周為軍 吳 洋 榮傳新 王 彬

(1.淮北礦業(yè)集團 臨渙煤礦,安徽 淮北 235136;2.安徽理工大學 土木建筑學院,安徽 淮南 232001)

0 引言

自1955年我國成功將凍結鑿井法應用于開灤林西礦風井施工以來,該工法已經(jīng)逐漸發(fā)展成為穿越厚松散地層立井,以及富含水地層地下工程施工的主要工法之一[1-5]。

近年來,國內有關學者圍繞人工凍結溫度場數(shù)值計算方法及應用展開了一系列研究,在雙圈以及多圈孔凍結溫度場變化規(guī)律[6-11]、地下水對凍結溫度場的影響規(guī)律等方面[12-18],取得了大量研究成果。本文針對在凍結工程中凍結溫度場預測的工程問題,基于臨渙礦中央井凍結方案,結合測溫孔數(shù)據(jù),利用數(shù)值計算的方法對各層位凍結壁交圈時間及不同月進尺條件下凍結溫度場的發(fā)展情況進行預測分析,為現(xiàn)場凍結工程中凍結參數(shù)的動態(tài)調整和井筒掘進施工提供參考依據(jù)。

1 工程背景

1.1 礦井概況

臨渙煤礦位于淮北礦區(qū)臨渙區(qū)北部,行政區(qū)劃隸屬濉溪縣韓村鎮(zhèn),北距淮北市40 km,東距宿州市30 km。臨渙煤礦新建中央風井井筒全深為667.7 m,井筒凈直徑為6.5 m。

1.2 地層特點

井筒穿過新生界松散層厚度較大,粘土層所占比例高(74.0%),膨脹量大,特別是新近系下部粘土層及鈣質粘土,半固結狀為主,局部遇水易崩解松散。深部粘土及含鈣粘土凍結溫度較低,凍結速度緩慢,凍結強度小。

1.3 凍結方案

為保證井筒凍結帷幕厚度和強度,實現(xiàn)井筒順利、安全提前開挖,并保證井筒連續(xù)掘進施工,臨渙中央風井設計采用主排孔(單排差異)+輔助孔(雙排插花)的凍結方式,其中主凍結孔按差異凍結方式布置,輔助孔采用梅花狀布置。臨渙煤礦新建中央風井凍結孔平面布置如圖1所示,凍結參數(shù)如表1所示。

表1 凍結設計主要技術參數(shù)

圖1 臨渙煤礦中央風井凍結孔平面布置

2 計算理論與計算模型

采用COMSOL Multiphysics有限元數(shù)值計算軟件對臨渙煤礦中央風井的溫度場進行模擬,計算分析凍結壁平均溫度和厚度、溫度場分布、開挖井幫溫度等指標。這些指標對更好地控制開挖進度、鹽水溫度、分析施工中碰到的問題都起著指導作用。

2.1 計算理論

人工地層凍結是一個邊界條件復雜的不穩(wěn)定導熱問題,其凍結溫度場的求解需要考慮相變、移動邊界、內熱源等因素。由于凍結壁在水平方向的尺寸遠小于豎直方向的尺寸,同時,在凍結過程中豎向的熱傳導也十分微弱。因此,在分析凍結壁溫度場時,通常將其簡化為平面的問題進行求解。由熱物理學和凍土學理論,得出立井凍結溫度場的控制微分方程為[16]:

式中:T n為凍結溫度場中任一點的溫度,℃;t表示凍結時間,d;r為凍結區(qū)域內任一點與井筒圓心的距離,m;a n是導溫系數(shù),a n=λn/ρnc n,m2/s;λn為導熱系數(shù),W/(m·K);ρn為密度,g/cm3;c n為比熱容,J/(g·K);n表示土體的狀態(tài),n=1表示未凍土,n=2表示凍土。

在凍結開始前,地層溫度的初始條件為[16]:

式中:T0為土層的初始溫度,℃。

在凍結過程中,凍結管壁與周圍土層的邊界滿足Dirichlet 邊界條件,其邊界條件的表達式為[16]:

