核桃峪井筒凍結溫度場擴展規律數值分析

申 鵬 舉

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

0 引言

核桃峪副井凍結深度達950 m，為世界最深的井筒凍結工程。凍結法施工是通過人工制冷的方式使地層中的水結冰，提高土體強度且抵抗水土壓力[1-3]，保障地下工程結構在凍結壁的保護下進行掘砌施工。凍結溫度場擴展情況是凍結法施工中判斷凍結壁發展狀況的關鍵，因此凍結工程中需要對凍結溫度場進行分析研究。本文采用有限元軟件Ansys對井筒周圍土體溫度場的擴展情況進行數值分析，獲得了凍結壁發展的相關規律。為類似工程的設計提供相關參考。

1 工程概況

核桃峪礦井位于隴東黃土高原東南部，設計年生產能力8 Mt，服務年限70年。井田礦井采用主斜井—副立井和回風立井開拓方式，副井井筒凈直徑9 m，前期采用普通法進行鑿井，施工至472 m時，工作面涌水量最大達95 m3/h，經研究決定改用凍結法進行施工，凍結孔布置示意圖如圖1所示。凍結壁設計厚度為4.4 m，井筒共設置凍結孔44個，采用深、淺凍結，深凍結孔深度為950 m，淺凍結孔深度為856 m，凍結孔采用φ168 mm的無縫鋼管，布置圈徑19.4 m，開孔間距1.385 m；溫控孔共設置20個，采用φ127 mm的無縫鋼管，布置圈徑13.4 m。

2 數值模擬

2.1 模型建立

根據井筒凍結施工特點，聯立圖紙，建立如圖2所示的二維平面溫度場有限元計算模型，考慮到凍結溫度場對周圍土體影響范圍，計算模型直徑取20 m。溫度場分析單元采用具有4節點的Plane 55單元，為提高計算精度，對井筒周圍的土體進行網格加密。模型邊界條件為：土體初始溫度為18 ℃～22 ℃，因此假定初始地溫為20 ℃；凍結管壁溫度為鹽水溫度。

數值計算模型作以下假設：土體材質均勻且各向同性；不考慮鹽水與凍結管壁之間的對流換熱，凍結管壁上的溫度等效鹽水溫度，鹽水降溫曲線如圖3所示；地下水近似無流動，即溫度場計算不考慮地下水流的影響；水土之間的熱動態平衡瞬時發生，土體骨架為周圍水在同一時刻具有相同溫度。

2.2 參數選取

根據核桃峪井檢孔提供的水文地質資料，核桃峪井筒圍巖主要為松散巖與碎屑巖沉積巖層，模擬所采用的土層參數如表1所示。土體中水結冰釋放潛熱模擬主要通過賦予土體在相變區間的焓值來實現。在本文中土體相變區間取[-1.5 ℃,0 ℃]，潛熱取1.5×105kJ/m3。

表1 砂巖熱物理參數

2.3 數值分析

圖4為凍結30 d,60 d,90 d,120 d時井筒凍結溫度場擴展分布情況。可以看出凍結初期，凍結管與周圍土體熱交換明顯，凍結管周圍土體降溫迅速，凍土圓柱逐漸向外擴展迅速；凍結中后期，土體熱交換趨向平衡，土體降溫較為平緩；以井筒中心為起點，凍土發展速度沿徑向內側最快。凍結30 d時，凍結壁總厚度達1.3 m，以井筒中心為起點，凍結壁沿徑向內、外分別擴展了約0.7 m,0.6 m；凍結60 d時，凍結壁總厚度達2.4 m，以井筒中心為起點，凍結壁沿徑向內、外分別擴展了約1.3 m,1.1 m；凍結90 d時，凍結壁總厚度達3.5 m，以井筒中心為起點，凍結壁沿徑向內、外分別擴展了約1.9 m，1.6 m；當井筒凍結120 d時，凍結壁總厚度達4.5 m，以井筒中心為起點，凍結壁沿徑向內、外分別擴展了約2.5 m,2 m。可以看出凍結120 d時，凍結壁厚度已基本滿足設計要求。

圖5為測溫點T2隨溫降曲線。從圖5中可以看出，凍結初期，井筒溫度梯度較大，凍結前60 d，2號測溫孔的溫降速度約為0.4 ℃/d；60 d～90 d時，溫降速度約為0.2 ℃/d；90 d～120 d時，溫降速度約為0.07 ℃/d；這是由于凍結管初期，土體為凍結管之間熱交換迅速，溫降速率快；隨著凍結時間的增加，土體與凍結管熱交換逐漸趨于平衡，故溫降曲線的斜率逐漸變緩直至消失。

3 結語

1)凍結90 d時凍結壁厚度約為3.5 m，凍結120 d時，凍結壁厚度約為4.5 m；凍土平均發展速度約為37.5 mm/d。

2)在此凍結方案下，凍結120 d時，凍結壁厚度滿足設計要求，由于凍土發展速度較快，在凍結中后期需要開啟溫控孔以控制凍結鋒面到井壁的距離，減弱凍土凍脹壓力對井筒的作用。