龔有常 崔建軍 陳紅蕾 高 偉

(1.冀中能源邢臺(tái)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，河北邢臺(tái) 054000;2.北京中煤礦山工程有限公司凍結(jié)研究所，北京 100013)

隨著西部煤炭資源的大力開發(fā)，新疆、內(nèi)蒙、寧夏等省份施工的井筒越來越多。煤礦建設(shè)中，立井開拓方式是我國煤炭開采廣泛應(yīng)用的方式，立井井筒擔(dān)負(fù)著礦井通風(fēng)、提升任務(wù)，關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)命脈。立井井筒作為整個(gè)煤礦的咽喉要道，其結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性關(guān)系整個(gè)煤礦的存亡。西部地區(qū)部分井筒根據(jù)東部地層中井筒施工經(jīng)驗(yàn)采用普通鑿井施工，遇到涌水流沙等問題無法通過后被迫轉(zhuǎn)入凍結(jié)鑿井施工。在凍結(jié)鑿井施工中，當(dāng)凍結(jié)鋒面發(fā)展到井壁位置，產(chǎn)生凍害影響井壁質(zhì)量，損傷井壁［1］，目前已引起相應(yīng)重視，多采用凍結(jié)器與已成型井壁之間安設(shè)溫控孔的方式避免井壁凍害。但是凍結(jié)站停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，長期已形成的凍結(jié)壁化凍過程中依然對(duì)已成型井壁產(chǎn)生凍害，影響井筒的耐久性和安全性。

1 工程概況

塔什店礦區(qū)一號(hào)礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.20 Mt/年，服務(wù)年限60年。行政區(qū)劃屬新疆庫爾勒市和焉耆縣管轄。礦井采用立井開拓，布置主、副、風(fēng)3個(gè)井筒。

副井普通法施工至345.8 m時(shí)(剛揭露第三系桃樹園組)，井底開始涌水，瞬時(shí)涌水量為430 m3/h，導(dǎo)致淹井。鑒于副井涌水情況，風(fēng)井普通法掘進(jìn)到336.7 m時(shí)停止掘進(jìn)，被迫轉(zhuǎn)入凍結(jié)鑿井施工。風(fēng)井井筒深467 m，凈直徑5.5 m，凍結(jié)深度505 m。凍結(jié)孔布置采用大圈徑布置形式，布置凍結(jié)孔32個(gè)，其圈徑13.2 m，深度505 m，距離上部砌筑好的井壁最近3.0 m。并在井筒周邊凍結(jié)孔內(nèi)側(cè)布置一圈溫控孔，溫控孔14個(gè)，深度336.7 m，布置圈徑9.2 m，距離井壁最近1.0 m。

風(fēng)井底部未掘砌段剩余長度140 m左右，按照綜合成井90 m/月計(jì)算，掘進(jìn)施工及套壁施工總工期50 d，綜合積極凍結(jié)工期70 d，井筒排水和破止?jié){墊工期20 d，凍結(jié)總工期140 d。

2 模型建立

由于凍結(jié)壁在豎直方向的尺寸較水平方向大得多，且凍結(jié)過程中巖土在豎直方向的熱傳導(dǎo)相對(duì)較弱［2］，故塔什店一號(hào)礦井風(fēng)井溫度場(chǎng)可采用平面熱傳導(dǎo)來模擬。

以風(fēng)井－340 m泥巖為原型，采用APDL語言［3］建立了參數(shù)化的二維溫度場(chǎng)有限元模型(見圖1)。計(jì)算區(qū)域的直徑為39.2 m，共劃分60 178個(gè)單元，單元類型為4節(jié)點(diǎn)的Plane55(ELEMENT IS PLANE55)。模型初始溫度及外邊界固定溫度取地層溫度23.6℃，計(jì)算模型不考慮地下水流動(dòng)對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響。模型參數(shù)取值見表 1，表 2。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

表1 混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和比熱

表2 泥巖的熱物理參數(shù)試驗(yàn)值

首先在開啟溫控孔條件下(水溫10℃)計(jì)算停止凍結(jié)時(shí)(開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)140 d)的凍結(jié)溫度場(chǎng)，溫度場(chǎng)云圖見圖2，在此基礎(chǔ)上分析。

圖2 風(fēng)井-340 m泥巖凍結(jié)140 d凍結(jié)溫度場(chǎng)云圖

3 井筒風(fēng)速、空氣溫度對(duì)井壁外緣溫度作用

塔什店一號(hào)井風(fēng)井內(nèi)風(fēng)速取0 m/s，0.5 m/s兩種情況，空氣溫度取0℃，5℃，10℃三種情況，研究?jī)鼋Y(jié)井筒停凍后風(fēng)速、空氣溫度對(duì)停凍后在凍結(jié)壁溫度場(chǎng)影響下井壁外緣溫度變化影響。

