凍結停機后已成型井壁防凍研究

龔有常 崔建軍 陳紅蕾 高 偉

(1.冀中能源邢臺礦業集團有限公司，河北邢臺 054000;2.北京中煤礦山工程有限公司凍結研究所，北京 100013)

隨著西部煤炭資源的大力開發，新疆、內蒙、寧夏等省份施工的井筒越來越多。煤礦建設中，立井開拓方式是我國煤炭開采廣泛應用的方式，立井井筒擔負著礦井通風、提升任務，關系到礦井的安全生產命脈。立井井筒作為整個煤礦的咽喉要道，其結構的耐久性和安全性關系整個煤礦的存亡。西部地區部分井筒根據東部地層中井筒施工經驗采用普通鑿井施工，遇到涌水流沙等問題無法通過后被迫轉入凍結鑿井施工。在凍結鑿井施工中，當凍結鋒面發展到井壁位置，產生凍害影響井壁質量，損傷井壁［1］，目前已引起相應重視，多采用凍結器與已成型井壁之間安設溫控孔的方式避免井壁凍害。但是凍結站停止運轉后，長期已形成的凍結壁化凍過程中依然對已成型井壁產生凍害，影響井筒的耐久性和安全性。

1 工程概況

塔什店礦區一號礦井設計生產能力1.20 Mt/年，服務年限60年。行政區劃屬新疆庫爾勒市和焉耆縣管轄。礦井采用立井開拓，布置主、副、風3個井筒。

副井普通法施工至345.8 m時(剛揭露第三系桃樹園組)，井底開始涌水，瞬時涌水量為430 m3/h，導致淹井。鑒于副井涌水情況，風井普通法掘進到336.7 m時停止掘進，被迫轉入凍結鑿井施工。風井井筒深467 m，凈直徑5.5 m，凍結深度505 m。凍結孔布置采用大圈徑布置形式，布置凍結孔32個，其圈徑13.2 m，深度505 m，距離上部砌筑好的井壁最近3.0 m。并在井筒周邊凍結孔內側布置一圈溫控孔，溫控孔14個，深度336.7 m，布置圈徑9.2 m，距離井壁最近1.0 m。

風井底部未掘砌段剩余長度140 m左右，按照綜合成井90 m/月計算，掘進施工及套壁施工總工期50 d，綜合積極凍結工期70 d，井筒排水和破止漿墊工期20 d，凍結總工期140 d。

2 模型建立

由于凍結壁在豎直方向的尺寸較水平方向大得多，且凍結過程中巖土在豎直方向的熱傳導相對較弱［2］，故塔什店一號礦井風井溫度場可采用平面熱傳導來模擬。

以風井－340 m泥巖為原型，采用APDL語言［3］建立了參數化的二維溫度場有限元模型(見圖1)。計算區域的直徑為39.2 m，共劃分60 178個單元，單元類型為4節點的Plane55(ELEMENT IS PLANE55)。模型初始溫度及外邊界固定溫度取地層溫度23.6℃，計算模型不考慮地下水流動對凍結溫度場的影響。模型參數取值見表 1，表 2。

圖1 數值計算模型

表1 混凝土導熱系數和比熱

表2 泥巖的熱物理參數試驗值

首先在開啟溫控孔條件下(水溫10℃)計算停止凍結時(開機運轉140 d)的凍結溫度場，溫度場云圖見圖2，在此基礎上分析。

圖2 風井-340 m泥巖凍結140 d凍結溫度場云圖

3 井筒風速、空氣溫度對井壁外緣溫度作用

塔什店一號井風井內風速取0 m/s，0.5 m/s兩種情況，空氣溫度取0℃，5℃，10℃三種情況，研究凍結井筒停凍后風速、空氣溫度對停凍后在凍結壁溫度場影響下井壁外緣溫度變化影響。

