亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        巖土凍結(jié)的主要影響因素分析及應(yīng)對(duì)措施

        2023-12-04 07:33:40張慶武陰子曄劉樹(shù)弟
        煤炭與化工 2023年10期
        關(guān)鍵詞:冷量熱源井筒

        張慶武,陰子曄,劉樹(shù)弟

        (唐山開(kāi)灤建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,河北 唐山 063000)

        0 引言

        巖土凍結(jié)是采用人工制冷技術(shù)暫時(shí)加固不穩(wěn)定地層和隔絕地下水的施工方法[1]。為保障構(gòu)筑物安全,保證快速施工進(jìn)程不被干擾,需要結(jié)合構(gòu)筑物所處位置地層性質(zhì)、地下水流態(tài)等復(fù)雜環(huán)境條件,人工改造出不同厚度、強(qiáng)度的凍結(jié)壁,但施工過(guò)程中由于散熱系數(shù)選取不合理造成人工制冷設(shè)備過(guò)多、浪費(fèi)嚴(yán)重,或設(shè)備制冷量不夠造成工期延長(zhǎng),甚至不能形成完整凍結(jié)壁的情況時(shí)有發(fā)生。

        自開(kāi)灤林西風(fēng)井1956 年成功應(yīng)用凍結(jié)法施工后,我國(guó)煤礦應(yīng)用凍結(jié)法立井井筒達(dá)700 余座,地鐵聯(lián)絡(luò)通道等凍結(jié)工程千余座,近幾十年來(lái),國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)蓬勃發(fā)展,人們生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)向西部延伸,礦產(chǎn)資源呈現(xiàn)出向深部開(kāi)采的趨勢(shì)。地基基礎(chǔ)、地下交通工程、水利工程、煤礦礦井建設(shè)等地下空間的開(kāi)發(fā)、利用、建設(shè)也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者也開(kāi)展了凍結(jié)巖土系列研究[2-3]。尹楠等[4]對(duì)比分析華東、西北地區(qū)的白堊系、侏羅系地層巖石物理力學(xué)特性,提出以防水為主、加大凍結(jié)管圈經(jīng)的地層凍結(jié)方案,為類(lèi)似條件施工提供技術(shù)參考;王曉東等[5]通過(guò)分析巖石多個(gè)物理參數(shù)受溫度變化的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)凍結(jié)巖石強(qiáng)度得到加強(qiáng),凍融循環(huán)使巖石強(qiáng)度削弱,并結(jié)合所研究礦區(qū)邊坡調(diào)查分析,歸納出該礦區(qū)邊坡破壞現(xiàn)象和類(lèi)型,破壞模式為淺表漸進(jìn)式破壞;房昕等[6]采用間接耦合分析方法,為人工凍結(jié)地下巖土溫度場(chǎng)求解提供了一種將獨(dú)立流體分析結(jié)果導(dǎo)入到熱分析中的新思路;黃益順等[7]通過(guò)對(duì)比分析凍結(jié)狀態(tài)下不同深度巖層的熱物理學(xué)參數(shù)和低溫狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù),為類(lèi)似工況礦井建設(shè)提供參考。

        本文結(jié)合熱力學(xué)對(duì)凍結(jié)壁表面熱量與凍結(jié)管總散熱能力分析凍結(jié)巖土技術(shù)原理,通過(guò)對(duì)凍結(jié)巖土熱源分析,探討巖土凍結(jié)需冰量的主要影響因素,分析各種因素對(duì)凍結(jié)壁的影響程度,提出克服巖土凍結(jié)不利因素的應(yīng)對(duì)措施,為礦井建設(shè)、凍結(jié)巖土施工安全保駕護(hù)航。

        1 巖土凍結(jié)原理

        按照熱力學(xué)第一定律(能量守恒定律)[8]對(duì)凍結(jié)壁表面熱量損失量與凍結(jié)管總散熱能力進(jìn)行分析,充分考慮地下水流態(tài)、地溫、通風(fēng)等實(shí)際熱源的影響,準(zhǔn)確計(jì)算凍結(jié)壁表面熱量損失量,進(jìn)而計(jì)算散熱系數(shù)值、凍結(jié)管總散冷量值,針對(duì)具體工程熱源特點(diǎn)采取合理應(yīng)對(duì)措施,確保巖土凍結(jié)施工安全、高效。為實(shí)現(xiàn)巖土中水的結(jié)冰,凍結(jié)管的總散熱能力應(yīng)大于凍結(jié)體表面熱量損失,而總散熱能力為凍結(jié)管的散冷面積與散熱系數(shù)的乘積,在能夠準(zhǔn)確計(jì)算凍結(jié)管散冷面積的條件下,散熱系數(shù)大小對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算凍結(jié)管總散冷量尤為重要。由傳熱學(xué)理論可知,散熱系數(shù)與管內(nèi)外流體的傳熱系數(shù)、傳導(dǎo)材料的導(dǎo)熱系數(shù)和厚度有關(guān),因此,凍結(jié)管總散冷量的計(jì)算應(yīng)根據(jù)鹽水溫度、流態(tài)和地溫、地下水流速、地層導(dǎo)熱性能、凍結(jié)壁厚度等數(shù)值計(jì)算。

