基于有限元计算的西部立井冻结调控分析

王晓健 ,詹兴泰 ,向家珍 ,张步俊 ,李召胜 ,孙港傲

(1.安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001;2.中煤第五建设有限公司 第三工程处,江苏 徐州 221140)

随着经济的快速发展和人民对提升生活水平的向往,煤炭作为国家重要的能源,各产业尤其是重工业对煤炭的需求也越来越大。为了满足对煤炭产能的需求,冻结法凿井自1955年被引进并首次在开滦林西风井中应用成功后,很快就在东部各省推广开来,因其能够很好地适应复杂地质及水文地质条件的施工,具有良好的隔水性,并且对环境的影响较小,逐渐成为通过深厚冲击层的主要特殊施工方法[1-5]。近年来,冻结法凿井在西部地区的应用也日趋成熟[6-9]。

岳丰田等[10]通过建立温度监测系统,对扎赉诺尔矿区灵东煤矿副井温度场进行实测,得到白垩系地层的冻结特征;沈科伟等[11]运用ansys有限元软件,将冻结温度场的立体导热问题转换为平面问题,建立平面冻结温度场模型,分析了西部地区不同岩层冻结温度场的发展规律,对冻结温度场进行超前预测,指导实际工程,确保施工安全;杨更社等[12]采用COMSOL Multiphysics有限元软件,同时考虑水冰相变潜热的影响,对立井温度场进行模拟分析,为煤矿冻结法凿井和井壁设计提供了思路;曾凡伟等[13]在井筒建设期间,提出冻结调控方案,将井帮温度控制在预定范围内,确保安全,同时便于施工。目前,对冻结调控尤其是西部地区冻结调控的数值分析研究较少,因此,笔者运用有限元分析软件,结合西部文家坡回风立井实际工程,分析调控机制对立井冻结温度场的影响,并给出具体的冻结调控方案。

1 工程概况

文家坡煤矿位于陕西彬长矿区东部,由中煤西安设计工程有限责任公司设计,建设规模为4.0 Mt/a。为了解决接续盘区的通风问题,设计时在文家坡矿李家沟回风立井场地布置一对进、回风立井,担负该区域内的进回风任务,并兼安全出口。

该工程采用冻结法施工,工程地质状况如表1所示。井筒从上往下依次穿过第四系、新近系、白垩系、侏罗系等地层。其中白垩系为主要地层,分为华池组、洛河组、宜君组三个组段,主要由中砾砂岩、粗粒砂岩、含砾中砂岩、含砾粗砂岩、砾岩等弱水软岩组成。

表1 井筒地层结构

2 井筒冻结方案

2.1 冻结孔、测温孔及水文孔布置

文家坡矿李家沟回风立井井筒采用主冻结孔加防片孔的冻结工艺技术,孔深647 m,其作用是加强冲积层、风化基岩冻结壁的强度和厚度,在基岩中达到封止水的目的。防片孔孔深251 m,穿过表土段并进入风化带5 m,其作用是确保冲积层、风化基岩冻结壁厚度与强度,提高冻结壁的稳定性。采用冻结法施工,能实现井筒提早开挖,防止井筒掘进时片帮。具体冻结孔布置参数见表2,冻结孔平面布置见图1。

图1 20 m 层位冻结孔平面布置

表2 冻结孔布置参数

2.2 冻结调控原则

西部矿区因为富水软岩的特殊性质,尤其在白垩系地层中,冻结应力很小,冻结壁的主要作用是封水[14],因此,在保证封水的情况下,通过调控盐水来控制井帮温度,便于掘砌施工,缩短工期,降低建井成本。在进行冻结设计时,一般会根据地层特点,选取井帮温度控制目标。文家坡矿李家沟回风立井井帮温度控制目标如表3所示[15],建立如图2所示的井帮温度调控目标。

图2 文家坡立井井帮温度设计调控目标

表3 文家坡回风立井地层井帮温度控制原则

此外,与东部冻结法凿井不同,西部地区由于特殊的地质条件,冻结壁主要起止水的作用,因此,在保证有效止水的前提下,应尽量缩减冻结壁厚度。根据前人的理论研究和实践经验[16],立井表土段和基岩段控制层位冻结壁厚度,采用无限长厚壁圆筒弹塑性理论多姆克公式计算,确定表土段控制层冻结壁厚度为4.6 m,基岩段控制层冻结壁厚度为4.0 m。

