口孜東礦井壁澆筑溫度場研究

陳紅蕾

隨著我國淺部煤炭資源的枯竭,新建礦井深度逐漸增大,穿越的沖積層厚度越來越大。地壓變大必然導致井壁厚度增大。外層井壁屬于大體積混凝土,澆筑后產生的水化熱與凍結壁的溫度場相互影響[1,2]:一方面,隨著混凝土水化熱的釋放,為混凝土的強度增長提供了正溫養護條件的同時,也會透過泡沫板向凍結壁內傳遞,導致壁后凍土的局部升溫和融化。另一方面,在混凝土水化熱后期,凍結壁冷量的傳導逐漸占主導地位,不僅容易導致井壁內外較大溫差,誘發溫度裂縫,而且對井壁混凝土的后期強度增長造成影響。

以口孜東礦主井為原型,根據設計參數分析 560m深度凍結壁在井壁水化熱作用下的溫度變化及影響因素關系(見表 1)。

表1 井筒主要技術特征表 m

1 數值模擬

假設凍結管圈徑上溫度為同一溫度面。井壁溫度場與凍結壁溫度場相互影響的因素主要有[2]:入模溫度、井壁厚度、井內環境、井內風速及井幫溫度等。井內風速取 0 m/s,0.5 m/s, 1m/s三種情況,空氣溫度取 0℃一種情況,井幫溫度取 -10℃, -15℃,-20℃三種情況。視混凝土井壁光滑,表面散熱系數見表2。

表2 井內環境下井壁表面散熱系數

2 井壁及壁后凍土溫度場數值模擬

2.1 模型建立

外層井壁內邊界R1=5 m,外半徑R2=6.2 m;泡沫板厚度0.075m,內半徑R2=6.2m,外半徑R3=6.275m;凍結壁井幫內邊界R3=6.275m,外邊界為凍結管圈徑,R4=9.1m;原始地溫按實測取 24℃,建立平面溫度場模型見圖 1。

2.2 數值模擬結果分析

2.2.1 外壁溫度峰值影響因素

外壁澆筑后,溫度上升迅速,在澆筑后 1.6 d～1.8 d溫度即達到峰值[3]。峰值在 65.38℃～74.09℃之間,從圖 2中可以看出:當風速為0m/s、入模溫度為25℃時峰值最大;當風速為0.5m/s、入模溫度為 15℃時峰值最小。

在數值模擬結果中,由井筒風速、井幫溫度與入模溫度三個因素進行比較分析可以看出:井幫溫度由-20℃升高到-10℃,井壁溫度峰值僅升高 0.3℃左右,而井筒風速從 0m/s增加到0.5m/s時,井壁溫度峰值升高 1.5℃左右;入模溫度由 15℃升高到 25℃,井壁溫度峰值升高 7℃左右。

2.2.2 凍結壁溫度變化規律

1)凍結壁融化范圍變化規律。外層井壁的澆筑引起凍結壁內緣的融化,融化時間較長,為 8 d～12 d,從圖 3可見融化范圍為343mm～525mm。而后凍結器向凍結壁傳遞冷量占主導,凍結壁開始回凍,澆筑后 17.1 d～26.1 d回凍完成,凍結井壁外緣開始出現負溫。

從最大融化范圍的影響因素(入模溫度、井筒風速與井幫溫度)對比分析可以得知:井筒風速從0m/s增加到0.5m/s時,最大融化范圍減小17mm;井幫溫度由-20℃升高到-10℃,最大融化范圍增加 70mm左右;入模溫度由 15℃升高到 25℃,最大融化范圍增加70mm左右。

2)凍結壁回凍時間。從圖 4分析可知:在井幫溫度為-20℃～-10℃范圍時,井幫溫度與凍結壁的回凍時間近似呈線性關系。當井幫溫度較低時(-20℃),入模溫度由 15℃升高到 25℃,凍結壁的回凍時間最長僅晚 0.8 d。但隨著井幫溫度的升高,當井幫溫度為 -10℃,入模溫度由 15℃升高到 25℃,凍結壁的回凍時間晚3.5 d。

2.2.3 施工現場溫度場預測

根據口孜東主井凍結方案,控制層位深度為 568.45m,凍結壁設計厚度為11.5m,設計凍結壁平均溫度為-16℃～-18℃。根據凍結器到井幫的距離,實際施工到 560m深度時,井幫溫度預計在 -10℃～-15℃之間。混凝土的入模溫度一般在 20℃左右,井內風速一般在0m/s～0.5m/s之間。基于上述設計條件,與模擬凍結壁溫度場進行比照,得出:當井壁澆筑后 1.7 d～ 1.8 d后,井壁溫度出現峰值,其值在 68.90℃～70.63℃之間,井壁外表面出現負溫的時間是在澆筑后 19.5 d～24.6 d,而井壁內表面出現負溫的時間是在澆筑后 27.58 d～29.4 d。凍結壁澆筑后9 d～10.5 d出現最大融化范圍,其融化范圍最大值為 449mm～525mm。

3 結語

1)外壁澆筑后產生大量的水化熱,水化熱傳遞不及時造成外壁溫度升高并形成峰值。通過數值模擬得出:外壁溫度峰值受井內風速、入模溫度影響明顯,井幫溫度對外壁溫度峰值影響較小。2)凍結壁在外壁水化熱作用下溫度升高產生融化,隨外壁水化熱的散失,凍結壁又產生回凍。井幫溫度較低時,入模溫度對回凍時間影響較小,隨著井幫溫度的升高,入模溫度對井壁回凍時間影響加劇。3)根據口孜東主井凍結方案及數值模擬結果,推測出井筒掘砌到控制層位時的溫度場變化,指導現場施工。

[1] 陳紅蕾.深厚沖積層凍結壁與井壁相互作用研究[D].北京:煤炭科學研究總院碩士論文,2009.

[2] 高 偉.趙固礦區凍結井壁溫度場及壁后凍土凍融規律研究[D].北京:煤炭科學研究總院碩士論文,2008.

[3] 王衍森,黃家會.特厚沖積層中凍結井外壁溫度實測研究[J].中國礦業大學學報,2006(4):468-472.