錢營孜礦新副井凍結(jié)溫度場監(jiān)測與分析

程龍藝，張偉，李廣平，方浩，王曉健

（1．安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司錢營孜煤礦，安徽 宿州 234000；2．安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 引言

我國土地面積大，地下儲存資源相對豐富，其中儲存著大量的煤炭資源，但由于近幾十年來人們對煤炭的大量開采，導(dǎo)致地面以下淺層煤層日益枯竭，迫使人們深入開采更深層的煤炭資源。隨著淺部煤層的不斷消耗枯竭，人們開始向深厚地層開發(fā)資源，需在深厚表土層或基巖中建設(shè)深大井筒，凍結(jié)特殊法鑿井是穿過不穩(wěn)定表土層或大流速含水基巖層的有效施工方法，凍結(jié)法具有污染性小、防水性好、工期易于保證、凍結(jié)加固土體均勻、可以人為控制凍結(jié)壁的形狀等優(yōu)點。

錢營孜煤礦實施改建及二水平延深工程，在工業(yè)廣場內(nèi)新建新副井，其設(shè)計凈直徑為6．5m，深度達(dá)1032．0m。該新建井筒工程具有井筒深、直徑大，井壁受力條件復(fù)雜，井筒上部要穿越?jīng)_積層223．2m，凍結(jié)深度為325．0m。由于在工業(yè)廣場內(nèi)建設(shè)新副井，在沖積層下部粘土層厚達(dá)8．3m，當(dāng)采用凍結(jié)法鑿井時[1-2]，在厚粘土層位井幫變形量大、工作面底臌量大、凍結(jié)壁穩(wěn)定性差，外壁將要受到較大的凍結(jié)壓力作用。從我國深厚沖積層凍結(jié)法鑿井技術(shù)現(xiàn)狀來看，設(shè)計理論落后于工程實踐。現(xiàn)有工程實踐表明在凍結(jié)過程中凍結(jié)壁的交圈時間、厚度、溫度和井筒開挖時間等受凍結(jié)孔的實際成孔質(zhì)量影響顯著，因此凍結(jié)法鑿井是否順利進(jìn)行取決于凍結(jié)孔的成孔質(zhì)量。因而對施工鉆孔的質(zhì)量評價關(guān)系到凍結(jié)壁是否能正常交圈和是否要補打鉆孔。在凍結(jié)法鑿井中，通過對測溫孔大量數(shù)據(jù)分析，可實時預(yù)測凍結(jié)壁的厚度、擴展速度、平均溫度、凍結(jié)圈內(nèi)外側(cè)厚度等技術(shù)參數(shù)、對合理選擇施工參數(shù)，正確地解決凍結(jié)與掘砌關(guān)系等具有十分重要的意義。因此，需要對凍結(jié)過程進(jìn)行溫度場模擬的模擬[3-5]。

凍結(jié)法鑿井是在井筒還未開挖之前，在一定時間內(nèi)將周圍土層或含水地層溫度降低，形成一層凍結(jié)壁，以此來抵擋周圍的水土壓力[6-7]。本文研究錢營孜礦新副井-50．20m 細(xì)砂層凍結(jié)溫度場情況，根據(jù)相關(guān)資料和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來模擬該層下凍結(jié)溫度場的發(fā)展規(guī)律，通過模擬的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測對比分析，對今后類似井壁凍結(jié)具有一定的參考意義。

2 工程概況

錢營孜煤礦隸屬安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，位于安徽省宿州市西南方，北距宿州市約15km，行政區(qū)劃隸屬宿州市和淮北市濉溪縣管轄，周邊交通便利。

錢營孜礦井采用立井開拓，工業(yè)場地內(nèi)布置有主井、副井、風(fēng)井。根據(jù)錢營孜煤礦改建及二水平延深工程建設(shè)需要，新副井共布置兩個水文孔和三個測溫孔，井筒主要技術(shù)特征見表1。

表1 測溫孔、水文孔布置參數(shù)

其中主排孔采用差異凍結(jié)方式，設(shè)計圈徑為14．6m、孔深325．0m 的孔為19 個，孔深276．0m 的孔為19 個。輔助孔采用插花均勻布置方式，設(shè)計圈徑為10．7m、孔深227．0m 的孔8 個，設(shè)計圈徑為11．2m、孔深277．0m 的孔8 個。防片孔設(shè)計圈徑為10．2m、孔深68．0m 的孔為16個。井筒主要技術(shù)特征表見表2所示。

表2 井筒主要技術(shù)特征表

凍結(jié)孔鉆孔施工工程于2020 年10月29 日全部完工，第三方鉆孔偏斜復(fù)測資料于2020 年11 月2 日提供，根據(jù)所提供的凍結(jié)孔偏斜資料按不同深度匯總計算出相鄰凍結(jié)孔實際成孔間距[8-10]。由錢營孜礦新副井終孔測斜復(fù)測結(jié)果計算可知，鉆孔成孔質(zhì)量較好，沒有超標(biāo)情況，不需要補孔。