3 冻结调控数值模拟

3.1 立井冻结温度场数学模型

在工程中,井筒冻结温度场是一个空间问题,由于其垂直方向的尺寸远大于水平方向的尺寸,且在冻结过程中其垂直导热系数相对较弱,因此,可以简化为平面轴对称问题[17]。冻结壁形成的过程是一个伴随着相变、具有内部热源和移动边界的不稳定热传导问题,导热方程[18]可表示为:

式中:t n为温度分布;n为岩石状态,n取1时为融土,n取2时为冻土;τ为冻结时间,s;a n为导温系数,a n=λn/c n,m2/s;λn为导热系数,W/(m·℃);c n为容积比热,J/(m3·℃);r为圆柱坐标(以井筒中心为原点),m。

3.2 有限元模拟方案

文家坡回风立井井筒净直径为7 m,设计深度为777.5 m,冻结管外径为140 mm。为更好地了解整个井筒温度场发展情况,制定出详细的冻结调控方案,按照平面问题考虑实际冻结管偏斜,选取20 m、50 m、100 m、155 m、230 m、260 m、305 m、400 m、480 m、585 m 以及643 m 共11个层位建立有限元计算模型。为保证计算精度,外边界范围直径取60 m,从中心向外,单元划分由疏变密[19-20],其中20 m 层位有限元模型如图3所示。

图3 20 m 层位数值模拟网格划分

冻结调控一般体现在盐水温度调控与防片孔、辅助孔的关闭,体现在有限元软件上,均为温度荷载。为了分析冻结调控对立井温度场的影响,笔者将根据是否进行冻结调控,分2组进行数值运算,甲组施加调控后的荷载,乙组施加未经调控的荷载,2组在主排孔循环盐水温度上的差异如图4所示。此外,乙组防片孔在冻结92 d后继续工作,甲组关闭所有防片孔。

图4 主排孔去路盐水差异

4 冻结调控方案

4.1 调控方案

结合现场提供的运转日报与甲组模拟结果,在整个矿井冻结期采取如下的调控方案:

(1)在开冻初期增加盐水泵的运行负载,并增加盐水循环流速,以提高冻结壁的发展速率,使冻结壁性能按期满足工程设计需要,保证冻结孔盐水流量不小于15.0 m3/h。冷冻设备全部投入运行,确保盐水温度达到-28～-30 ℃的设计值。

(2)在掘砌初期,根据实测数据,并未发现扩帮。开始调控主孔和防片孔盐水流量分别为15 m3/h和12.6 m3/h,并逐步关闭防片孔,控制井帮温度。

(3)在挖掘到49.4 m 层位时(冻结71 d),根据实测数据,发现部分片帮,可能是由于时间停得较长,因混凝土水渗入造成,片帮最深位置在400 mm 左右。因此,建议继续保持盐水流量,直至片帮现象消失。

(4)在掘进至65 m 层位时(冻结74 d),根据实测数据,通过东南、南、西、西北方向的测温孔发现该层位温度较低,并且这4个方位的井帮温度已降到0 ℃以下。结合模拟数据,建议关闭部分防片孔,以控制井帮温度。

(5)掘砌至101.4 m 深的粉土层时(冻结80 d),根据实测数据,已基本没有片帮部分。因此,建议调控盐水流量至13.5 m3/h(主排孔)和11.5 m3/h(防片孔),并继续关闭防片孔,在未降至0℃的方位,防片孔可视情况采用半开半闭方式运行。

(6)在掘砌至137.4 m 时(冻结86 d)发现各方位基本已降至0 ℃以下,根据155 m 层位冻结86 d的模拟结果,预测井帮温度会持续降低。结合实测数据,建议降低防片孔的盐水流量,继续关闭部分防片孔。

(7)在掘砌至155 m 深的粉质粘土层时(冻结92 d),各方位井帮温度已全部降至0 ℃以下,并且预测在掘砌至粉质粘土层时,井帮温度会大幅降低。建议关闭全部防片孔,提高去路盐水温度 至-25 ℃～-28 ℃。