井內環境下井壁表面散熱系數如表3所示，不同工況下停凍后井壁外緣溫度變化見圖3。

圖3 不同工況下停凍后井壁外緣溫度變化曲線

表3 井內環境下井壁表面散熱系數［4］

塔什店一號井風井施工完凍結段后，受殘留的溫控孔溫度場、凍結壁溫度場和井筒工況溫度綜合影響下，凍結站停機時關閉溫控孔后，井壁外緣溫度有短時間波動，先迅速上升，而后溫度呈現下降再上升趨勢。其中在風速0 m/s、空氣溫度0℃工況下，溫度波動較大，波動溫差達5℃。在風速0.5 m/s、空氣溫度10℃工況下，溫度波動較小，波動溫差1℃左右。在空氣溫度10℃工況下，井壁外緣溫度在凍結站停機時關閉溫控孔后沒有出現負溫，對井壁防凍害較好。

風速與空氣溫度比較，風速對外緣溫度變化影響較小。但隨著空氣溫度的增加，風速影響作用也逐漸增加，在空氣溫度0℃時，風速在0.5 m/s時比在0 m/s時溫度升高0.27℃，在空氣溫度10℃時，風速在0.5 m/s時比在0 m/s時溫度升高0.74℃。

實際施工工況條件下，井筒內表面為一熱交換面。在相同溫度的進氣下，風速直接影響出氣溫度，風速大，進出風溫差小，風速小，進出風溫差大。因此，宜以井筒出風溫度為判定基準，在井筒出風溫度10℃以上，在凍結站停機時關閉溫控孔不采取任何措施，也可滿足井壁防凍害需要。

4 延長溫控孔開啟對井壁外緣溫度作用

井筒施工時，環境溫度直接影響井筒防凍害措施，若冬季施工，環境溫度無法保證井筒出風溫度在10℃以上時，必須采取其他井壁防凍害措施，例如延長溫控孔開啟時間。塔什店一號井風井內風速取0 m/s，0.5 m/s兩種情況，空氣溫度取0℃，5℃兩種情況，延長溫控孔開啟(水溫10℃)時間，研究井壁外緣溫度變化(見圖4～圖7)。

圖4 風速0 m/s、空氣溫度0℃外緣溫度變化曲線

圖5 風速0 m/s、空氣溫度5℃外緣溫度變化曲線

圖6 風速0.5 m/s、空氣溫度0℃外緣溫度變化曲線

圖7 風速0.5 m/s、空氣溫度5℃外緣溫度變化曲線

延長溫控孔運轉時間可消耗部分凍結壁殘余冷量，延緩甚至避免井壁外緣凍害威脅。塔什店礦區一號礦風井井筒在溫控孔循環水溫10℃，井筒出風溫度在5℃以上時，延長溫控孔運轉10 d可有效避免井壁凍害威脅。在井筒出風溫度0℃以上時，延長溫控孔運轉40 d可有效避免井壁凍害威脅。

5 結語

利用有限元分析軟件ANSYS模擬井壁與凍結壁溫度場，分析了塔什店礦區一號礦風井凍結站停止運轉后，長期已形成的凍結壁化凍過程中依然對已成型井壁產生凍害，為避免普通法施工的井壁免受凍害威脅，經分析可采取以下措施:1)在井筒出風溫度10℃以上，在凍結站停機時關閉溫控孔不采取任何措施，也可滿足井壁防凍害需要。2)風井井筒在溫控孔循環水溫10℃時，在井筒出風溫度5℃以上時，延長溫控孔運轉10 d可有效避免井壁凍害威脅;在井筒出風溫度0℃以上時，延長溫控孔運轉40 d可有效避免井壁凍害威脅。

［1］馬國慶，錢玉林.混凝土的凍害及其機理［J］.常州工學院學報，2005，28(sup)：109-112.

［2］張 濤，齊善忠.局部保溫條件下單管凍結溫度場研究［J］.山西建筑，2006，32(7)：137-138.

［3］張國智，胡仁喜.ANSYS10.0熱力學有限元分析實例指導教程［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［4］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.