        2 巖土凍結(jié)影響因素分析

        巖土凍結(jié)通過(guò)在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)低溫鹽水實(shí)現(xiàn)與管外熱源的冷量交換,以熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱形式為主,以凍結(jié)法應(yīng)用最廣泛的井筒或地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程為研究對(duì)象,對(duì)各階段熱源影響因素進(jìn)行分析,按照穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)理論進(jìn)行換熱量計(jì)算[8],得出凍結(jié)壁在不同方向差異較大的原因是由于凍結(jié)過(guò)程中熱源不同。開(kāi)挖前熱源以地溫、地下水流動(dòng)換熱為主,開(kāi)挖后凍結(jié)壁外側(cè)熱源不變,而內(nèi)側(cè)則以地溫、隧道通風(fēng)、混凝土水化熱為主。

        巖土熱交換量可按照每米長(zhǎng)圓筒壁導(dǎo)熱熱流量公式計(jì)算:

        式中:ql為每米導(dǎo)熱熱流量,w/m;tf1、tf2為凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度和凍結(jié)壁外側(cè)地溫,℃;λi為地層導(dǎo)熱系數(shù),w/(m·k);h1、h2為凍結(jié)管內(nèi)、凍結(jié)壁外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù),w/(m2·k)。

        由式(1)可知,導(dǎo)熱流量和凍結(jié)管內(nèi)低溫冷媒劑溫度與凍結(jié)壁外地溫(水溫)之差成正比,和凍結(jié)管內(nèi)低溫鹽水及地下水對(duì)流換熱系數(shù)、地層導(dǎo)熱系數(shù)成正比,和凍結(jié)壁外徑與凍結(jié)管外徑之比的自然對(duì)數(shù)成反比。

        2.1 影響凍結(jié)壁形成的熱源分析

        2.1.1 地?zé)釋?duì)凍結(jié)需冷量計(jì)算的影響

        由導(dǎo)熱熱流量公式(1)可知,凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度和凍結(jié)壁外地溫之差成正比關(guān)系,由于巖土凍結(jié)鹽水溫度為-30 ℃左右,原始地溫高低直接關(guān)系到導(dǎo)熱量的大小,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中表現(xiàn)為低地溫地層凍土擴(kuò)展速度快[9]。這也符合熱平衡原理,低地溫冷量損失小,高溫冷量損失大。

        式中:Tf為積極凍結(jié)期,d;QRe為凍結(jié)壁總需冷量,kcal;QT為凍結(jié)管總散熱能力,kcal/h;Qsu為凍結(jié)壁表面熱量損失,kcal/h。

        表1 是4 個(gè)井筒原始地溫與交圈時(shí)間的實(shí)際數(shù)值,地溫高的井筒,積極凍結(jié)期明顯長(zhǎng)于地溫低的井筒。

        表1 部分井筒交圈時(shí)間對(duì)比Table 1 Comparison of partial wellbore intersection time

        2.1.2 地下水流速及性質(zhì)對(duì)巖土凍結(jié)影響

        由導(dǎo)熱熱流量式(1)可知,地下水對(duì)流換熱系數(shù)是影響導(dǎo)熱量的因素之一,由橫掠單管對(duì)流換熱茹卡烏斯公式可知:

        換熱系數(shù)h 和地下水流速U∞成正比,實(shí)際施工中也發(fā)生過(guò)個(gè)別井筒土層地下水流速過(guò)快,而難以凍結(jié)交圈的現(xiàn)象,因此,在計(jì)算凍結(jié)需冷量時(shí),一定重視地下水流速的影響[10]。

        鄭州地鐵七號(hào)線孫八寨站端頭洞門(mén)凍結(jié)施工中,外圈凍結(jié)壁未按設(shè)計(jì)工期交圈,經(jīng)分析為臨近有水井排水,加快了地下水流速,造成交圈困難,后對(duì)該井進(jìn)行封堵后,地下水流速減慢,凍結(jié)帷幕順利交圈(圖1),可知28 d 時(shí)水井出水、流速加快,測(cè)溫孔降溫速度減慢,50 d 時(shí)封堵水井,溫度很快降至結(jié)冰點(diǎn)以下。