式中:T c(t)為凍結管內的鹽水溫度,℃。

距離凍結區(qū)域無窮遠處的邊界滿足Dirichlet邊界條件,其邊界條件的表達式為[16]:

2.2 土層熱物理參數(shù)

對臨渙煤礦中央風井所處地層進行取土,并對土樣進行熱物理特性測試,得出不同深度處土層的熱物理參數(shù)如表2所示。土層的熱物理參數(shù)為數(shù)值計算模型提供了建模基礎參數(shù)。

表2 臨渙煤礦中央風井所處地層熱物理參數(shù)

2.3 計算模型

根據(jù)臨渙煤礦中央風井凍結孔的實際成孔位置,結合所處地層的熱物理參數(shù)(如表2所示),分別構建了凍結溫度場數(shù)值計算模型(如圖2 所示)。

圖2 凍結溫度場計算模型

2.4 數(shù)值計算模型可靠性驗證

為了驗證數(shù)值計算模型的合理性,將各個層位的數(shù)值計算結果與測溫孔的實測結果進行對比,如圖3所示。

圖3 測溫點溫度數(shù)值計算結果與實測數(shù)據(jù)對比

通過將數(shù)值計算與測溫孔的實測結果進行對比,可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值計算結果與實測結果的吻合度較高,說明數(shù)值計算模型合理、可靠,選取的計算參數(shù)準確,基于構建的數(shù)值計算模型可以實現(xiàn)對工程凍結溫度場的預測分析。

3 凍結溫度場計算分析

3.1 凍結壁交圈時間預測分析

凍結壁交圈意味著單根凍結管形成的凍結柱狀體已經(jīng)連接到一起,凍結壁已經(jīng)具備初步的防水功能,因此,凍結壁的交圈時間是凍結溫度場發(fā)展過程中的重要參數(shù),通過數(shù)值計算對不同層位凍結壁的交圈時間進行了預測分析,預測結果如圖4以及表3所示。

表3 不同層位凍結壁交圈時間統(tǒng)計

圖4 不同層位凍結壁交圈時刻溫度分布

通過數(shù)值計算對不同層位凍結壁的交圈時間進行了預測分析,結果表明:臨渙煤礦中央風井不同層位凍結壁的交圈時間介于31～48 d之間,其中-65 m 細砂層位凍結壁的交圈時間最短,僅為31 d,-215 m 黏土層凍結壁的交圈時間最長,達到48 d。由此可見,粘土層的凍結壁交圈時間明顯大于砂層凍結壁的交圈時間。

3.2 開挖進度對凍結溫度場影響規(guī)律分析

開挖過程的熱擾動會對凍結壁的強度產生不利影響,因此,需要對開挖的速度進行控制,既要滿足工期的要求,也要保證整個施工過程的安全性。

根據(jù)凍結孔實際成孔位置,結合檢查孔地質報告、凍土實驗報告、以及凍結壁的測溫數(shù)據(jù),采用有限元數(shù)值計算軟件對不同開挖速度條件下凍結壁的發(fā)展情況進行預測,結果如圖5 以及表4所示。

表4 不同月進尺條件下凍結壁發(fā)展情況預測

圖5 不同月進尺條件下部分層位凍結溫度場分布

結果表明:按照85 m/月或100 m/月的速度掘進時,當開挖至各個層位時,凍結壁均已交圈,且平均溫度均低于-17 ℃,滿足設計要求。因此,為了提高施工效率可以將掘進速度提升至100 m/月。

4 結論

根據(jù)臨渙煤礦中央風井不同層位凍結壁數(shù)值模擬結果表明:

(1)臨渙煤礦中央風井不同層位凍結壁的交圈時間介于31～48 d之間,其中-65 m 細砂層位凍結壁的交圈時間最短,僅為31 d,-215 m 黏土層凍結壁的交圈時間最長,達到48 d。

(2)按照85 m/月或100 m/月的速度掘進時,當開挖至各個層位時,凍結壁均已交圈,且平均溫度均低于-17 ℃,滿足設計要求。因此,為了提高施工效率,可以將掘進速度提升至100 m/月。