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        煤礦分時(shí)差異凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值分析研究

        2021-07-24 02:24:00王曉健李召勝張亮亮孫仕元沈仁為方根生
        煤礦安全 2021年7期
        關(guān)鍵詞:副井外排供冷

        王曉健,李召勝,張亮亮,孫仕元,沈仁為,方根生

        (1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.淮滬煤電有限公司 丁集煤礦,安徽 淮南 232142)

        隨著煤炭資源的開(kāi)發(fā)利用,我國(guó)淺部煤層被開(kāi)采殆盡,開(kāi)采過(guò)程逐漸向深部地層轉(zhuǎn)移[1-2]。深部煤層上部多覆蓋深厚松散層,井筒穿過(guò)的地層條件錯(cuò)綜復(fù)雜[3-5],為了保證開(kāi)鑿圍巖和井筒穩(wěn)定性,需采取特殊的鑿井技術(shù)進(jìn)行施工。凍結(jié)法因其安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)在深部地層建井工程中得到了廣泛應(yīng)用[6-7],該方法利用人工制冷技術(shù)對(duì)井筒周圍地層進(jìn)行降溫,旨在井筒四周形成一定厚度凍結(jié)壁,以抵抗地層水土壓力,切斷地下水與井筒之間的聯(lián)系,提高地層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[8-9]。

        分析凍結(jié)期間地層溫度場(chǎng)變化是研究?jī)鼋Y(jié)壁厚度發(fā)展規(guī)律的關(guān)鍵,目前國(guó)內(nèi)外研究人員主要通過(guò)理論解析分析、計(jì)算機(jī)軟件數(shù)值模擬(ANSYS、MAKE、ABAQUS、ADINA等)、物理模型試驗(yàn)、工程經(jīng)驗(yàn)分析等對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行研究[10]。程樺等[11]運(yùn)用數(shù)值分析軟件對(duì)井筒凍結(jié)中飽和砂土凍結(jié)規(guī)律進(jìn)行了模擬;孫杰龍等[12]給出了單根凍結(jié)管的凍結(jié)壁溫度場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型,根據(jù)場(chǎng)的疊加原理得到了富水砂層凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的分布規(guī)律;陳軍浩等[13]通過(guò)建立三維數(shù)值模型研究了軟土地層中聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律;李懷鑫等[14]對(duì)雙圈管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)形成過(guò)程以及對(duì)凍結(jié)壁平均溫度的影響因素進(jìn)行了研究。上述研究分析了多種土性溫度場(chǎng)的演化規(guī)律,但根據(jù)深部地層水土壓力設(shè)計(jì)的凍結(jié)壁厚度足以滿足淺部地層開(kāi)挖條件,增加了建井成本,目前對(duì)凍結(jié)壁厚度優(yōu)化的研究相對(duì)較少,在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗的凍結(jié)方案有待進(jìn)一步研究。為此以丁集煤礦第二副井為研究對(duì)象,通過(guò)改變外排孔的供冷時(shí)間,利用有限元數(shù)值分析軟件對(duì)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,比較分析不同供冷時(shí)間下的凍結(jié)壁厚度、井幫溫度、測(cè)溫孔的溫度變化規(guī)律,在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下得到最佳的供冷時(shí)間,達(dá)到節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的,對(duì)類似工程具有一定的參考意義。

        1 工程概況

        丁集煤礦第二副井設(shè)計(jì)全深為1 042 m,井底車場(chǎng)水平-990 m,井筒凈直徑8.6 m,最大掘進(jìn)荒徑為13.6 m,井筒穿過(guò)的地層主要為新生界沖積層和二疊系石盒子組含煤地層,新生界地層厚度為533.05 m,風(fēng)化帶厚度為12.35 m。新生界地層依據(jù)地層特征自上而下可劃分為上、中、下3個(gè)含水層組及上、中2個(gè)隔水層組,含水層主要由細(xì)砂、粉細(xì)砂、中細(xì)砂、薄層砂質(zhì)黏土及礫石組成,隔水層的成分主要是黏土和砂質(zhì)黏土,風(fēng)化帶的巖性為風(fēng)化砂質(zhì)泥巖,呈土黃色,風(fēng)化嚴(yán)重,煤礦表土段采用凍結(jié)法施工,凍結(jié)深度為574 m。

        2 凍結(jié)方案

        2.1 凍結(jié)孔布置

        丁集煤礦第二副井共設(shè)計(jì)凍結(jié)孔145個(gè),測(cè)溫孔6個(gè),凍結(jié)孔設(shè)計(jì)方案采用“外排孔+中排孔+內(nèi)排孔+防片孔”的四圈孔布置方式。凍結(jié)孔采用“三去三回”鹽水供冷方式,將外排孔、中排孔、內(nèi)排孔+防片孔鹽水系統(tǒng)分開(kāi),便于根據(jù)需要控制和調(diào)節(jié)各排凍結(jié)孔的供冷時(shí)間和供冷量。