        圖1 某洞門(mén)9 m點(diǎn)溫度變化曲線Fig.1 Temperature variation curve of 9 m point in a tunnel portal

        地下水給凍結(jié)帶來(lái)的影響除流速外,水的種類(lèi)和水質(zhì)對(duì)凍結(jié)會(huì)帶來(lái)一定影響,地層中重力水、毛細(xì)管水所占比重大,則凍結(jié)速度快、凍土強(qiáng)度高;吸著水、薄膜水水所占比重大,則凍結(jié)速度慢、凍土強(qiáng)度低。在施工中表現(xiàn)為凍土擴(kuò)展速度和強(qiáng)度為巖石>粗顆粒土層>細(xì)顆粒土層>黏土層。

        地下水中鹽分含量高,將使土層結(jié)冰點(diǎn)降低,增加結(jié)冰難度,圖2、圖3 可以顯示含鹽土層交圈距離比不含鹽土層大、凍土擴(kuò)展速度慢[11]。

        圖2 不含鹽交圈時(shí)刻Fig.2 Salt-free intersection time

        圖3 含鹽2%-9 h 交圈時(shí)刻Fig.3 Crossover time of salt 2%and 9 h

        2.1.3 其他影響因素

        巖土凍結(jié)冷量交換、水泥水化熱和井內(nèi)通風(fēng)[12]、土層的導(dǎo)熱系數(shù)及凍結(jié)壁厚度等多種因素同樣會(huì)對(duì)凍結(jié)巖土施工造成影響。巖土凍結(jié)冷量交換通過(guò)在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)鹽水來(lái)實(shí)現(xiàn),管內(nèi)鹽水流速和對(duì)流換熱系數(shù)成正比,提高流速會(huì)提高對(duì)流換熱系數(shù),進(jìn)而提高換熱效率。水泥水化熱和井內(nèi)通風(fēng)在構(gòu)筑物施工過(guò)程中,會(huì)帶走一定冷量,隨著構(gòu)筑物深度增加、厚度加大,冷量損耗也會(huì)加大。在施工中,應(yīng)根據(jù)井筒深度、井壁厚度、直徑、混凝土標(biāo)號(hào)等實(shí)際計(jì)算水化熱;按通風(fēng)量、溫度計(jì)算風(fēng)的冷量損失,調(diào)整冷量輸送量。土層的導(dǎo)熱系數(shù)大,凍土擴(kuò)展速度快,實(shí)際工程中體現(xiàn)為巖石>粗顆粒土層>細(xì)顆粒土層>黏土層。隨著凍結(jié)壁厚度增加,凍土擴(kuò)展速減慢,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也顯示此規(guī)律。

        2.2 凍結(jié)壁發(fā)展不同階段熱源影響規(guī)律

        2.2.1 送冷量

        (1)不同階段制冷設(shè)備向地層的送冷量可以由式(7)求得:

        式中:Q 為鹽水送冷量;Wbr為鹽水流量;△t為鹽水去回路溫差;rbr為鹽水容重;Cbr為鹽水比熱。

        由圖4 可知,凍結(jié)壁形成段人工制冷系統(tǒng)向地層輸送的冷量逐漸加大,在交圈時(shí)冷量達(dá)到最大值,此時(shí)熱交換充分,制冷系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn);交圈至開(kāi)挖為凍結(jié)壁加強(qiáng)階段,鹽水去回路溫差緩慢減小,熱交換量逐漸減??;井筒開(kāi)挖后,凍結(jié)壁已達(dá)到設(shè)計(jì)厚度、強(qiáng)度,進(jìn)入維持凍結(jié)階段,制冷設(shè)備的逐漸減少,鹽水溫度逐漸回升,但溫差基本維持穩(wěn)定;套壁階段制冷系統(tǒng)輸送冷量進(jìn)一步減少,鹽水溫度進(jìn)一步回升,溫差減小。

        圖4 紅二礦風(fēng)井不同階段鹽水溫度變化曲線Fig.4 The temperature change curve of brine in different stages of a mine

        2.2.2 各階段的熱源分析

        (1)凍結(jié)壁形成階段。該階段從凍結(jié)送冷開(kāi)始至凍結(jié)壁交圈,凍結(jié)孔內(nèi)低溫鹽水與周?chē)責(zé)帷⒌叵滤鬟M(jìn)行熱交換,凍結(jié)壁內(nèi)外側(cè)(同一凍結(jié)圈)擴(kuò)展速度基本一致,凍結(jié)管內(nèi)外側(cè)凍結(jié)壁厚度對(duì)稱。在進(jìn)行井筒需冷量計(jì)算及設(shè)備配置時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮原始地溫、地下水流速因素,按最不利地層選取散熱系數(shù),計(jì)算需冷量。

