喬熙,劉陽,李安安,張鵬

(中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇徐州221008)

0 引 言

凍結(jié)法施工是在松散的含水土層或破碎的含水巖層中,在地下工程建設(shè)之前,用人工制冷的方法,將地下工程周圍的含水巖層、土層凍結(jié)成封閉的凍結(jié)壁,

用以抵抗地壓,隔絕凍結(jié)壁內(nèi)、外地下水的聯(lián)系,然后在凍結(jié)壁的保護下進行地下工程建設(shè)的施工方法[1]。在應(yīng)用凍結(jié)法施工過程中,凍結(jié)壁溫度場的研究是至關(guān)重要的內(nèi)容,凍結(jié)壁溫度場的研究包括凍結(jié)壁的平均溫度、凍結(jié)壁凍區(qū)厚度、井幫溫度、凍結(jié)壁交圈時間等等。

虎豹灣礦井是內(nèi)蒙古侏羅系納林河礦區(qū)第一對大型礦井,虎豹灣井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi),行政區(qū)劃屬鄂爾多斯市烏審旗納林河鎮(zhèn)管轄。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為5.0M t,采用豎井開拓,采用綜采放頂煤工藝采煤。本文在現(xiàn)場實測的基礎(chǔ)上,結(jié)合數(shù)值模擬的分析方法把納林河礦區(qū)虎豹灣礦井主井-330m侏羅系粉砂巖地層作為研究對象,對比分析實測與模擬計算的結(jié)果得到納林河礦區(qū)侏羅系地層凍結(jié)溫度場凍結(jié)鋒面的發(fā)展速率及溫度場的發(fā)展規(guī)律,對本地區(qū)凍結(jié)法鑿井及凍結(jié)溫度場的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

虎豹灣礦井位于毛烏素沙漠的東部,具有高原沙漠地貌特征,地表被第四系風(fēng)積砂所覆蓋,沒有基巖出露。根據(jù)井筒地質(zhì)勘查報告顯示,井筒地層由老至新有:侏羅系中統(tǒng)延安組、侏羅系中統(tǒng)直羅組、侏羅系中統(tǒng)安定組、白堊系下統(tǒng)志丹群、新近系上新統(tǒng)保德組和第四系。井筒周圍巖體主要由中砂、中砂巖、細砂巖、粉砂和砂質(zhì)泥巖構(gòu)成。

虎豹灣礦主風(fēng)井采用凍結(jié)法施工,凍結(jié)方案選用的主圈孔結(jié)合輔助圈孔的凍結(jié)方式,主圈孔布置為差異凍結(jié)方式,同時考慮上部以軟巖為主、開挖時間早、凍結(jié)孔圈徑較大,將不可避免的產(chǎn)生塌幫,因此在距離荒徑外0.6m處布置一圈輔助孔可有效的防止上部砂層的片幫。主要凍結(jié)參數(shù)見表1,凍結(jié)孔布置見圖1。

工程實測采用的是銅—康銅(TT型),測溫范圍在-190～350℃,精度為±0.5,能夠較好的滿足測溫的需要。

圖1 主井凍結(jié)孔與測溫孔布置圖

表1 虎豹灣煤礦主井主要凍結(jié)參數(shù)

2 凍結(jié)溫度場的數(shù)學(xué)模型

虎豹灣主井凍結(jié)溫度場屬于立井凍結(jié)溫度場問題。由于凍結(jié)壁在豎直方向的尺寸較水平方向大的多,且?guī)r土層在豎直方向的熱傳導(dǎo)相對水平方向要弱得多,故立井凍結(jié)溫度場可簡化為平面導(dǎo)熱問題,導(dǎo)熱方程為[2,3,8]:

式中tn:溫度分布,℃;n:表示巖石狀態(tài),n=1表示未凍土,n=2表示凍土;τ:凍結(jié)時間,s;r:圓柱坐標(biāo),以井筒為中心為原點,m;an:導(dǎo)溫系數(shù):導(dǎo)熱系數(shù),W/(m?C);cn:容積比熱, J/(m3?C);凍結(jié)開始前,初始條件:t(r,0)=t0;遠場邊界的溫度為初始溫度:t(,τ)=t0;凍結(jié)鋒面上始終為td,即有:t(ξn,τ)=td。

3 主井凍結(jié)壁溫度場數(shù)值計算

本文利用大型通用數(shù)值計算軟件ANSYS來進行凍結(jié)壁溫度場變化規(guī)律的研究[4,5,7]。

3.1 數(shù)值計算模型及參數(shù)

3.1.1 幾何模型及有限元模型

主井井筒設(shè)計的凈直徑為6m,井筒的最大掘砌荒徑為9.2 m。按平面問題建立溫度場的數(shù)值計算模型。取凍結(jié)影響范圍為40 m。凍結(jié)管規(guī)格為133 mm×6mm,根據(jù)測溫點的布置位置,確定深度為-330m地層的粉砂巖做為研究對象,建立有限元模型,有限元模型及其網(wǎng)格的劃分見圖2。在有限元模型中選取過井筒中心和29、30凍結(jié)孔連線中點作為界面路徑JT。

3.1.2 初始條件和邊界條件

凍結(jié)管外壁溫度與鹽水溫度、凍結(jié)壁厚度、周圍土層物性參數(shù)等因素有關(guān)。原始地溫取20℃;取最低鹽水溫度為-31℃,此時鹽水溫度和凍結(jié)管外壁溫度相差4℃左右[1,3],根據(jù)鹽水的溫度可求得凍結(jié)管外壁溫度見表2。

圖2 有限元模型

圖3 第160d溫度場分布

表2 凍結(jié)管外壁溫取值

3.1.3 熱物理參數(shù)

參考《虎豹灣礦井凍土物理力學(xué)試驗報告》確定-330m地層的粉砂巖的熱物理參數(shù)列于表3。

表3 粉砂巖熱物理參數(shù)

4 數(shù)值模擬及實測數(shù)據(jù)對比分析

4.1 測溫孔實測溫度與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比分析

測溫孔布置位置如圖1所示,測溫孔1布置在凍結(jié)圈外側(cè),測溫孔2布置在凍結(jié)圈內(nèi)側(cè)。在-330m粉砂巖地層,測溫孔1在30號凍結(jié)孔的主面上,距離30號凍結(jié)孔的距離1512mm,測溫孔2在15號凍結(jié)孔的主面上,距離15號凍結(jié)孔距離 1250 mm。1、2號測溫孔的測溫曲線如圖4。在凍結(jié)第 155天掘砌到-330m,分析實測曲線,在此期間1號測溫點的平均降溫速率0.1578℃/d;2號測溫點的平均降溫速率為0.1658℃/d,2號測溫點的降溫速率大于1號測溫點。2號測溫點距離凍結(jié)管較近,同時受群孔凍結(jié)的影響,所以2號測溫點的降溫速率大于1號測溫點。通過分析圖4得到1、2號測溫點溫度降到0℃的時間分別為72 d和100 d,結(jié)合測溫點距離最近凍結(jié)孔的距離即可以得到沿徑向到1、2號測溫點方向的凍結(jié)鋒面的發(fā)展速率分別為15.12mm/d、17.36 mm/d。

模擬計算凍結(jié)第160 d時溫度場分布情況見圖3。數(shù)值模擬1、2號凍結(jié)點位置溫度隨時間的變化曲線如圖5,兩點溫度下降到0℃的時間分別為70 d和90 d,數(shù)值模擬的凍結(jié)鋒面發(fā)展速率分別為16.80mm/d、17.86mm/d。對比分析溫度實測與數(shù)值模擬曲線,可以看出除去個別點外其他各點的實測與數(shù)值模擬的溫差保持在±1℃范圍內(nèi),溫度曲線變化規(guī)律一致。

