陳紅蕾

隨著我國(guó)淺部煤炭資源的枯竭,新建礦井深度逐漸增大,穿越的沖積層厚度越來(lái)越大。地壓變大必然導(dǎo)致井壁厚度增大。外層井壁屬于大體積混凝土,澆筑后產(chǎn)生的水化熱與凍結(jié)壁的溫度場(chǎng)相互影響[1,2]:一方面,隨著混凝土水化熱的釋放,為混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)提供了正溫養(yǎng)護(hù)條件的同時(shí),也會(huì)透過(guò)泡沫板向凍結(jié)壁內(nèi)傳遞,導(dǎo)致壁后凍土的局部升溫和融化。另一方面,在混凝土水化熱后期,凍結(jié)壁冷量的傳導(dǎo)逐漸占主導(dǎo)地位,不僅容易導(dǎo)致井壁內(nèi)外較大溫差,誘發(fā)溫度裂縫,而且對(duì)井壁混凝土的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)造成影響。

以口孜東礦主井為原型,根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)分析 560m深度凍結(jié)壁在井壁水化熱作用下的溫度變化及影響因素關(guān)系(見表 1)。

表1 井筒主要技術(shù)特征表 m

1 數(shù)值模擬

假設(shè)凍結(jié)管圈徑上溫度為同一溫度面。井壁溫度場(chǎng)與凍結(jié)壁溫度場(chǎng)相互影響的因素主要有[2]:入模溫度、井壁厚度、井內(nèi)環(huán)境、井內(nèi)風(fēng)速及井幫溫度等。井內(nèi)風(fēng)速取 0 m/s,0.5 m/s, 1m/s三種情況,空氣溫度取 0℃一種情況,井幫溫度取 -10℃, -15℃,-20℃三種情況。視混凝土井壁光滑,表面散熱系數(shù)見表2。

表2 井內(nèi)環(huán)境下井壁表面散熱系數(shù)

2 井壁及壁后凍土溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 模型建立

外層井壁內(nèi)邊界R1=5 m,外半徑R2=6.2 m;泡沫板厚度0.075m,內(nèi)半徑R2=6.2m,外半徑R3=6.275m;凍結(jié)壁井幫內(nèi)邊界R3=6.275m,外邊界為凍結(jié)管圈徑,R4=9.1m;原始地溫按實(shí)測(cè)取 24℃,建立平面溫度場(chǎng)模型見圖 1。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 外壁溫度峰值影響因素

外壁澆筑后,溫度上升迅速,在澆筑后 1.6 d～1.8 d溫度即達(dá)到峰值[3]。峰值在 65.38℃～74.09℃之間,從圖 2中可以看出:當(dāng)風(fēng)速為0m/s、入模溫度為25℃時(shí)峰值最大;當(dāng)風(fēng)速為0.5m/s、入模溫度為 15℃時(shí)峰值最小。

在數(shù)值模擬結(jié)果中,由井筒風(fēng)速、井幫溫度與入模溫度三個(gè)因素進(jìn)行比較分析可以看出:井幫溫度由-20℃升高到-10℃,井壁溫度峰值僅升高 0.3℃左右,而井筒風(fēng)速?gòu)?0m/s增加到0.5m/s時(shí),井壁溫度峰值升高 1.5℃左右;入模溫度由 15℃升高到 25℃,井壁溫度峰值升高 7℃左右。

2.2.2 凍結(jié)壁溫度變化規(guī)律

1)凍結(jié)壁融化范圍變化規(guī)律。外層井壁的澆筑引起凍結(jié)壁內(nèi)緣的融化,融化時(shí)間較長(zhǎng),為 8 d～12 d,從圖 3可見融化范圍為343mm～525mm。而后凍結(jié)器向凍結(jié)壁傳遞冷量占主導(dǎo),凍結(jié)壁開始回凍,澆筑后 17.1 d～26.1 d回凍完成,凍結(jié)井壁外緣開始出現(xiàn)負(fù)溫。

從最大融化范圍的影響因素(入模溫度、井筒風(fēng)速與井幫溫度)對(duì)比分析可以得知:井筒風(fēng)速?gòu)?m/s增加到0.5m/s時(shí),最大融化范圍減小17mm;井幫溫度由-20℃升高到-10℃,最大融化范圍增加 70mm左右;入模溫度由 15℃升高到 25℃,最大融化范圍增加70mm左右。

2)凍結(jié)壁回凍時(shí)間。從圖 4分析可知:在井幫溫度為-20℃～-10℃范圍時(shí),井幫溫度與凍結(jié)壁的回凍時(shí)間近似呈線性關(guān)系。當(dāng)井幫溫度較低時(shí)(-20℃),入模溫度由 15℃升高到 25℃,凍結(jié)壁的回凍時(shí)間最長(zhǎng)僅晚 0.8 d。但隨著井幫溫度的升高,當(dāng)井幫溫度為 -10℃,入模溫度由 15℃升高到 25℃,凍結(jié)壁的回凍時(shí)間晚3.5 d。

2.2.3 施工現(xiàn)場(chǎng)溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)

根據(jù)口孜東主井凍結(jié)方案,控制層位深度為 568.45m,凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度為11.5m,設(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度為-16℃～-18℃。根據(jù)凍結(jié)器到井幫的距離,實(shí)際施工到 560m深度時(shí),井幫溫度預(yù)計(jì)在 -10℃～-15℃之間?；炷恋娜肽囟纫话阍?20℃左右,井內(nèi)風(fēng)速一般在0m/s～0.5m/s之間?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)條件,與模擬凍結(jié)壁溫度場(chǎng)進(jìn)行比照,得出:當(dāng)井壁澆筑后 1.7 d～ 1.8 d后,井壁溫度出現(xiàn)峰值,其值在 68.90℃～70.63℃之間,井壁外表面出現(xiàn)負(fù)溫的時(shí)間是在澆筑后 19.5 d～24.6 d,而井壁內(nèi)表面出現(xiàn)負(fù)溫的時(shí)間是在澆筑后 27.58 d～29.4 d。凍結(jié)壁澆筑后9 d～10.5 d出現(xiàn)最大融化范圍,其融化范圍最大值為 449mm～525mm。

3 結(jié)語(yǔ)

1)外壁澆筑后產(chǎn)生大量的水化熱,水化熱傳遞不及時(shí)造成外壁溫度升高并形成峰值。通過(guò)數(shù)值模擬得出:外壁溫度峰值受井內(nèi)風(fēng)速、入模溫度影響明顯,井幫溫度對(duì)外壁溫度峰值影響較小。2)凍結(jié)壁在外壁水化熱作用下溫度升高產(chǎn)生融化,隨外壁水化熱的散失,凍結(jié)壁又產(chǎn)生回凍。井幫溫度較低時(shí),入模溫度對(duì)回凍時(shí)間影響較小,隨著井幫溫度的升高,入模溫度對(duì)井壁回凍時(shí)間影響加劇。3)根據(jù)口孜東主井凍結(jié)方案及數(shù)值模擬結(jié)果,推測(cè)出井筒掘砌到控制層位時(shí)的溫度場(chǎng)變化,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

[1] 陳紅蕾.深厚沖積層凍結(jié)壁與井壁相互作用研究[D].北京:煤炭科學(xué)研究總院碩士論文,2009.

[2] 高 偉.趙固礦區(qū)凍結(jié)井壁溫度場(chǎng)及壁后凍土凍融規(guī)律研究[D].北京:煤炭科學(xué)研究總院碩士論文,2008.

[3] 王衍森,黃家會(huì).特厚沖積層中凍結(jié)井外壁溫度實(shí)測(cè)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(4):468-472.