        (2)凍結(jié)壁加強(qiáng)階段。該階段凍結(jié)壁已交圈,凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)地下水不再流動(dòng),無(wú)地下水對(duì)流換熱。凍結(jié)壁外側(cè)地下水流速、地溫不改變。凍結(jié)壁外側(cè)(同一凍結(jié)圈)擴(kuò)展速度小于內(nèi)側(cè),凍結(jié)溫度場(chǎng)曲線不再對(duì)稱。

        (3)凍結(jié)體開(kāi)挖階段。該階段凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)隨著通風(fēng)、混凝土澆筑水化熱影響,熱交換速度加快,且變化幅度隨著構(gòu)筑物延伸逐漸加大,而外側(cè)(同一凍結(jié)圈)熱源不變。

        (4)構(gòu)筑物實(shí)施階段。該階段構(gòu)筑物外壁已形成,增加了一隔熱層,減輕了構(gòu)筑物內(nèi)側(cè)風(fēng)流動(dòng)帶來(lái)的影響,外側(cè)熱源不變;此時(shí)井筒需冷量主要維持凍結(jié)壁原有狀態(tài),制冷設(shè)備開(kāi)機(jī)較少。

        3 巖土凍結(jié)不利影響因素的應(yīng)對(duì)措施

        (1)應(yīng)對(duì)高地溫措施。高地溫將帶來(lái)凍結(jié)壁表面冷量損失的加大,由式(2)可知,為保證凍結(jié)按期交圈,必須加大凍結(jié)壁總散熱能力,按照實(shí)際地溫與正常地溫的比值,加大凍結(jié)管散熱系數(shù)值,增加制冷設(shè)備數(shù)量。由圖1 可知,高地溫井筒需冷量大,配備制冷設(shè)備較低地溫井筒多。

        (2)應(yīng)對(duì)地下水高流速措施。①造孔時(shí)封堵地下水通道,減小凍結(jié)區(qū)域地下水流速,這一方法可通過(guò)造孔時(shí)向含水層注入濃泥漿或水泥—黏土漿的方式,減少凍結(jié)位置的孔隙率、裂隙率,減緩地下水流速,實(shí)現(xiàn)凍結(jié)壁正常交圈上水,三港灣鐵礦風(fēng)井礫石含水層滲透系數(shù)達(dá)47 m/d,造孔過(guò)程中,采取投泥球+注水泥黏土漿的工藝[13],使凍結(jié)范圍內(nèi)滲透系數(shù)在開(kāi)凍前不超過(guò)4 m/d,實(shí)現(xiàn)了凍結(jié)壁順利交圈上水;②加密凍結(jié)孔,增加換熱面積,提高換熱系數(shù),由傳熱學(xué)知識(shí)可知,加密凍結(jié)孔可增加傳熱面積和換熱系數(shù)[14],特別是多排孔凍結(jié)時(shí)凍結(jié)孔叉排布置效果更好,潘三礦新西風(fēng)井井筒施工時(shí)距離60 m 處有一廢棄井筒,漏水嚴(yán)重、地下水流速快,在施工中應(yīng)用加密凍結(jié)孔的方式,取得了良好效果(圖5)。

        圖5 潘三礦西風(fēng)井井筒部分加密孔施工平面Fig.5 The construction plane of some encryption holes in west wind well of Pansan mine

        (3)凍結(jié)管內(nèi)鹽水流速的影響應(yīng)對(duì)措施。在凍結(jié)管直徑確定的條件下,鹽水流量、流速成正比關(guān)系,由傳熱學(xué)知識(shí)可知,增加流速會(huì)加大管壁換熱系數(shù),使換熱總量增加、凍結(jié)速度加快,因此,巖土凍結(jié)施工提倡“低溫、大流量”的施工方法。

        (4)水泥水化熱、通風(fēng)等熱源影響應(yīng)對(duì)措施。該因素的影響主要在維護(hù)凍結(jié)期階段,該影響在西北地區(qū)超深井凍結(jié)中應(yīng)引起重視,水泥水化熱對(duì)凍結(jié)壁融化影響范圍為0.2~0.4 m,應(yīng)根據(jù)水化熱值和分熱量值合理調(diào)節(jié)冷量供給,防止出現(xiàn)不合理送冷造成的凍結(jié)壁融化過(guò)快,影響井壁施工。

