基于冻结器内纵向测温的冻结壁薄弱点精准定位技术

2020-12-22周晓敏刘书杰张立刚

煤炭工程 2020年12期

吴涛，周晓敏，刘书杰，2，张立刚

(1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；2.煤炭科学研究总院建井研究分院，北京 100013；3.中煤邯郸特殊凿井有限公司，河北邯郸 056003)

人工地层冻结法是通过人工制冷技术将土中水分冻结成冰，形成一种坚固的、封闭的临时性冻结帷幕。作为一种地层改良的特殊工法，冻结法已广泛应用于矿井建设、隧道开挖和市政工程中。但在复杂的富含水地质条件中，极易发生地下水冲刷影响冻结壁正常交圈的事故[1-3]。温度场计算是获取冻结壁状态的前提，也是冻结法在设计、施工和安全保障的重要依据。自20世纪中期以来，世界各国学者通过大量现场实测，在冻结温度场的理论计算方面取得了重大的研究成果。Trupak首先提出冻结壁温度场的计算方法，得到了单排冻结管直线排列条件下冻结壁温度场的解析解公式。但该公式没有考虑相邻冻结管的相互作用，所得结果与实验数据有很大不同[4]。Bakholdin认为两个相邻冻土柱交合后的边界很快由波浪形转变为平坦形，他运用热力和水力问题的相似原理得到了直线单排管冻结壁温度场的解析解，并验证了其准确性[5]。Sanger和Sayles推导出单排管冻结壁温度场的简化公式，但该公式在实际运用中存在一定的偏差[6]。Tobe和Akimoto给出了多排管直线形冻结温度场的解析解[7]。胡向东基于热势的叠加，推导出三排管道冻结的稳态温度场解析解[8]。周晓敏研究了渗流场和温度场的耦合计算与相似模型试验，直观地揭示了在水流作用下冻结壁发展的确定性规律[9，10]。汪仁和等通过在谢桥矿箕斗井实测冻结壁温度场数据得到水化热对冻结壁内部温度影响规律[11]。文献[12-15]利用有限元软件模拟冻结法施工过程，对冻结壁厚度设计起到较好的指导作用。

以往研究需设置2～4个测温孔分布于冻结器布置圈径的内外两侧，根据测温孔内各监测点的温度发展来计算冻结壁厚度[16]。因为测温孔的设置数量较少，其数据仅反映了局部冻结的情况，还达不到整体掌握冻结壁发育的技术要求，对于监控盲区就很难用测温孔的数据来判断。近些年来，冻结器纵向温度检测成为判断冻结壁异常状况的主要方法[17，18]，本文则通过研究冻结器内纵向温度监控温度场的基本原理[19]，借助Maple数学软件对东庞矿西庞风井的所有冻结器实测温度进行了计算分析，最后定量判断出冻结壁的发育情况，精准定位冻结壁薄弱点的位置。

1 工程概况

中国邢台市东庞矿西庞风井井筒净直径4.5m，表土层厚度136m，冻结深度为166m。风井设计冻结孔24个，布孔圈径9.556m，开孔间距1.247m；设计水文孔2个，分别报导第四系顶部卵砾石孔隙含水层(埋深22.00m)和第四系底部砂层、卵砾石孔隙含水层(埋深111.00～135.65m)，深度分别为22m和115m；测温孔3个，孔深为166m，测1孔位于地下水流上方冻结孔外侧主面上，距冻结孔布孔圈径1.3m；测2孔位于地下水流下方冻结孔外侧较大界面上，距冻结孔布孔圈径1.3m；测3孔布置于冻结孔最大孔间距处，距冻结孔布孔圈径1.3m。西庞风井冻结工程于2018年2月19日正式开机冻结，3月11日冻结20d因施工锁口下挖，挖至16m砂质黏土层停止掘进后进行三盘吊挂。4月11日冻结51d，测温孔监测数据正常(图1)，井筒试开挖；至4月15日早，井筒试挖至-41.7m细砂层时，发现沿2#深水文孔管外壁与地层环形缝隙处冒水。出水量由开始的0.9m3/h突变至5.2m3/h，水量增大，初步判断井内水为外来水。

图1 测温孔温度变化曲线

2 冻结器纵向温度检测

井筒从16m位置试挖至41.7m，检测井帮温度分析认为冻结效果理想，第四系顶部卵砾石孔隙含水层已过，可排除该层位出水。根据2#深水文孔水位从-68m位置在冻结44天开始涨出井筒并且持续冒水，说明110m以下全部交圈，各个冻结器运行正常。为了查找出水原因，对井筒全部冻结器进行纵向测温检查。冻结器内纵向测温是停止冻结器工作状态4～6h后，在冻结器内下放温度传感器进行全长或局部重点区域的温度检测，由停冻时间和盐水实测温度求得冻结圆柱半径，原理如图2所示。西庞风井部分实测数据如图3所示，首先发现7—9号，18—22号冻结孔纵向温度在50m～60m处有明显拐点，温度高出其他层位2～3℃，因此断定冻结壁不交圈可能和这几个冻结孔异常有关，但需要判断具体的冻结壁“开窗”位置还需进一步计算。

图2 冻结器纵向测温原理

图3 60m以上部分冻结器纵向测温曲线

以单根冻结器的冻土柱温度场建立理论分析，导热方程为：

式中，T为温度，℃；a为导温系数；t为时间，h；r为半径，m。

冻土柱在停冻时刻的初始温度场函数为：

T(0，r)=AF(r)+B，(r0

(2)

式(2)中A和B为可由T|r=R=0和T|r=r0=Tp确定，Tp是停冻前冻结管外壁的温度；r0为冻结管的外半径；R为冻土圆柱最大半径。

根据特殊函数理论[20]，由式(1)、式(2)可以解出在停冻时刻的冻结柱内的温度分布：

以上导出的各个公式都是复杂函数，可采用现代数学工具Maple软件[21]来编制求解程序，将公式进行图形化和数字化，以便于研究分析，如图4所示。

图4 冻结器内测点温度与时间、半径的关系

3 薄弱点位置确定

由于r0相对于冻土柱半径较小，可近似使r0→0，得到冻结器内被测点盐水温度Tr0，即：

图5 西庞风井57m位置冻结壁交圈计算

借助Maple软件，将停冻时冻结器内测点温度和停冻时间代入式(6)求得每个冻土柱的半径，57m层位冻结壁交圈情况如图5所示。由图5可知，地下水流由西北方向向东南方向冲刷冻结壁，造成18—22号和8—10号冻结壁未交圈，井筒西侧19—20号冻结孔间存在约141mm的进水口，东南侧8—9号冻结孔间存在约66mm的出水口。针对出水原因，为使冻结壁尽快交圈采取了以下积极措施：首先积极降温，盐水温度由设计-28℃降至-33℃以下，维持低温盐水冻结；其次对井筒环形沟槽18～22号和8～10号的8个冻结孔加设管道泵，增大冻结孔盐水流量；最后将20号孔附近的测1孔和8号孔附近的测2孔改造为冻结孔投入运行，加大冷量输送。通过采取以上措施，再次对冻结器进行纵向测温检查，数据显示冻结孔温度降温明显，实际挖掘过程中也印证了该理论的正确性。在井帮西侧57m位置，19—21号冻结管之间的砾石间隙有结冰现象(冰块尺寸约50mm×80mm)，如图6所示。