井內(nèi)環(huán)境下井壁表面散熱系數(shù)如表3所示，不同工況下停凍后井壁外緣溫度變化見圖3。

圖3 不同工況下停凍后井壁外緣溫度變化曲線

表3 井內(nèi)環(huán)境下井壁表面散熱系數(shù)［4］

塔什店一號(hào)井風(fēng)井施工完凍結(jié)段后，受殘留的溫控孔溫度場(chǎng)、凍結(jié)壁溫度場(chǎng)和井筒工況溫度綜合影響下，凍結(jié)站停機(jī)時(shí)關(guān)閉溫控孔后，井壁外緣溫度有短時(shí)間波動(dòng)，先迅速上升，而后溫度呈現(xiàn)下降再上升趨勢(shì)。其中在風(fēng)速0 m/s、空氣溫度0℃工況下，溫度波動(dòng)較大，波動(dòng)溫差達(dá)5℃。在風(fēng)速0.5 m/s、空氣溫度10℃工況下，溫度波動(dòng)較小，波動(dòng)溫差1℃左右。在空氣溫度10℃工況下，井壁外緣溫度在凍結(jié)站停機(jī)時(shí)關(guān)閉溫控孔后沒有出現(xiàn)負(fù)溫，對(duì)井壁防凍害較好。

風(fēng)速與空氣溫度比較，風(fēng)速對(duì)外緣溫度變化影響較小。但隨著空氣溫度的增加，風(fēng)速影響作用也逐漸增加，在空氣溫度0℃時(shí)，風(fēng)速在0.5 m/s時(shí)比在0 m/s時(shí)溫度升高0.27℃，在空氣溫度10℃時(shí)，風(fēng)速在0.5 m/s時(shí)比在0 m/s時(shí)溫度升高0.74℃。

實(shí)際施工工況條件下，井筒內(nèi)表面為一熱交換面。在相同溫度的進(jìn)氣下，風(fēng)速直接影響出氣溫度，風(fēng)速大，進(jìn)出風(fēng)溫差小，風(fēng)速小，進(jìn)出風(fēng)溫差大。因此，宜以井筒出風(fēng)溫度為判定基準(zhǔn)，在井筒出風(fēng)溫度10℃以上，在凍結(jié)站停機(jī)時(shí)關(guān)閉溫控孔不采取任何措施，也可滿足井壁防凍害需要。

4 延長溫控孔開啟對(duì)井壁外緣溫度作用

井筒施工時(shí)，環(huán)境溫度直接影響井筒防凍害措施，若冬季施工，環(huán)境溫度無法保證井筒出風(fēng)溫度在10℃以上時(shí)，必須采取其他井壁防凍害措施，例如延長溫控孔開啟時(shí)間。塔什店一號(hào)井風(fēng)井內(nèi)風(fēng)速取0 m/s，0.5 m/s兩種情況，空氣溫度取0℃，5℃兩種情況，延長溫控孔開啟(水溫10℃)時(shí)間，研究井壁外緣溫度變化(見圖4～圖7)。

圖4 風(fēng)速0 m/s、空氣溫度0℃外緣溫度變化曲線

圖5 風(fēng)速0 m/s、空氣溫度5℃外緣溫度變化曲線

圖6 風(fēng)速0.5 m/s、空氣溫度0℃外緣溫度變化曲線

圖7 風(fēng)速0.5 m/s、空氣溫度5℃外緣溫度變化曲線

延長溫控孔運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間可消耗部分凍結(jié)壁殘余冷量，延緩甚至避免井壁外緣凍害威脅。塔什店礦區(qū)一號(hào)礦風(fēng)井井筒在溫控孔循環(huán)水溫10℃，井筒出風(fēng)溫度在5℃以上時(shí)，延長溫控孔運(yùn)轉(zhuǎn)10 d可有效避免井壁凍害威脅。在井筒出風(fēng)溫度0℃以上時(shí)，延長溫控孔運(yùn)轉(zhuǎn)40 d可有效避免井壁凍害威脅。

5 結(jié)語

利用有限元分析軟件ANSYS模擬井壁與凍結(jié)壁溫度場(chǎng)，分析了塔什店礦區(qū)一號(hào)礦風(fēng)井凍結(jié)站停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，長期已形成的凍結(jié)壁化凍過程中依然對(duì)已成型井壁產(chǎn)生凍害，為避免普通法施工的井壁免受凍害威脅，經(jīng)分析可采取以下措施:1)在井筒出風(fēng)溫度10℃以上，在凍結(jié)站停機(jī)時(shí)關(guān)閉溫控孔不采取任何措施，也可滿足井壁防凍害需要。2)風(fēng)井井筒在溫控孔循環(huán)水溫10℃時(shí)，在井筒出風(fēng)溫度5℃以上時(shí)，延長溫控孔運(yùn)轉(zhuǎn)10 d可有效避免井壁凍害威脅;在井筒出風(fēng)溫度0℃以上時(shí)，延長溫控孔運(yùn)轉(zhuǎn)40 d可有效避免井壁凍害威脅。

［1］馬國慶，錢玉林.混凝土的凍害及其機(jī)理［J］.常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，28(sup)：109-112.

［2］張 濤，齊善忠.局部保溫條件下單管凍結(jié)溫度場(chǎng)研究［J］.山西建筑，2006，32(7)：137-138.

［3］張國智，胡仁喜.ANSYS10.0熱力學(xué)有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］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.