        外排孔選用優(yōu)質(zhì)低碳無(wú)縫異徑鋼管(深度0~340 m直徑為108 mm,深度340~538 m直徑為140 mm),穿過(guò)松散層,進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化帶,其主要作用是增加凍結(jié)壁厚度、降低凍結(jié)壁平均溫度、增強(qiáng)凍結(jié)壁整體穩(wěn)定性。中排孔為主凍結(jié)孔,采用差異凍結(jié)方案,選用159 mm大直徑凍結(jié)管,對(duì)凍結(jié)壁的形成與維護(hù)起主要作用,保證凍結(jié)壁的有效厚度及平均溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。內(nèi)排孔也采用大直徑凍結(jié)管差異凍結(jié)的方式,主要作用是降低凍結(jié)壁的平均溫度,加強(qiáng)黏土層的凍結(jié)。防片孔采用直徑140 mm凍結(jié)管,起降低井幫溫度、防止上部片幫、實(shí)現(xiàn)提前開(kāi)挖的作用[15]。凍結(jié)孔的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。井筒鉆孔平面布置圖如圖1。

        圖1 丁集煤礦第二副井井筒鉆孔平面布置圖Fig.1 The borehole layout diagram of the second auxiliary shaft in Dingji Coal Mine

        2.2 凍結(jié)壁厚度的確定

        根據(jù)MT/T 1124—2011《煤礦凍結(jié)法鑿井技術(shù)規(guī)程》[16]中的強(qiáng)度公式計(jì)算凍結(jié)壁厚度:

        式中:E為凍結(jié)壁厚度,m;k為安全系數(shù),取1.4;η為段高兩端固定系數(shù),取0.15;p為地壓,MPa,其值按0.013H計(jì)算,H為計(jì)算地層的深度;h為安全掘進(jìn)段高,取2.5 m;σ為凍土長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度,取3.4 MPa。

        根據(jù)式(1)計(jì)算得出:累深168 m處的凍結(jié)壁厚度為3.31 m,累深336 m處的凍結(jié)壁厚度為6.62 m,考慮井筒掘進(jìn)荒徑的大小及工程施工經(jīng)驗(yàn)綜合確定累深168 m和336 m的凍結(jié)壁厚度分別為4.0、7.5 m。

        3 凍結(jié)壁溫度場(chǎng)模型及參數(shù)

        3.1 凍結(jié)溫度場(chǎng)熱傳導(dǎo)微分方程

        凍結(jié)溫度場(chǎng)反映了某一時(shí)刻凍結(jié)壁每點(diǎn)的溫度分布狀況,是各點(diǎn)溫度的集合[17-18]。土體的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)因?yàn)橥馏w狀態(tài)的改變而變化,導(dǎo)致凍結(jié)壁的凍結(jié)鋒面總是變化的[19],再者凍結(jié)管不斷向井筒周圍的土體供冷,凍結(jié)壁各點(diǎn)的溫度也會(huì)隨著時(shí)間的發(fā)展而不斷變化,故凍結(jié)溫度場(chǎng)是1個(gè)有移動(dòng)邊界、相變、內(nèi)熱源、邊界條件復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱問(wèn)題。由于凍結(jié)壁在豎直方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平方向,且凍結(jié)過(guò)程中土體在豎直方向的熱傳導(dǎo)相對(duì)于水平方向很弱,故可以將凍結(jié)壁溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化為平面軸對(duì)稱導(dǎo)熱問(wèn)題,其導(dǎo)熱方程可表示為[20]:

        式中:tn為溫度分布,℃,n為巖石狀態(tài),n=1為融土,n=2為凍土;τ為凍結(jié)時(shí)間,s;an為導(dǎo)溫系數(shù),m2/s,an=λn/cn;λn為導(dǎo)熱系數(shù);cn為容積比熱;r為圓柱坐標(biāo),以井筒中心為原點(diǎn),m。

        在凍結(jié)開(kāi)始前,井筒周圍的土體溫度t(r,0)具有均一的初始溫度t0:

        在無(wú)限遠(yuǎn)處,土體溫度t(∞,τ)不受凍結(jié)的影響,為初始溫度:

        在凍結(jié)鋒面上,溫度(ξN,τ)始終為凍結(jié)溫度td:

        凍結(jié)鋒面兩側(cè)的熱平衡方程為:

        在凍結(jié)圈上:

        式中:t1、t2為凍結(jié)鋒面兩側(cè)溫度;t0為地層初始溫度,℃;ξN為凍結(jié)鋒面在N區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo),m,當(dāng)N=1時(shí),為0≤ξ1≤R0,即凍結(jié)封面在凍結(jié)管布置半徑以內(nèi),當(dāng)N=2時(shí),為R0≤ξ2,即凍結(jié)封面在凍結(jié)管布置半徑以外;td為巖土的凍結(jié)溫度,℃;λ1、λ2為融土、凍土的導(dǎo)熱系數(shù),J/(m·s·K);δn為巖土凍結(jié)時(shí)單位容積潛熱量,J/m3;R0為凍結(jié)管布置半徑,m;tc為鹽水溫度,℃。

        3.2 凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值模型的建立

        丁集煤礦第二副井?dāng)?shù)值模型取凍結(jié)管的影響半徑為60 m。淺部地層以累深168 m砂質(zhì)黏土層為例,深部地層以336 m黏土層為例,根據(jù)凍結(jié)孔的實(shí)際位置,按平面問(wèn)題建立凍結(jié)溫度場(chǎng)的有限元計(jì)算模型[21]。模型采用三節(jié)點(diǎn)三角形的二維實(shí)體熱單元來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為了合理劃分單元,使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確,在靠近凍結(jié)管的區(qū)域,將單元?jiǎng)澐值妮^密,在遠(yuǎn)離凍結(jié)管的區(qū)域,由于溫度梯度小,將單元?jiǎng)澐值妮^稀疏[22],累深168 m溫度場(chǎng)數(shù)值模型共劃分了15 944個(gè)網(wǎng)格單元和8 722個(gè)節(jié)點(diǎn),累深336 m溫度場(chǎng)數(shù)值模型共劃分了12 866個(gè)網(wǎng)格單元和7 123個(gè)節(jié)點(diǎn),溫度場(chǎng)數(shù)值模型網(wǎng)格劃分如圖2。

        圖2 溫度場(chǎng)數(shù)值模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Temperature field numerical model meshing

        3.3 邊界條件及熱物理參數(shù)

        在數(shù)值模擬中,將每根凍結(jié)管看作模型中的單一節(jié)點(diǎn),將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鹽水溫度看作節(jié)點(diǎn)荷載施加在對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上,模型的外邊界假定為固定約束且是絕熱的[23],模型邊界有恒定的地溫,累深168 m和336 m的初始溫度分別為22.0℃、25.3℃,凍結(jié)鹽水溫度為-32℃~-34℃,模擬凍結(jié)時(shí)間為300 d。

        對(duì)第二副井檢查孔采集的土體樣本進(jìn)行常規(guī)土工試驗(yàn)和凍土試驗(yàn),測(cè)定土體的熱物理參數(shù)見(jiàn)表2。

        表2 土體的熱物理參數(shù)Table 2 The thermophysical parameters of the soil body

        4 分時(shí)凍結(jié)數(shù)值模擬分析

        4.1 淺部地層外排孔不同時(shí)間供冷模擬分析

        丁集煤礦第二副井井筒在凍結(jié)120 d后正式開(kāi)挖,淺部地層以累深168 m砂質(zhì)黏土層為例,按照120 m/月~150 m/月的施工速度計(jì)算,掘進(jìn)到累深168 m時(shí)總凍結(jié)時(shí)間約為158 d,設(shè)計(jì)要求凍結(jié)壁厚度為4.0 m,井幫溫度不高于-10℃。

        為了測(cè)量?jī)鼋Y(jié)壁厚度,在井筒圓周上按順時(shí)針?lè)较蛎扛?5°從井心到凍結(jié)壁外側(cè)建立1條路徑,共8條。土體中的水由于受到土顆粒表面作用力、水中的鹽分及地壓力的影響,其凍結(jié)溫度低于0℃,第二副井土體的凍結(jié)溫度由土工試驗(yàn)測(cè)定為-4℃,凍結(jié)壁的有效厚度為井幫(距井心6.80 m)至-4℃土體的垂直距離。

        在主凍結(jié)孔供冷開(kāi)始后,將外排孔分別延遲40、60、80 d供冷,利用有限元軟件分別對(duì)這3種情況進(jìn)行數(shù)值模擬,主凍結(jié)孔凍結(jié)158 d后,累深168 m外排孔不同時(shí)間供冷溫度場(chǎng)云圖及3種溫度變化曲線如圖3。

        圖3 累深168 m外排孔不同時(shí)間供冷溫度場(chǎng)云圖及3種溫度變化曲線Fig.3 Cloud diagrams of cooling temperature field and three temperature change curves in different time of the depth 168 m outer drainage hole