(8)在掘砌至288.8 m 深砾岩层位时(冻结137 d),井帮平均温度为-5 ℃,温度过低。考虑到冻结成本和便于掘进,结合实测数据,调整去路盐水温度至-25 ℃,后续井帮温度提升至-1.5℃,在确保冻结壁平均温度和强度满足设计要求的情况下,有利于掘进施工。

(9)在掘砌至431.5 m 深砾岩层位时(冻结173 d),由于开挖荒径扩大至10.3 m,测量后发现井帮温度突然降低至-5.2 ℃。再次调整盐水温度,将去路盐水温度调至-22.4 ℃。

图5为开挖至各个层位时的实际井帮温度曲线。从图5可以看出,在100～400 m 层位,井帮温度基本在-5～0 ℃范围内;在400 m 以下层位,井帮温度在-5～-10 ℃范围内。取特定层位的井帮温度绘制成对比曲线如图6所示。可以看出,实测数据与调控目标数据误差很小,符合施工设计的要求,说明调控方案十分有效。

图5 实测井帮温度变化曲线

图6 井帮温度设计调控目标与实测对比

4.2 调控对井帮温度的影响

通过软件的后处理系统,分别调取甲组与乙组的井帮温度,分析冻结调控对开挖时井帮温度的影响,图7为开挖至各个层位时井帮温度对比曲线。

图7 各层位井帮温度模拟对比曲线

由图7可以看出,在开挖初期,去路盐水流量大,盐水温度低,井帮温度快速降低;在230 m 左右,由于盐水调控机制开始发挥作用,甲组井帮温度下降速度减缓,同时期乙组井帮温度下降速度较快,最大温差接近6℃。可见,甲组在满足设计要求的同时,减缓了井帮温度降低的速率,有利于冻结段外壁快速掘砌,明显优于乙组的方案。

4.3 调控对冻结壁厚度发展的影响

在有限元软件后处理器中进行路径追踪,得到各层冻结壁厚度如表4 所示。从表4 可以看出,深度从20 m 到585 m 层位,甲组冻结壁厚度在3.67～4.63 m 之间,乙组在3.72～6.14 m 之间。在冻结前期,2组间冻结壁厚度差距不超过0.1 m。随着挖掘深度的进行,盐水调控机制开始发挥作用,2组间冻结壁的差距逐渐变大,最大差距达到1.69 m。

表4 文家坡煤矿冻结壁厚度调控对比

在累深230 m 和585 m 层位,分别是表土段和基岩段的控制层。根据甲组数值模拟结果,在开挖至230 m 和585 m 层位时,累深230 m 层位的冻结壁厚度为4.81 m,累深585 m 层位的冻结壁厚度为4.63 m,满足设计要求的4.6 m 和4 m。相较于乙组,降低了冻结壁厚度。

综上所述,盐水调控能在一定程度上影响冻结壁的厚度。因此,在达到止水要求的情况下,可以通过适当的盐水调控,控制冻结壁厚度,满足设计要求。

4.4 实测数据对比

从图7可以看出,各个层位井帮模拟值与实测值误差均在1℃以内,总体变化趋势基本一致。这说明先对待建井筒特定层位进行模拟,然后对其余层位进行拟合处理的方式,可以对整个井筒的发展情况进行相对精确的预报,指导实际工程施工。

5 结 论

本文以西部建井工程为背景,通过数值模拟和预测待建井筒冻结壁温度场的发展,分析盐水调控对温度场以及实际工程的影响,得出以下结论:

(1)通过关闭防片孔调控盐水温度等措施,能够有效地控制井帮温度和冻结壁厚度,减缓文家坡矿井井帮温度的降低速度,使得在400 m 以上层位的井帮温度基本维持在-5～0 ℃之间,400 m 以下层位维持在-7.5 ℃左右,最低不超过-10℃。冻结壁厚度也在设计要求范围内,在确保冻结壁安全、稳定的前提下,加快了施工速度,节省了成本。

(2)分析甲组与乙组的冻结壁厚度数据可知,在冻结初期,2组冻结温度场没有明显差异,随着调控措施的进行,差异性逐渐显现出来。调控组冻结壁厚度较对照组有最小10%、最大40%的降低幅度;在进行具体调控后,调控组井帮温度较对照组提高了约3 ℃。

(3)通过有限元软件模拟的井帮温度与实测温度最大误差在1℃以内,变化趋势也基本相同,表明通过有限元软件指导西部建井工程设计是可行的。