临涣煤矿中央风井冻结温度场数值计算分析

2022-10-13周为军荣传新

建井技术 2022年4期

周为军吴洋荣传新王彬

(1.淮北矿业集团临涣煤矿,安徽淮北 235136;2.安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南 232001)

0 引言

自1955年我国成功将冻结凿井法应用于开滦林西矿风井施工以来,该工法已经逐渐发展成为穿越厚松散地层立井,以及富含水地层地下工程施工的主要工法之一[1-5]。

近年来,国内有关学者围绕人工冻结温度场数值计算方法及应用展开了一系列研究,在双圈以及多圈孔冻结温度场变化规律[6-11]、地下水对冻结温度场的影响规律等方面[12-18],取得了大量研究成果。本文针对在冻结工程中冻结温度场预测的工程问题,基于临涣矿中央井冻结方案,结合测温孔数据,利用数值计算的方法对各层位冻结壁交圈时间及不同月进尺条件下冻结温度场的发展情况进行预测分析,为现场冻结工程中冻结参数的动态调整和井筒掘进施工提供参考依据。

1 工程背景

1.1 矿井概况

临涣煤矿位于淮北矿区临涣区北部,行政区划隶属濉溪县韩村镇,北距淮北市40 km,东距宿州市30 km。临涣煤矿新建中央风井井筒全深为667.7 m,井筒净直径为6.5 m。

1.2 地层特点

井筒穿过新生界松散层厚度较大,粘土层所占比例高(74.0%),膨胀量大,特别是新近系下部粘土层及钙质粘土,半固结状为主,局部遇水易崩解松散。深部粘土及含钙粘土冻结温度较低,冻结速度缓慢,冻结强度小。

1.3 冻结方案

为保证井筒冻结帷幕厚度和强度,实现井筒顺利、安全提前开挖,并保证井筒连续掘进施工,临涣中央风井设计采用主排孔(单排差异)+辅助孔(双排插花)的冻结方式,其中主冻结孔按差异冻结方式布置,辅助孔采用梅花状布置。临涣煤矿新建中央风井冻结孔平面布置如图1所示,冻结参数如表1所示。

表1 冻结设计主要技术参数

图1 临涣煤矿中央风井冻结孔平面布置

2 计算理论与计算模型

采用COMSOL Multiphysics有限元数值计算软件对临涣煤矿中央风井的温度场进行模拟,计算分析冻结壁平均温度和厚度、温度场分布、开挖井帮温度等指标。这些指标对更好地控制开挖进度、盐水温度、分析施工中碰到的问题都起着指导作用。

2.1 计算理论

人工地层冻结是一个边界条件复杂的不稳定导热问题,其冻结温度场的求解需要考虑相变、移动边界、内热源等因素。由于冻结壁在水平方向的尺寸远小于竖直方向的尺寸,同时,在冻结过程中竖向的热传导也十分微弱。因此,在分析冻结壁温度场时,通常将其简化为平面的问题进行求解。由热物理学和冻土学理论,得出立井冻结温度场的控制微分方程为[16]:

式中:T n为冻结温度场中任一点的温度,℃;t表示冻结时间,d;r为冻结区域内任一点与井筒圆心的距离,m;a n是导温系数,a n=λn/ρnc n,m2/s;λn为导热系数,W/(m·K);ρn为密度,g/cm3;c n为比热容,J/(g·K);n表示土体的状态,n=1表示未冻土,n=2表示冻土。

在冻结开始前,地层温度的初始条件为[16]:

式中:T0为土层的初始温度,℃。

在冻结过程中,冻结管壁与周围土层的边界满足Dirichlet 边界条件,其边界条件的表达式为[16]:

式中:T c(t)为冻结管内的盐水温度,℃。

距离冻结区域无穷远处的边界满足Dirichlet边界条件,其边界条件的表达式为[16]:

2.2 土层热物理参数

对临涣煤矿中央风井所处地层进行取土,并对土样进行热物理特性测试,得出不同深度处土层的热物理参数如表2所示。土层的热物理参数为数值计算模型提供了建模基础参数。

表2 临涣煤矿中央风井所处地层热物理参数

2.3 计算模型

根据临涣煤矿中央风井冻结孔的实际成孔位置,结合所处地层的热物理参数(如表2所示),分别构建了冻结温度场数值计算模型(如图2 所示)。

图2 冻结温度场计算模型

2.4 数值计算模型可靠性验证

为了验证数值计算模型的合理性,将各个层位的数值计算结果与测温孔的实测结果进行对比,如图3所示。

图3 测温点温度数值计算结果与实测数据对比

通过将数值计算与测温孔的实测结果进行对比,可以发现数值计算结果与实测结果的吻合度较高,说明数值计算模型合理、可靠,选取的计算参数准确,基于构建的数值计算模型可以实现对工程冻结温度场的预测分析。

3 冻结温度场计算分析

3.1 冻结壁交圈时间预测分析

冻结壁交圈意味着单根冻结管形成的冻结柱状体已经连接到一起,冻结壁已经具备初步的防水功能,因此,冻结壁的交圈时间是冻结温度场发展过程中的重要参数,通过数值计算对不同层位冻结壁的交圈时间进行了预测分析,预测结果如图4以及表3所示。

表3 不同层位冻结壁交圈时间统计

图4 不同层位冻结壁交圈时刻温度分布

通过数值计算对不同层位冻结壁的交圈时间进行了预测分析,结果表明:临涣煤矿中央风井不同层位冻结壁的交圈时间介于31～48 d之间,其中-65 m 细砂层位冻结壁的交圈时间最短,仅为31 d,-215 m 黏土层冻结壁的交圈时间最长,达到48 d。由此可见,粘土层的冻结壁交圈时间明显大于砂层冻结壁的交圈时间。