        累深168 m數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,從表3計(jì)算結(jié)果得知外排孔推遲40 d供冷,凍結(jié)壁平均厚度為10.00 m,井幫平均溫度為-12.9℃,遠(yuǎn)大于凍結(jié)壁設(shè)計(jì)要求,浪費(fèi)了大量的能源。

        表3 累深168 m數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Table 3 Numerical simulation results of depth 168 m

        將外排孔供冷時(shí)間推遲60 d,與供冷時(shí)間推遲40 d相比外排孔附近的土體溫度有所升高,凍結(jié)壁厚度減少了0.88 m,明顯變薄,井幫平均溫度升高了1.2℃,仍滿足設(shè)計(jì)要求。

        將外排孔供冷時(shí)間推遲80 d,由于凍結(jié)時(shí)間較短,外排孔周圍的凍結(jié)壁并沒(méi)有完全交圈,此時(shí)凍結(jié)壁厚度雖更接近設(shè)計(jì)要求,但井幫溫度高于-10℃,凍結(jié)壁強(qiáng)度和穩(wěn)定性較低,有發(fā)生片幫的風(fēng)險(xiǎn),故外排孔推遲80 d供冷不可取。

        數(shù)值模擬中,外排孔推遲60 d供冷時(shí),C1測(cè)溫孔的溫度變化與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最為符合,由于C4測(cè)溫孔位于中排孔和內(nèi)排孔之間,外排孔推遲供冷對(duì)其影響較小,由于數(shù)值模擬結(jié)果受到熱力學(xué)參數(shù)均一、地質(zhì)條件良好、無(wú)地下滲流影響等假設(shè)限制,其溫度略低于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

        4.2 深部地層外排孔不同時(shí)間供冷模擬分析

        深部地層以累深336 m黏土層為例,按照200 m以上120~150 m/月,200 m以下100~120 m/月的施工速度計(jì)算,掘進(jìn)到累深336 m時(shí)凍結(jié)總時(shí)間約為222 d,設(shè)計(jì)要求凍結(jié)壁厚度為7.5 m,井幫溫度不高于-10℃取與累深168 m相同路徑,累深336 m外排孔不同時(shí)間供冷溫度場(chǎng)云圖及3種溫度變化曲線如圖4。累深336 m數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

        圖4 累深336 m外排孔不同時(shí)間供冷溫度場(chǎng)云圖及3種溫度變化曲線Fig.4 Cloud diagrams of cooling temperature field and three temperature change curves in different time of the depth 336 m outer drainage hole

        表4 累深336 m數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Table 4 Numerical simulation results of depth 336 m

        累深336 m黏土層將外排孔供冷時(shí)間推遲60 d與供冷時(shí)間推遲40 d相比,凍結(jié)壁厚度減少0.23 m,井幫平均溫度升高0.5℃;供冷時(shí)間推遲80 d與供冷時(shí)間推遲60 d相比,凍結(jié)壁厚度減少0.17 m,井幫平均溫度升高0.6℃,凍結(jié)壁平均厚度及井幫平均溫度變化均較小,且均滿足設(shè)計(jì)要求。

        C1測(cè)溫孔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的溫度變化與推遲60 d供冷的數(shù)值分析結(jié)果基本一致,推遲40、80 d供冷在凍結(jié)初期與實(shí)測(cè)相比差別較大,隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng),溫度逐漸趨于一致,此時(shí)井筒已進(jìn)入維持凍結(jié)期,凍結(jié)壁發(fā)展較慢,由此可見(jiàn)深部地層受外排孔推遲供冷的影響較小。

        5 結(jié)論

        1)結(jié)合丁集礦第二副井凍結(jié)壁優(yōu)化設(shè)計(jì),提出了厚松散層井筒分時(shí)差異凍結(jié)方案,該方案在保證深部地層凍結(jié)壁厚度的同時(shí)可有效減小淺部地層凍結(jié)壁厚度,利于井筒掘進(jìn),節(jié)約建井成本,縮短建井周期。

        2)丁集煤礦第二副井凍結(jié)壁溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果表明:將外排孔推遲60 d供冷時(shí)凍結(jié)效果達(dá)到最優(yōu),淺部地層凍結(jié)壁平均厚度明顯減小,而對(duì)深部地層影響很小,其凍結(jié)壁厚度與井幫溫度亦都能滿足設(shè)計(jì)要求,2種層位現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)測(cè)溫孔的溫度變化與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

        3)煤礦分時(shí)差異凍結(jié)可以降低凍結(jié)初期的能源消耗,提高經(jīng)濟(jì)效益,節(jié)能環(huán)保,可為類似地質(zhì)條件井筒凍結(jié)法施工提供有益借鑒。

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