冻结停机后已成型井壁防冻研究

龚有常 崔建军 陈红蕾 高 伟

(1.冀中能源邢台矿业集团有限公司，河北邢台 054000;2.北京中煤矿山工程有限公司冻结研究所，北京 100013)

随着西部煤炭资源的大力开发，新疆、内蒙、宁夏等省份施工的井筒越来越多。煤矿建设中，立井开拓方式是我国煤炭开采广泛应用的方式，立井井筒担负着矿井通风、提升任务，关系到矿井的安全生产命脉。立井井筒作为整个煤矿的咽喉要道，其结构的耐久性和安全性关系整个煤矿的存亡。西部地区部分井筒根据东部地层中井筒施工经验采用普通凿井施工，遇到涌水流沙等问题无法通过后被迫转入冻结凿井施工。在冻结凿井施工中，当冻结锋面发展到井壁位置，产生冻害影响井壁质量，损伤井壁［1］，目前已引起相应重视，多采用冻结器与已成型井壁之间安设温控孔的方式避免井壁冻害。但是冻结站停止运转后，长期已形成的冻结壁化冻过程中依然对已成型井壁产生冻害，影响井筒的耐久性和安全性。

1 工程概况

塔什店矿区一号矿井设计生产能力1.20 Mt/年，服务年限60年。行政区划属新疆库尔勒市和焉耆县管辖。矿井采用立井开拓，布置主、副、风3个井筒。

副井普通法施工至345.8 m时(刚揭露第三系桃树园组)，井底开始涌水，瞬时涌水量为430 m3/h，导致淹井。鉴于副井涌水情况，风井普通法掘进到336.7 m时停止掘进，被迫转入冻结凿井施工。风井井筒深467 m，净直径5.5 m，冻结深度505 m。冻结孔布置采用大圈径布置形式，布置冻结孔32个，其圈径13.2 m，深度505 m，距离上部砌筑好的井壁最近3.0 m。并在井筒周边冻结孔内侧布置一圈温控孔，温控孔14个，深度336.7 m，布置圈径9.2 m，距离井壁最近1.0 m。

风井底部未掘砌段剩余长度140 m左右，按照综合成井90 m/月计算，掘进施工及套壁施工总工期50 d，综合积极冻结工期70 d，井筒排水和破止浆垫工期20 d，冻结总工期140 d。

2 模型建立

由于冻结壁在竖直方向的尺寸较水平方向大得多，且冻结过程中岩土在竖直方向的热传导相对较弱［2］，故塔什店一号矿井风井温度场可采用平面热传导来模拟。

以风井－340 m泥岩为原型，采用APDL语言［3］建立了参数化的二维温度场有限元模型(见图1)。计算区域的直径为39.2 m，共划分60 178个单元，单元类型为4节点的Plane55(ELEMENT IS PLANE55)。模型初始温度及外边界固定温度取地层温度23.6℃，计算模型不考虑地下水流动对冻结温度场的影响。模型参数取值见表 1，表 2。

图1 数值计算模型

表1 混凝土导热系数和比热

表2 泥岩的热物理参数试验值

首先在开启温控孔条件下(水温10℃)计算停止冻结时(开机运转140 d)的冻结温度场，温度场云图见图2，在此基础上分析。

图2 风井-340 m泥岩冻结140 d冻结温度场云图

3 井筒风速、空气温度对井壁外缘温度作用

塔什店一号井风井内风速取0 m/s，0.5 m/s两种情况，空气温度取0℃，5℃，10℃三种情况，研究冻结井筒停冻后风速、空气温度对停冻后在冻结壁温度场影响下井壁外缘温度变化影响。

井内环境下井壁表面散热系数如表3所示，不同工况下停冻后井壁外缘温度变化见图3。

图3 不同工况下停冻后井壁外缘温度变化曲线

表3 井内环境下井壁表面散热系数［4］

塔什店一号井风井施工完冻结段后，受残留的温控孔温度场、冻结壁温度场和井筒工况温度综合影响下，冻结站停机时关闭温控孔后，井壁外缘温度有短时间波动，先迅速上升，而后温度呈现下降再上升趋势。其中在风速0 m/s、空气温度0℃工况下，温度波动较大，波动温差达5℃。在风速0.5 m/s、空气温度10℃工况下，温度波动较小，波动温差1℃左右。在空气温度10℃工况下，井壁外缘温度在冻结站停机时关闭温控孔后没有出现负温，对井壁防冻害较好。

风速与空气温度比较，风速对外缘温度变化影响较小。但随着空气温度的增加，风速影响作用也逐渐增加，在空气温度0℃时，风速在0.5 m/s时比在0 m/s时温度升高0.27℃，在空气温度10℃时，风速在0.5 m/s时比在0 m/s时温度升高0.74℃。

实际施工工况条件下，井筒内表面为一热交换面。在相同温度的进气下，风速直接影响出气温度，风速大，进出风温差小，风速小，进出风温差大。因此，宜以井筒出风温度为判定基准，在井筒出风温度10℃以上，在冻结站停机时关闭温控孔不采取任何措施，也可满足井壁防冻害需要。

4 延长温控孔开启对井壁外缘温度作用

井筒施工时，环境温度直接影响井筒防冻害措施，若冬季施工，环境温度无法保证井筒出风温度在10℃以上时，必须采取其他井壁防冻害措施，例如延长温控孔开启时间。塔什店一号井风井内风速取0 m/s，0.5 m/s两种情况，空气温度取0℃，5℃两种情况，延长温控孔开启(水温10℃)时间，研究井壁外缘温度变化(见图4～图7)。

图4 风速0 m/s、空气温度0℃外缘温度变化曲线

图5 风速0 m/s、空气温度5℃外缘温度变化曲线

图6 风速0.5 m/s、空气温度0℃外缘温度变化曲线

图7 风速0.5 m/s、空气温度5℃外缘温度变化曲线

延长温控孔运转时间可消耗部分冻结壁残余冷量，延缓甚至避免井壁外缘冻害威胁。塔什店矿区一号矿风井井筒在温控孔循环水温10℃，井筒出风温度在5℃以上时，延长温控孔运转10 d可有效避免井壁冻害威胁。在井筒出风温度0℃以上时，延长温控孔运转40 d可有效避免井壁冻害威胁。

5 结语

利用有限元分析软件ANSYS模拟井壁与冻结壁温度场，分析了塔什店矿区一号矿风井冻结站停止运转后，长期已形成的冻结壁化冻过程中依然对已成型井壁产生冻害，为避免普通法施工的井壁免受冻害威胁，经分析可采取以下措施:1)在井筒出风温度10℃以上，在冻结站停机时关闭温控孔不采取任何措施，也可满足井壁防冻害需要。2)风井井筒在温控孔循环水温10℃时，在井筒出风温度5℃以上时，延长温控孔运转10 d可有效避免井壁冻害威胁;在井筒出风温度0℃以上时，延长温控孔运转40 d可有效避免井壁冻害威胁。

［1］马国庆，钱玉林.混凝土的冻害及其机理［J］.常州工学院学报，2005，28(sup)：109-112.

［2］张 涛，齐善忠.局部保温条件下单管冻结温度场研究［J］.山西建筑，2006，32(7)：137-138.

［3］张国智，胡仁喜.ANSYS10.0热力学有限元分析实例指导教程［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［4］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.