虎豹灣礦井凍結溫度場數值模擬與實測對比

喬熙,劉陽,李安安,張鵬

(中國礦業大學力學與建筑工程學院,江蘇徐州221008)

0 引 言

凍結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、土層凍結成封閉的凍結壁,

用以抵抗地壓,隔絕凍結壁內、外地下水的聯系,然后在凍結壁的保護下進行地下工程建設的施工方法[1]。在應用凍結法施工過程中,凍結壁溫度場的研究是至關重要的內容,凍結壁溫度場的研究包括凍結壁的平均溫度、凍結壁凍區厚度、井幫溫度、凍結壁交圈時間等等。

虎豹灣礦井是內蒙古侏羅系納林河礦區第一對大型礦井,虎豹灣井田位于內蒙古自治區鄂爾多斯市境內,行政區劃屬鄂爾多斯市烏審旗納林河鎮管轄。礦井設計生產能力為5.0M t,采用豎井開拓,采用綜采放頂煤工藝采煤。本文在現場實測的基礎上,結合數值模擬的分析方法把納林河礦區虎豹灣礦井主井-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果得到納林河礦區侏羅系地層凍結溫度場凍結鋒面的發展速率及溫度場的發展規律,對本地區凍結法鑿井及凍結溫度場的研究具有一定的指導意義。

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,地表被第四系風積砂所覆蓋,沒有基巖出露。根據井筒地質勘查報告顯示,井筒地層由老至新有:侏羅系中統延安組、侏羅系中統直羅組、侏羅系中統安定組、白堊系下統志丹群、新近系上新統保德組和第四系。井筒周圍巖體主要由中砂、中砂巖、細砂巖、粉砂和砂質泥巖構成。

虎豹灣礦主風井采用凍結法施工,凍結方案選用的主圈孔結合輔助圈孔的凍結方式,主圈孔布置為差異凍結方式,同時考慮上部以軟巖為主、開挖時間早、凍結孔圈徑較大,將不可避免的產生塌幫,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。主要凍結參數見表1,凍結孔布置見圖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 主井凍結孔與測溫孔布置圖

表1 虎豹灣煤礦主井主要凍結參數

2 凍結溫度場的數學模型

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

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

3 主井凍結壁溫度場數值計算

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

3.1 數值計算模型及參數

3.1.1 幾何模型及有限元模型

主井井筒設計的凈直徑為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值計算模型。取凍結影響范圍為40 m。凍結管規格為133 mm×6mm,根據測溫點的布置位置,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

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

圖2 有限元模型

圖3 第160d溫度場分布

表2 凍結管外壁溫取值

3.1.3 熱物理參數

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

表3 粉砂巖熱物理參數

4 數值模擬及實測數據對比分析

4.1 測溫孔實測溫度與數值模擬數據對比分析

測溫孔布置位置如圖1所示,測溫孔1布置在凍結圈外側,測溫孔2布置在凍結圈內側。在-330m粉砂巖地層,測溫孔1在30號凍結孔的主面上,距離30號凍結孔的距離1512mm,測溫孔2在15號凍結孔的主面上,距離15號凍結孔距離 1250 mm。1、2號測溫孔的測溫曲線如圖4。在凍結第 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號測溫點距離凍結管較近,同時受群孔凍結的影響,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,結合測溫點距離最近凍結孔的距離即可以得到沿徑向到1、2號測溫點方向的凍結鋒面的發展速率分別為15.12mm/d、17.36 mm/d。

模擬計算凍結第160 d時溫度場分布情況見圖3。數值模擬1、2號凍結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,數值模擬的凍結鋒面發展速率分別為16.80mm/d、17.86mm/d。對比分析溫度實測與數值模擬曲線,可以看出除去個別點外其他各點的實測與數值模擬的溫差保持在±1℃范圍內,溫度曲線變化規律一致。

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以后開始有規律的上升,可以推算含水層的交圈時間在凍結第 38 d左右,結合凍結管間距可以推算出凍結鋒面沿著軸面的發展速率約為17.5 mm/d。JT20、JT40為凍結第20 d、40 d凍結壁沿著界面的溫度變化曲線。由圖6可以看出,在第40 d已經完成交圈,凍結壁厚度約為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 井幫溫度實測與數值模擬數據對比分析

選取井筒中心到1號凍結管直線為0°參考標準,順時針方向每隔90°選一個測點測取井幫溫度。在凍結第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。沿著界面計算凍結壁的平均溫度,實測的井幫溫度和數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。測溫孔實測數據與數值模擬數據基本一致。

表4 井幫溫度實測與數值模擬數據

4.3 凍結壁厚度及其平均溫度的實測與數值模擬對比分析

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

5 結語與展望

本文選取了-330 m地層粉砂巖作為研究對象,通過實測與數值模擬兩種手段研究了納林河礦區虎豹灣礦井主井-330m地層粉砂巖凍結溫度場的發展規律及凍結特征。實測與數值模擬的結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數值模擬方法在凍結壁溫度場發展規律的研究與凍結溫度場的預測上是可行、可信的,這對凍結法施工設計與優化提供了有效的手段。在凍結壁凍結溫度場探索方面,內蒙古鄂爾多斯地區侏羅系地層的研究相對較少,本文的研究對與凍結法鑿井在本地區的發展與推廣具有重要的意義。

模擬計算使用的巖土的物理、力學性能參數即密度、含水量、導熱系數和比熱容等,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或許能夠滿足施工的需要,但是作為計算參數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確的巖土參數作為計算參數必然使得模擬計算與工程預測或者實測更加吻合。

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