楊青，榮傳新

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 概 述

對(duì)深部空間進(jìn)行開(kāi)挖，尤其是在軟弱的、含水土層中進(jìn)行開(kāi)挖，傳統(tǒng)的淺表土凍結(jié)技術(shù)理論已不適用深厚表土凍結(jié)壁設(shè)計(jì)的需要。（所謂人工凍結(jié)技術(shù)是指對(duì)深部天然土體在原始地壓作用下以人工制冷方法將低溫冷媒送入具有一定含水率和地下水流速的軟弱地層中，使地層中的水與周?chē)令w粒發(fā)生凍結(jié)，從而形成強(qiáng)度高、彈模大和抗?jié)B性好的凍結(jié)壁，然后在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行內(nèi)部開(kāi)挖和永久支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的一種特殊地層加固方法[1]。）因此,必須加快開(kāi)展對(duì)深厚表土地層凍結(jié)法鑿井關(guān)鍵理論和技術(shù)的深入研究,為工程施工提供正確指導(dǎo)。

凍結(jié)壁的形成過(guò)程十分復(fù)雜:凍結(jié)壁形成過(guò)程伴隨著溫度場(chǎng)和凍結(jié)應(yīng)力場(chǎng)的相互影響,且隨著時(shí)間而變化。理論和實(shí)測(cè)表明凍結(jié)深層位溫度場(chǎng)是一個(gè)含有相變的具有移動(dòng)的內(nèi)熱源和復(fù)雜的邊值條件的非穩(wěn)定溫度場(chǎng),凍結(jié)過(guò)程中凍結(jié)溫度場(chǎng)隨時(shí)間和空間而變化,是一個(gè)瞬態(tài)溫度場(chǎng)。在凍結(jié)法鑿井中，凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的變化影響著凍結(jié)壁厚度和平均溫度的大小，從而決定著凍結(jié)壁的強(qiáng)度與變形，而強(qiáng)度與變形是判定凍結(jié)壁穩(wěn)定性的重要參數(shù)，直接關(guān)系到凍結(jié)鑿井的速度與成敗。所以對(duì)凍結(jié)壁形成過(guò)程中溫度場(chǎng)和變形的研究一直是深部礦井建設(shè)研究的重點(diǎn)，許多學(xué)者通過(guò)工程實(shí)測(cè)、室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析等方法研究?jī)鼋Y(jié)壁形成過(guò)程中溫度場(chǎng)與位移場(chǎng)的變化，提出凍結(jié)冷量的估計(jì)方法，給出凍結(jié)壁厚度計(jì)算公式，分析井壁破裂原因，探討防止井壁破裂與凍結(jié)管斷裂措施[2-5]。

2 深立井凍結(jié)法施工實(shí)例

2.1 工程概況

楊村煤礦設(shè)計(jì)有主、副、風(fēng)三個(gè)井筒，其中副井井筒設(shè)計(jì)凈直徑為7.5m，井筒表土層厚度681.05m，其中：第四系底板埋深536.65m，第三系底板埋深681.05m，基巖風(fēng)化帶底板埋深714.05m。在第四系378.2～398.9m和407.3～445.35m深度段為20.7m和38.05m的兩層特厚砂質(zhì)粘土層。凍結(jié)段最大井壁厚度2.303m，凍結(jié)深度725m，（深層位）井筒深度1001.9m。該井筒采用凍結(jié)法施工，井筒主要技術(shù)特征見(jiàn)表1。