        (5)地下水性質(zhì)影響應(yīng)對(duì)措施。地下水含鹽量大,造成結(jié)冰點(diǎn)降低,增加由自然溫度降到結(jié)冰點(diǎn)溫度,以及將結(jié)冰點(diǎn)溫度的水降到冰的需冷量,為此,應(yīng)增加凍結(jié)管的總散冷能力。按照實(shí)際結(jié)冰點(diǎn)溫度與0℃結(jié)冰點(diǎn)的差值,增大凍結(jié)管換熱系數(shù)和總散冷量值。

        (6)凍結(jié)壁厚度影響措施。凍結(jié)中合理確定凍結(jié)壁厚度,達(dá)到設(shè)計(jì)之后,控制凍結(jié)壁擴(kuò)展量,調(diào)整冷量供給量,減少開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù),降低工程成本。

        4 結(jié)論

        (1)凍結(jié)壁發(fā)展過(guò)程因其熱源不同,各階段凍結(jié)壁內(nèi)外側(cè)發(fā)展特點(diǎn)也不同,應(yīng)按照不同階段需冷量實(shí)際大小調(diào)整冷量供給。

        (2)地溫是影響凍結(jié)壁形成的主要因素之一,在進(jìn)行井筒需冷量計(jì)算時(shí),應(yīng)按實(shí)際地溫計(jì)算散冷系數(shù)值、配備相應(yīng)制冷設(shè)備。

        (3)地下水流速是影響凍結(jié)壁形成的主要因素之一,應(yīng)針對(duì)高流速地層實(shí)施適當(dāng)方法,降低凍結(jié)區(qū)域地下水流速或加大凍結(jié)管換熱面積。

        (4)對(duì)高含鹽量水質(zhì)應(yīng)加大凍結(jié)管散冷系數(shù),增大凍結(jié)管散冷量值。

        (5)應(yīng)針對(duì)不同地質(zhì)條件,計(jì)算凍結(jié)壁厚度,按施工各階段的熱源變化合理調(diào)控送冷量值。

        猜你喜歡
        冷量熱源井筒
        橫流熱源塔換熱性能研究
        煤氣與熱力(2021年3期)2021-06-09 06:16:20
        冬暖式大棚藍(lán)莓需冷量管理
        櫻桃在廣西靈川的引種表現(xiàn)及其需冷量研究
        基于啟發(fā)式動(dòng)態(tài)規(guī)劃的冷熱源優(yōu)化控制
        電子制作(2017年19期)2017-02-02 07:08:31
        礦井井筒煤柱開(kāi)采技術(shù)措施
        液態(tài)乙烯冷量綜合利用的技術(shù)改造
        煤峪口礦西三井筒提升中心的測(cè)定
        中部槽激光-MAG復(fù)合熱源打底焊焊接工藝研究
        焊接(2015年8期)2015-07-18 10:59:13
        復(fù)雜地段副斜井井筒施工方法的選擇
        人間(2015年21期)2015-03-11 15:24:48
        多類(lèi)型熱源點(diǎn)共存下的區(qū)域熱力統(tǒng)籌供應(yīng)探討
        亚洲精品92内射| 国产成人国产三级国产精品| 日韩在线 | 中文| 国产在线精品一区在线观看| 国产精选免在线观看| 日韩人妻av不卡一区二区三区 | 一区二区三区人妻少妇| av无码精品一区二区三区宅噜噜 | 国产精品制服| 亚洲欧洲精品成人久久曰影片| 中文字幕一区二区三区在线看一区| 久久精品一区午夜视频| 天天影视性色香欲综合网| 亚洲Va中文字幕久久无码一区| 综合久久加勒比天然素人| 公和我做好爽添厨房| 亚洲精品无码久久久久av麻豆| 少妇的诱惑免费在线观看| 日本在线一区二区免费| 日本一二三区视频在线| 亚洲男人第一av网站| 日本韩国黄色三级三级| 一区二区三区免费看日本| 无码不卡av东京热毛片| 91产精品无码无套在线| 超碰青青草手机在线免费观看 | 久久精品国产免费观看| 国产成人精品三级91在线影院| 亚洲一区二区三区综合网| 插上翅膀插上科学的翅膀飞| 97夜夜澡人人爽人人喊中国片| 精品国产一区二区三区久久女人| 亚洲三级香港三级久久| 山外人精品影院| 在线视频制服丝袜中文字幕| 国产亚洲精品一区二区在线播放| 妺妺窝人体色777777| 欧美不卡视频一区发布| 果冻国产一区二区三区| 亚洲伦理第一页中文字幕| 夜夜未满十八勿进的爽爽影院|