3 凍結(jié)溫度場導(dǎo)熱方程

式中：tn為溫度的分布情況，℃；n為巖石狀態(tài)，當(dāng)n= 1 為融土、n= 2 為凍土；τ為凍結(jié)時間，s；an為導(dǎo)溫系數(shù)，m2·

s-1，an=λn/cn，λn為導(dǎo)熱系數(shù)，cn為容積比熱；r為圓柱坐標(biāo)，以井筒中心為坐標(biāo)原點，m。

在凍結(jié)進(jìn)行之前，井筒周圍的土體分布著均勻的初始溫度：t(r,0 )=t0。

通常認(rèn)為在距離井筒很遠(yuǎn)處，周圍凍結(jié)的情況對土體的溫度無影響，即為初始溫度：t(∞,τ)=t0。

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

在凍結(jié)鋒面兩邊的熱平衡方程為：

在凍結(jié)圈上，有t(R0,τ)=tc。

式中：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、0 ≤ξ1≤R0，當(dāng)N= 2 時、R0≤ξ2≤R；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)；σn為巖土凍結(jié)時單位容積潛熱量，J/m3；R0為凍結(jié)管布置半徑，m；tc為鹽水溫度，℃。

4 凍結(jié)壁溫度場分析

由于現(xiàn)場工程地質(zhì)情況非常復(fù)雜，使用有限元軟件把所有變化情況和所有因素均考慮在內(nèi)的想法既不現(xiàn)實又沒有必要。故為了方便有限元分析，需要對這些問題進(jìn)行條件的定義，基本假設(shè)如下：假設(shè)土體均勻分布，且各項同性；假設(shè)模擬現(xiàn)場工程模型外邊緣與外界絕熱，即沒有熱交換；假設(shè)不同土層間的縱向熱傳導(dǎo)忽略不計，將問題簡化為平面問題；假設(shè)在相同的時刻各凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度都相同；假設(shè)初始低溫在同一水平圖層中均一分布。

4.1 幾何模型

錢營孜煤礦新副井凍結(jié)溫度場的數(shù)值模型假設(shè)凍結(jié)管的影響范圍為以井筒中心為圓心半徑為60m 的圓，模型邊界以外是絕熱的，簡化為平面問題進(jìn)行計算。模型采用具有二維熱傳導(dǎo)能力的平面或軸對稱二維熱實體單元PLANE55作為網(wǎng)格劃分單元，模型采用平面三角形自由劃分，為使模擬結(jié)果更加精確，越靠近凍結(jié)管單元劃分的越密，相反越遠(yuǎn)離凍結(jié)管，溫度梯度越小的地方，單元劃分的就相對稀疏，以此建立丁集煤礦二風(fēng)井凍結(jié)方案的數(shù)值模型。數(shù)值模型共劃分了9658 個網(wǎng)格單元、5200 個節(jié)點，假設(shè)除了這個區(qū)域的其他部分為不導(dǎo)熱。結(jié)果是否收斂和模型計算的速度取決于網(wǎng)格的劃分情況，將凍結(jié)管為中心，其周圍的范圍，劃分的稍密，以此向外，根據(jù)凍結(jié)管中心的距離越大，劃分越稀疏。根據(jù)以上條件建立-50．2m 層位有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元計算模型

4.2 初始條件和邊界條件

假定錢營孜煤礦新副井模型外邊界固定的約束且有恒定的地溫，經(jīng)測得-50．2m層位地溫為18．89℃。

4.3 凍結(jié)壁厚度計算

根據(jù)《煤礦凍結(jié)法鑿井技術(shù)規(guī)程》（MT/T 1124-2011）中的公式來算凍結(jié)井壁厚。

凍結(jié)壁厚度根據(jù)《煤礦凍結(jié)法鑿井技術(shù)規(guī)程》（MT/T 1124-2011）中的強度公式進(jìn)行計算，如式（3）所示。

式中:E為凍結(jié)壁的厚度，m；k為安全系數(shù)，取1．1；ξ為固定系數(shù)，取0．3；P為地壓，MPa；地壓值P= 0.013H，H為地層的深度；h為掘砌段高，取3．8m；σ為凍土單軸抗壓強度，根據(jù)井檢孔凍土試驗報告，由插值法計算為3．36MPa，根據(jù)式（3）計算得出50．2m 層位處的凍結(jié)壁厚度為0．98m。

5 數(shù)值模擬與實測結(jié)果對比分析

5.1 累深50.2m層位交圈時間分析

通過對錢營孜煤礦新副井井筒檢查孔取出的表土層土體樣品進(jìn)行人工凍土物理實驗，測定的100m 以上淺部地層土體的凍結(jié)溫度為-1．5℃，在數(shù)值模擬中100m 以上凍結(jié)壁的凍結(jié)封面溫度分別取-1．5℃做等值線圖，該等值線圖即為凍結(jié)壁的輪廓圖。

