件的同时,也会透过泡沫板向冻结壁内传递,导致壁后冻土的局部升温和融化。另一方面,在混凝土水化热后期,冻结壁冷量的传导逐渐占主导地位,不仅容易导致井壁内外较大温差,诱发温度裂缝,而且对井壁混凝土的后期强度增长造成影响。

以口孜东矿主井为原型,根据设计参数分析 560m深度冻结壁在井壁水化热作用下的温度变化及影响因素关系(见表 1)。

表1 井筒主要技术特征表 m

1 数值模拟

假设冻结管圈径上温度为同一温度面。井壁温度场与冻结壁温度场相互影响的因素主要有[2]:入模温度、井壁厚度、井内环境、井内风速及井帮温度等。井内风速取 0 m/s,0.5 m/s, 1m/s三种情况,空气温度取 0℃一种情况,井帮温度取 -10℃, -15℃,-20℃三种情况。视混凝土井壁光滑,表面散热系数见表2。

表2 井内环境下井壁表面散热系数

2 井壁及壁后冻土温度场数值模拟

2.1 模型建立

外层井壁内边界R1=5 m,外半径R2=6.2 m;泡沫板厚度0.075m,内半径R2=6.2m,外半径R3=6.275m;冻结壁井帮内边界R3=6.275m,外边界为冻结管圈径,R4=9.1m;原始地温按实测取 24℃,建立平面温度场模型见图 1。

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 外壁温度峰值影响因素

外壁浇筑后,温度上升迅速,在浇筑后 1.6 d～1.8 d温度即达到峰值[3]。峰值在 65.38℃～74.09℃之间,从图 2中可以看出:当风速为0m/s、入模温度为25℃时峰值最大;当风速为0.5m/s、入模温度为 15℃时峰值最小。

在数值模拟结果中,由井筒风速、井帮温度与入模温度三个因素进行比较分析可以看出:井帮温度由-20℃升高到-10℃,井壁温度峰值仅升高 0.3℃左右,而井筒风速从 0m/s增加到0.5m/s时,井壁温度峰值升高 1.5℃左右;入模温度由 15℃升高到 25℃,井壁温度峰值升高 7℃左右。

2.2.2 冻结壁温度变化规律

1)冻结壁融化范围变化规律。外层井壁的浇筑引起冻结壁内缘的融化,融化时间较长,为 8 d～12 d,从图 3可见融化范围为343mm～525mm。而后冻结器向冻结壁传递冷量占主导,冻结壁开始回冻,浇筑后 17.1 d～26.1 d回冻完成,冻结井壁外缘开始出现负温。

从最大融化范围的影响因素(入模温度、井筒风速与井帮温度)对比分析可以得知:井筒风速从0m/s增加到0.5m/s时,最大融化范围减小17mm;井帮温度由-20℃升高到-10℃,最大融化范围增加 70mm左右;入模温度由 15℃升高到 25℃,最大融化范围增加70mm左右。

2)冻结壁回冻时间。从图 4分析可知:在井帮温度为-20℃～-10℃范围时,井帮温度与冻结壁的回冻时间近似呈线性关系。当井帮温度较低时(-20℃),入模温度由 15℃升高到 25℃,冻结壁的回冻时间最长仅晚 0.8 d。但随着井帮温度的升高,当井帮温度为 -10℃,入模温度由 15℃升高到 25℃,冻结壁的回冻时间晚3.5 d。

2.2.3 施工现场温度场预测

根据口孜东主井冻结方案,控制层位深度为 568.45m,冻结壁设计厚度为11.5m,设计冻结壁平均温度为-16℃～-18℃。根据冻结器到井帮的距离,实际施工到 560m深度时,井帮温度预计在 -10℃～-15℃之间。混凝土的入模温度一般在 20℃左右,井内风速一般在0m/s～0.5m/s之间。基于上述设计条件,与模拟冻结壁温度场进行比照,得出:当井壁浇筑后 1.7 d～ 1.8 d后,井壁温度出现峰值,其值在 68.90℃～70.63℃之间,井壁外表面出现负温的时间是在浇筑后 19.5 d～24.6 d,而井壁内表面出现负温的时间是在浇筑后 27.58 d～29.4 d。冻结壁浇筑后9 d～10.5 d出现最大融化范围,其融化范围最大值为 449mm～525mm。

3 结语

1)外壁浇筑后产生大量的水化热,水化热传递不及时造成外壁温度升高并形成峰值。通过数值模拟得出:外壁温度峰值受井内风速、入模温度影响明显,井帮温度对外壁温度峰值影响较小。2)冻结壁在外壁水化热作用下温度升高产生融化,随外壁水化热的散失,冻结壁又产生回冻。井帮温度较低时,入模温度对回冻时间影响较小,随着井帮温度的升高,入模温度对井壁回冻时间影响加剧。3)根据口孜东主井冻结方案及数值模拟结果,推测出井筒掘砌到控制层位时的温度场变化,指导现场施工。

[1] 陈红蕾.深厚冲积层冻结壁与井壁相互作用研究[D].北京:煤炭科学研究总院硕士论文,2009.

[2] 高 伟.赵固矿区冻结井壁温度场及壁后冻土冻融规律研究[D].北京:煤炭科学研究总院硕士论文,2008.

[3] 王衍森,黄家会.特厚冲积层中冻结井外壁温度实测研究[J].中国矿业大学学报,2006(4):468-472.