基于ANSYS的斜井凍結施工數值模擬的研究

王喬磊

(河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454003;霍州煤電呂臨能化煤電綜合項目部，山西 霍州 033200)

國外采用凍結法鑿井較多的國家有英國、德國、波蘭、前蘇聯等，這些國家技術相對成熟，鑿井深度均超450 m，但它們多為含水量多、地壓大的基巖地區，然而深井凍結施工工程，特別是對深厚沖積層進行施工不多見［1］。

本文采用ANSYS軟件對霍州煤電龐龐塔礦井凍結法施工進行模擬，其中，施工過程中每個節點的溫度及熱物理參數，利用有限元分析法便可進行計算。

1 多排管凍結情況下溫度場規律的研究

對以單、雙排管凍結溫度場的研究為基礎發展起來的多排管凍結溫度場進行研究時［2］，首先需要將管道在不同地點布置，然后分析中排與外1排之間、外1排與最外排之間等位置的溫度場與鹽水溫度、間距、排距間等影響因素之間的關系，得到影響凍結壁形成的上述各因素的規律，進而引導設計。

1.1 ANSYS環境下凍結區域的網格劃分

網格劃分以平面三角形為單元的形式進行，將網格最密集的地方布置在凍結管區域，預測的凍結區較密，而較稀疏的地方布置在外邊界處。凍結溫度場計算網格劃分圖見圖1。

1.2 多排管凍結溫度場相互影響規律研究

凍結管周圍的土性參數、布置方案對多排管凍結溫度的計算有著重要影響，對于各自的排距、間距等各取5個水平，其所取的排距、間距及其對應的鹽水溫度、導熱系數對照表見表1。

圖1 凍結溫度場計算網格劃分圖

表1 計算中各因素水平取值表

2 斜井底部凍結溫度場的模擬

斜井凍結段的溫度變化規律可總結為兩點:一是深度方向向下發展的凍結壁厚度遠小于向上發展的凍結壁厚度;二是排外遠小于排內的發展速度［3］。

凍結管的布置方式、含水率、土層的熱物理參數、鹽水溫度、初始地溫等因素明顯影響著底部凍結的溫度場。為研究典型參數下底部凍結溫度場的發展情況，下面以管道下部的土層與凍結段的一半為基礎，在ANSYS環境中建立模型來分析。

2.1 計算模型的建立

以布置管道所在區域的下半部分和下部土層為基礎建立模型，建好的幾何模型見圖2［4］。

圖2 幾何模型圖

在ANSYS環境中運用掃掠命令對模型進行劃分，注意應先對模型的頂面以平面單元劃分，直到滿足要求;然后將完成網格劃分的頂面作為“源”面，沿垂線向下劃分成體單元［5］。為提高計算精度應將布置凍結管的地方加密，劃分的整體網格圖見圖3，其局部放大圖見圖4。

圖3 數值模擬網格整體圖

圖4 數值模擬網格局部圖

2.2 計算結果的分析

為了研究底部凍結溫度場的發展規律，在ANSYS軟件的通用后處理命令中定義了9條路徑。路徑具體位置示意圖見圖5。

圖5 路徑的具體位置圖

對得到的結果從時空兩方面進行分析，發現凍結壁的發展是參差不齊的，具體情況如下:

1)在凍結前期時，凍結管同一排軸、界面交點下部凍結壁厚度小于下部凍結壁厚度，這是因為凍結初期凍結壁還來不及交圈，所以軸、界面交點下部凍結壁厚度為0。

2)在凍結中期時，同排凍結管下部凍結壁發展較慢，其發展速度遠小于軸、界面交點下部凍結壁厚度。

3)由圖5可知，在凍結中后期中排管軸、界面交點下部凍結壁厚度小于中排凍結管下部凍結壁厚度;同排管軸、界面交點下部凍結壁厚度大于外1排和最外排管下部凍結壁厚度。

3 不同凍結壁厚度的力學與變形特征模擬

3.1 力學計算模型的建立

本文根據凍結施工的實際條件建立數學計算模型，其周圍邊界設定的條件如下［6］:

1)將煤層上覆巖層的重量μ定義為模型的上邊界，其計算公式如下:

式中:

η—上覆巖層每立方所受力，kN/m3;

L—煤層的厚度，m。

2)將底板定義為模型的下邊界，并將底板簡化為x方向能夠移動;y方向用固定鉸支座固定的形式，即y方向速度為0。

3)將實體煤巖體定義為模型的兩側邊界，并將實體煤巖體簡化為y方向能夠移動;x方向用固定鉸支座固定的形式，即x方向速度為0。建立的力學計算模型見圖6。

圖6 力學計算模型圖

3.2 計算方案分析

本文采用以下三種方案分析了厚度對溫度場的影響，其方案如下［7］:

方案1:無凍結施工;方案2:凍結壁的平均凍結溫度為－9℃，凍結厚度為3 m;方案3:凍結壁的平均凍結溫度為－9℃，凍結厚度為5 m。

3.3 計算結果分析

在無凍結施工情況下，其頂板下沉量為1.4 m左右;當凍結厚度為3 m，其頂板下沉量為0.94 m左右;當凍結厚度為5 m，其頂板下沉量為0.73 m左右，凍結壁厚度與頂板下沉關系曲線見圖7。

圖7 凍結壁厚度與頂板下沉關系曲線示意圖

在無凍結施工情況下，其圍巖垂直應力為0.77 MPa;當凍結厚度為3 m，其圍巖垂直應力為1.52 MPa;當凍結厚度為5 m，其圍巖垂直應力為1.22 MPa，凍結壁厚度與圍巖垂直應力關系曲線見圖8。

圖8 凍結壁厚度與圍巖垂直應力關系曲線圖

ANSYS環境下三種工況下的井筒變形云圖見圖9～11。

圖9 無凍結壁時井筒變形云圖

圖10 凍結壁厚度為3 m時井筒變形云圖

圖11 凍結壁厚度為5 m時井筒變形云圖

4 結語

本文遵循由簡入繁的研究思路，對影響凍結溫度場的因素進行了分析，得出了以下主要結論:

1)底部凍結溫度場從時空兩方面上來說都是不均勻的，各個位置的凍結壁平均溫度、凍結壁向下發展的厚度都不同。

2)影響凍結溫度場的三個主要因素分別為:鹽水溫度、凍結管間距與凍結時間。

上述針對斜井凍結施工過程的模擬分析，過程較為詳細，可為今后凍結施工領域的研究與探索提供一定的幫助。

［1］蘇樂斌.斜井凍結技術在龐龐塔礦千萬噸項目部斜井施工中的應用［J］.中國煤炭工業，2012(7):56－59.

［2］李 林，徐兵狀，趙根全，等.凍結法鑿井中局部凍結技術對已成井壁保護的溫度場分析［J］.煤炭工程，2012(2):27－29.

［3］王曉健，程 樺，姚直書，等.特厚沖積層礦井豎向局部保溫凍結技術研究與應用［J］.煤炭工程，2009(7):70－80.

［4］薛玉庭，李向陽，陳陽光.井筒凍結法施工的常見問題及防治措施［J］.中國西部科技，2009(10):56－59.

［5］許舒榮，李長忠，趙根全，等.快速高效凍結技術在立井井筒凍結施工中的應用［J］.建井技術，2007，28(5):17－19.

［6］靳巍巍，陳有亮.隧道凍結法施工三維有限元溫度場及性狀分析［J］.地下空間與工程學報，2007(05):35－38.

［7］王祥玉.凍結法施工的立井井壁結構探討分析［J］.煤炭技術，2008(07):40－43.