50．2m 層位凍結(jié)溫度場發(fā)展24d 所形成的凍結(jié)溫度場負(fù)溫區(qū)域圖如圖2 所示。

圖2 50.2m層位凍結(jié)溫度場負(fù)溫區(qū)域圖（凍結(jié)24h）

由凍結(jié)溫度場云圖和-1．5℃等值線圖可以看出50．2m 細(xì)砂層在凍結(jié)24d的時候凍結(jié)壁基本交圈，由計算可知此時的凍結(jié)壁厚度為2．71m，凍結(jié)壁平均溫度為-7．53℃，井幫平均溫度為6．45℃，符合設(shè)計要求。

5.2 累深50.2m層位預(yù)測分析

按凍結(jié)47d 后井筒開始正式開挖，月成井速度120～100m/月的速度開挖井筒，開挖到50．20m 層位新副井凍結(jié)時間約為60d，50．20m 層位凍結(jié)溫度場發(fā)展60d 所形成的凍結(jié)溫度場負(fù)溫區(qū)域圖如圖3所示。

圖3 50.20m層位凍結(jié)溫度場負(fù)溫區(qū)域圖（凍結(jié)60天）

開挖到50．2m 時，由數(shù)值模擬計算得凍結(jié)壁的厚度為4．79m，凍結(jié)壁平均溫度為-19．19℃，井幫平均溫度為-7．43℃，符合設(shè)計要求。

5.3 實測水文孔水位

錢營孜煤礦新副井凍結(jié)工程分別在鹽水的去、回路干管上安裝測溫元件，每天監(jiān)測去、回路鹽水的溫度變化，繪制鹽水降溫曲線如圖4所示。

圖4 凍結(jié)鹽水去回路溫度變化

由圖4 可以看出，在凍結(jié)開始的前20d，隨著凍結(jié)站制冷系統(tǒng)的運行，凍結(jié)鹽水的溫度下降幅度較大，去回路的溫差也逐漸增大，凍結(jié)20～45d鹽水溫度的下降趨勢開始減緩，去回路的溫差逐漸減小，凍結(jié)45～140d 鹽水溫度在-30℃左右上下波動，鹽水溫度上下波動的原因在于凍結(jié)過程中要根據(jù)地層的凍結(jié)狀況對鹽水溫度進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，在此期間去回路的溫差維持在4℃左右，屬于積極凍結(jié)期，凍結(jié)140d以后凍結(jié)鹽水溫度緩慢上升，進(jìn)入維持凍結(jié)期，去回路的溫差也相應(yīng)減小。

5.4 實測水文孔水位

根據(jù)水文孔內(nèi)的水位變化情況，可以初步判斷凍結(jié)壁是否正常交圈，從而確定開挖時間，錢營孜煤礦新副井在距離其井筒中心0．8～1．2m 范圍內(nèi)布置了兩個水文觀測孔，在水文孔內(nèi)采用電測水位儀每天觀測一次水位變化，直至水文孔冒水，水文孔內(nèi)的水位變化如圖5所示。

圖5 水溫孔水位變化圖

由圖5 可以看出在凍結(jié)開始的前25d 水文孔S1 的水位變化很小，凍結(jié)27d 之后水位逐漸上升，直至凍結(jié)30d時冒水；同樣水文孔S2 在凍結(jié)初期凍結(jié)壁未完全交圈的情況下，其水位變化較小，在凍結(jié)27～37d 期間水文孔水位有小幅度的上升，在凍結(jié)37d 的時候由于凍結(jié)壁基本已經(jīng)交圈，在凍脹擠壓作用下S2 水文孔的水位急劇上升，于凍結(jié)41d時溢出水文孔。

6 結(jié)論

根據(jù)水溫孔實測結(jié)果看出，水溫孔S1在30d開始冒水，水溫孔S2在41d時開始冒水。由此可知模擬與實測結(jié)果相符。根據(jù)錢營孜礦新副井凍結(jié)鉆孔復(fù)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)值計算可得，錢營孜礦新副井凍結(jié)孔成孔質(zhì)量較高，沒有凍結(jié)孔的偏斜超過標(biāo)準(zhǔn)。在該成孔條件下，錢營孜礦新副井凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)壁平均溫度和井幫溫度均能達(dá)到設(shè)計要求。

本文通過研究錢營孜礦新副井-50．20m 細(xì)砂位的凍結(jié)溫度場情況，并與實測數(shù)據(jù)對比分析，得出利用有限元軟件對凍結(jié)壁模擬的可行性，預(yù)測方法可用于類似的凍結(jié)法施工中。