圖1 1號(hào)測(cè)溫孔溫度與ANSYS數(shù)值計(jì)算溫度對(duì)比圖

圖2 2號(hào)測(cè)溫孔溫度與ANSYS數(shù)值計(jì)算溫度對(duì)比圖

圖3 3號(hào)測(cè)溫孔溫度與ANSYS數(shù)值計(jì)算溫度對(duì)比圖

圖4 4號(hào)測(cè)溫孔溫度與ANSYS數(shù)值計(jì)算溫度對(duì)比圖

2.2 副井凍結(jié)方案

楊村礦副井表土段采用四排孔凍結(jié)方式，具體設(shè)計(jì)方案敘述如下。

2.2.1 凍結(jié)深度

圖5 楊村礦副井井筒667m層位（細(xì)砂巖）凍結(jié)溫度場(chǎng)云圖（凍結(jié)753d）

圖6 楊村礦副井井筒667m層位（細(xì)砂巖）凍結(jié)溫度場(chǎng)負(fù)溫區(qū)域圖（凍結(jié)753d）

副井井筒主要技術(shù)特征表 表1

副井井筒凍結(jié)孔布置參數(shù)表 表2

外排孔凍結(jié)深度為681m，為加強(qiáng)凍結(jié)孔，其作用是確保沖積層和三系上部松軟巖層凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度。中圈孔孔深為687/725m，為主凍結(jié)孔，差異凍結(jié)方式，短腿穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化帶，其作用是加強(qiáng)沖積層凍結(jié)壁的強(qiáng)度和厚度，在基巖中達(dá)到封止水的目的。內(nèi)圈孔孔深為660m，為加強(qiáng)凍結(jié)孔，其作用是確保凍結(jié)壁平均溫度和三系上部松軟巖層凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度，提高凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。防片幫孔孔深為210/420m，差異、插花凍結(jié)方式，其作用是盡可能實(shí)現(xiàn)井筒提早開(kāi)挖，防止井筒掘進(jìn)時(shí)片幫。

2.2.2 凍結(jié)孔布置參數(shù)

對(duì)于四排孔凍結(jié)方式，其中內(nèi)排孔主要起防片幫、降低井幫溫度、減少凍土位移量的作用；外排孔、主排孔、內(nèi)排孔主要起到降低凍結(jié)壁平均溫度、增大凍結(jié)壁穩(wěn)定性的作用，在基巖段起封水作用（見(jiàn)表2）。

2.2.3 凍結(jié)壁設(shè)計(jì)

井筒表土段最大掘進(jìn)荒徑12.256m。設(shè)計(jì)凍結(jié)鹽水溫度為-31℃～-33℃，設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度，粘土445.33m控制層凍結(jié)壁厚度10m；砂層536.65m控制層凍結(jié)壁厚度10.2m；三系上部641.7m控制層凍結(jié)壁厚度10.6m。凍結(jié)壁平均溫度-18℃。

副井凍結(jié)站于2012年4月9日開(kāi)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，截止2014年1月7日凍結(jié)站運(yùn)轉(zhuǎn)正常。水文孔1、水文孔2、水文孔3、水文孔4水位均已溢水；共布置5個(gè)測(cè)溫孔，其中測(cè)1、測(cè)3位于外排孔外側(cè)主面上；測(cè)2、測(cè)4位于中排孔和外排孔之間；測(cè)5位于內(nèi)排孔和防片幫孔之間。

3 人工凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型

立井凍結(jié)鑿井溫度場(chǎng)屬于含相變、有內(nèi)熱源、具有移動(dòng)邊界的不穩(wěn)定導(dǎo)熱問(wèn)題，由于其豎直方向上的尺寸遠(yuǎn)超過(guò)水平方向,且凍結(jié)過(guò)程中豎向?qū)嵯鄬?duì)很弱,因此可以簡(jiǎn)化為平面軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題,導(dǎo)熱方程為[6]：

初始條件:t(r，0)=t0；邊界條件:無(wú)限遠(yuǎn)處，t(∞，τ)；凍結(jié)鋒面上：t(ξn，τ)=td。

式中：tn為巖土溫度（℃）；n=1(巖土未凍結(jié)),n=2(巖土凍結(jié))；s 為凍結(jié)時(shí)間（s）；r 為以井心為圓心的圓柱坐標(biāo)（m）；αn為導(dǎo)溫?zé)嵯禂?shù)（m2/s）；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)（w/(m·℃)）；t0為原始地溫；td為巖土凍結(jié)溫度；tc為鹽水溫度(凍結(jié)管外表面溫度)。

4 ANSYS數(shù)值模擬分析

4.1 計(jì)算過(guò)程

凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展問(wèn)題，可以利用有限元數(shù)值模擬方法加以研究。這里采用ANSYS有限元數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)楊村主井的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，計(jì)算分析凍結(jié)壁平均溫度和厚度、溫度場(chǎng)分布、開(kāi)挖井幫溫度等指標(biāo)。這些指標(biāo)對(duì)更好的控制開(kāi)挖進(jìn)度、鹽水溫度、分析施工中碰到的問(wèn)題都起著指導(dǎo)作用。

ANSYS數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)各個(gè)考察地層都進(jìn)行了數(shù)值模擬。首先，立井凍結(jié)鑿井溫度場(chǎng)其豎直方向上的尺寸遠(yuǎn)超過(guò)水平方向，且凍結(jié)過(guò)程中豎直方向?qū)嵯鄬?duì)較弱，可以作為二維平面問(wèn)題計(jì)算各個(gè)層位的溫度場(chǎng)。以孔位終測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立考察地層的二維數(shù)值模型，并劃分網(wǎng)格。接著將各個(gè)地層第一天的監(jiān)測(cè)溫度作為初始地溫并依據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的土（巖）性設(shè)置初步的土性參數(shù)，其中包括熱傳導(dǎo)率、比熱容、比重、焓值等。