分析圖7水文孔的水位隨時間變化曲線,水文孔水位在第42 d以后開始有規(guī)律的上升,可以推算含水層的交圈時間在凍結(jié)第 38 d左右,結(jié)合凍結(jié)管間距可以推算出凍結(jié)鋒面沿著軸面的發(fā)展速率約為17.5 mm/d。JT20、JT40為凍結(jié)第20 d、40 d凍結(jié)壁沿著界面的溫度變化曲線。由圖6可以看出,在第40 d已經(jīng)完成交圈,凍結(jié)壁厚度約為200 mm,交圈時間在35 d,模擬與實測交圈時間相差3d左右。

圖4 測溫孔實測曲線

圖5 數(shù)值模擬曲線

圖6 界面路徑溫度變化曲線

圖7 水文孔水位變化曲線

4.2 井幫溫度實測與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比分析

選取井筒中心到1號凍結(jié)管直線為0°參考標(biāo)準(zhǔn),順時針方向每隔90°選一個測點測取井幫溫度。在凍結(jié)第160 d時主井井筒掘砌到-330 m水平,實測井幫溫度在-4.0～-5.0之間。沿著界面計算凍結(jié)壁的平均溫度,實測的井幫溫度和數(shù)值模擬得到的井幫溫度對比分析見表4,兩者的誤差基本在±10%左右。測溫孔實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)基本一致。

表4 井幫溫度實測與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

4.3 凍結(jié)壁厚度及其平均溫度的實測與數(shù)值模擬對比分析

數(shù)值模擬凍結(jié)第160天的凍結(jié)壁凍結(jié)溫度場。選取井筒中心到1號凍結(jié)管直線為0°參考標(biāo)準(zhǔn),順時針方向每隔90°分別計算凍結(jié)壁厚度,其數(shù)值在5.32～5.40 m之間,凍結(jié)壁的平均溫度為-9.8～-10℃。凍結(jié)第160天,根據(jù)凍結(jié)管內(nèi)、外側(cè)凍結(jié)鋒面的發(fā)展速率計算凍結(jié)壁厚度約為5.28m,根據(jù)1、2號測溫孔實測凍結(jié)第160天的溫度及井幫溫度推算凍結(jié)壁的溫度在-9.2℃。數(shù)值模擬與實測推算的結(jié)果都能夠較好的吻合。

5 結(jié)語與展望

本文選取了-330 m地層粉砂巖作為研究對象,通過實測與數(shù)值模擬兩種手段研究了納林河礦區(qū)虎豹灣礦井主井-330m地層粉砂巖凍結(jié)溫度場的發(fā)展規(guī)律及凍結(jié)特征。實測與數(shù)值模擬的結(jié)果都能夠較好的吻合,兩種研究方法得到了相互驗證。事實證明ANSYS數(shù)值模擬方法在凍結(jié)壁溫度場發(fā)展規(guī)律的研究與凍結(jié)溫度場的預(yù)測上是可行、可信的,這對凍結(jié)法施工設(shè)計與優(yōu)化提供了有效的手段。在凍結(jié)壁凍結(jié)溫度場探索方面,內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)侏羅系地層的研究相對較少,本文的研究對與凍結(jié)法鑿井在本地區(qū)的發(fā)展與推廣具有重要的意義。

模擬計算使用的巖土的物理、力學(xué)性能參數(shù)即密度、含水量、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等,均通過檢查孔提取冷樣試驗測得的,甚至有的工程的地質(zhì)工程資料是通過周圍同類工程類比得到的,這種以點代面或者通過類比方式得到工程參數(shù)或許能夠滿足施工的需要,但是作為計算參數(shù)的話必然會給計算精度造成較大的影響。在以后的實際工程模擬計算中能夠采集到準(zhǔn)確的巖土參數(shù)作為計算參數(shù)必然使得模擬計算與工程預(yù)測或者實測更加吻合。

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