凍結(jié)管中的低溫鹽水對(duì)土層的降溫有直接的作用，每個(gè)層位凍結(jié)管的溫度荷載T，即鹽水命令流，以管頭的鹽水去/回路溫度作為計(jì)算依據(jù)，然后按下式進(jìn)行計(jì)算。

加載鹽水命令流之后，設(shè)置每天24h一計(jì)算步，即可以提取每天的計(jì)算結(jié)果。經(jīng)過(guò)計(jì)算，將測(cè)溫孔的模擬溫度與測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)作比較，調(diào)整模型的土性參數(shù)，使模擬結(jié)果與測(cè)溫結(jié)果偏差控制在±1℃以?xún)?nèi)，使模擬結(jié)果更加可靠。

667m各個(gè)測(cè)溫孔與ANSYS數(shù)值模擬溫度對(duì)比圖（見(jiàn)圖1～圖4）。

4.2 深層位凍結(jié)溫度場(chǎng)分析計(jì)算

對(duì)各個(gè)層位的開(kāi)挖時(shí)間按以上開(kāi)挖速度進(jìn)行計(jì)算，并提取各個(gè)層位的預(yù)測(cè)掘砌日期的凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)提取方法如下。

凍結(jié)壁的平均厚度：以-3℃作為凍結(jié)溫度，提取-3℃以下的凍結(jié)壁區(qū)域數(shù)據(jù)，以井筒圓心為中心，按凍結(jié)壁外邊緣距離減去內(nèi)邊緣距離來(lái)計(jì)算環(huán)形凍結(jié)壁的厚度。如果有入荒長(zhǎng)度的存在，即凍結(jié)壁區(qū)域侵入開(kāi)挖荒徑以?xún)?nèi)，則要以?xún)鼋Y(jié)壁外邊緣距離減去開(kāi)挖荒徑來(lái)計(jì)算凍結(jié)壁厚度。最后按照20個(gè)方向的厚度值的平均值作為凍結(jié)壁的平均厚度。凍結(jié)壁的平均溫度：采用凍結(jié)壁區(qū)域的溫度按區(qū)域面積進(jìn)行加權(quán)平均來(lái)計(jì)算。井幫溫度：以井心為圓心按照開(kāi)挖荒徑畫(huà)一圓，提取圓周上的溫度值。

4.3 副井累深667m層位（細(xì)砂巖）凍結(jié)溫度場(chǎng)計(jì)算分析

667m層位凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展753d成的凍結(jié)溫度場(chǎng)云圖見(jiàn)圖5～圖6及表3。

5 結(jié) 語(yǔ)

①楊村煤礦副井?dāng)?shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,二者之間具有相同的變化規(guī)律。

②研究表明,可以通過(guò)數(shù)值模擬方法進(jìn)行楊村礦井副井深層位凍結(jié)法施工凍結(jié)溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)分析。

③加強(qiáng)凍結(jié)，降低鹽水溫度，對(duì)少數(shù)斷裂不能恢復(fù)的凍結(jié)管附近的其它凍結(jié)管加大鹽水流量循環(huán)，以減少凍結(jié)壁發(fā)展的不均勻性?？煽紤]在該層位井筒內(nèi)部采取加強(qiáng)凍結(jié)的措施，以達(dá)到降低井幫溫度、減小井幫位移和底鼓量，縮短凍結(jié)時(shí)間之目的。

表3

[1]馬巍，王大雁.深土凍土力學(xué)的研究現(xiàn)狀與思考[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012(6).

[2]楊平，陳明華，張維敏，等.凍結(jié)壁形成及解凍規(guī)律實(shí)測(cè)研究[J].冰川凍土，1998(2).

[3]榮傳新,王秀喜,程樺,等.凍結(jié)壁穩(wěn)定性分析的黏彈塑性模型[J].力學(xué)與實(shí)踐,2005（27）.

[4]蔡海兵,程樺,榮傳新.深埋凍結(jié)壁變形特性的理論分析及數(shù)值模擬[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008(3).

[5]汪仁和，李棟偉，王秀喜.改進(jìn)的西原模型及其在凍結(jié)壁上的應(yīng)用[J].力學(xué)與實(shí)踐，2006(1).

[6]王衍森,楊維好,任彥龍.凍結(jié)法鑿井凍結(jié)溫度場(chǎng)的數(shù)值反演與模擬[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（5）.