深厚砂黏分界處不同工況下多圈管凍結溫度場特性

楊 青，榮傳新，黎明鏡，楊國兵

深厚砂黏分界處不同工況下多圈管凍結溫度場特性

楊 青1,3，榮傳新2,3，黎明鏡2，楊國兵4

(1. 滁州學院 土木與建筑工程學院，安徽 滁州 239000；2. 安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；3. 安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001； 4. 安徽滁州技師學院，安徽 滁州 239000)

多圈管凍結壁設計方案是解決深凍結問題的有效方法，為研究深厚砂黏層分界處不同工況下多圈管凍結溫度場特性，采取分界處原黏性土XRD試驗結果，利用ANSYS數值模擬凍結三圈管，對比分析了細砂土與膨脹性黏土在凍結管偏斜與不偏斜工況下溫度場凍結壁形成與發展特性。研究表明：多圈管不偏斜凍結，細砂層與膨脹性黏土層凍結壁溫度場均呈規則、對稱、有序發展，主凍結中圈管間、內圈管間、中–內圈管間、中–外圈管間、外圈管依次形成交圈過程，隨著凍結時間增加，中–內圈、中–外圈管間凍結溫度由拋物線型發展為梯形降溫形狀，且溫差減少，內、外圈管外側呈倒八字型發展形態，內圈管內側降溫效果明顯好于外圈管外側。偏斜時，凍結壁溫度場交圈降溫不規則，凍結冷鋒交圈疊加具有隨機性和離散性。膨脹性黏土凍結壁形成時間嚴重滯后，偏斜、土性差異對凍結壁溫度影響均較大，偏斜對膨脹性黏土影響尤其明顯，與某礦凍結法鑿井在地層–400 m以上砂黏分界處發生的多根凍結管斷管事件較為吻合，研究成果可以為類似深層礦井凍結施工提供參考。

膨脹性黏土；砂黏分界處；凍結壁溫度場；多圈管凍結；凍結管偏斜；凍結壁特征

本世紀初，河南省焦作市程村煤礦凍結法鑿井沖積層厚度開始超越400 m，達到430 m，凍結深度485 m。2004年的山東省菏澤市郭屯主井沖積層厚度達587.4 m，凍結深度702 m。到2012年，山東省菏澤市萬福礦主、副井分別穿過753.95、754.96 m的沖積層，凍結深度分別為894、840 m，今后凍結工程還會遭遇更深的第四紀和不穩定新近紀地層[1]。

凍結壁溫度場特性是計算凍結壁強度的基礎[2]，目前，多圈管凍結是解決深凍結問題的有效方法[3-8]，而凍結管偏斜是施工中無法避免的情況，成孔質量是深凍結鑿井成功的關鍵之一[1]，因此，探討偏斜成孔之于多圈管溫度場形成特性十分必要。

榮傳新等[9]以外圈管為主凍結管，利用深厚沖積層各層位土層熱物理參數，建立雙層凍結圈管模型進行溫度場數值模擬，用信息化手段控制凍結壁設計參數，成功修復了板集煤礦副井破損井筒；汪仁和等[10-11]研究了凍結造孔偏斜與不偏斜情況下單排管與雙排管凍結壁溫度場形成特征，得出在這些設定情況下凍結壁平均溫度的計算方法。為探索礦井凍結向更深層次沖積層發展，我國凍土界專家與學者已積累了數十個深凍結井的成功經驗[12-17]，但不同深度，性質明顯不同的土層，在面對復雜水文地質環境下，如何優化凍結設計方案，預測和合理處理凍結過程中突發事件，仍然是凍土界的一個嚴肅的課題。筆者結合某礦凍結法鑿井在地層–400 m以上砂黏層分界處發生多根凍結管斷管事件，通過在凍結管偏斜與不偏斜工況下的數值模擬結果，研究凍結壁溫度場形成的差異特性，供同類工程參考。

1 工程背景

1.1 工程地質特征及施工簡況

某礦副井設計井筒凈直徑7.5 m，凍結段最大井壁厚度2.303 m，凍結深度725 m，井筒深度1 001.9 m。地質資料顯示，井筒表土層厚度681.05 m，其中第四系底板埋深536.65 m，二疊系頂板埋深681.05 m，基巖風化帶底板埋深714.05 m。檢查孔資料表明，松散層包含4層含水層和3層隔水層，見表1。

表1 某礦副井松散表土地質層狀況

第四系378.20~398.90 m和407.3~445.35 m深度段為20.70 m和38.05 m的2層深厚“黏土層”，較為特別。2008年12月18日，該礦副井凍結方案確定了多圈凍結孔的深度，并設計4個水文孔，安排各含水層防竄水措施，用以預測4個含水層交圈情況，以驗證、分析、判斷凍結壁形成狀況。在副井歷時271 d凍結施工，穿過深厚黏土層38.05 m(407.30~445.35 m)時，在砂黏分界處發生15根凍結管斷管事件[18]。

1.2 深厚黏土層X衍射試驗

針對該礦斷管砂黏分界處的黏土土樣，按照GB/T50123—2019《土工試驗方法標準》，利用TF-5500型XRD衍射儀得出土樣X射線衍射圖(圖1)，圖1中，橫坐標為2倍入射角，縱坐標為垂直于反射線的靶面單位時間內接收到的電子數。當縱坐標電子數急劇增高時，此角度發生衍射，不同的黏土礦物、晶格構造各異，會產生不同的衍射圖譜，根據土樣衍射試驗結果來分析判斷土樣具有的礦物成分[19-20]。

從圖1可以明顯看出，同類土的2次試驗，均在衍射入射角6.1°產生衍射光譜強度峰值，分別為14.57 ?、14.29 ?，與晶胞厚度14 ?的蒙脫石礦物顆粒特征相吻合；在衍射角8.8°產生衍射光譜強度峰值10.02 ?、9.99 ?，顯示晶胞厚度10 ?的伊利石礦物顆粒特征；在衍射角12.4°產生衍射光譜強度峰值7.17 ?、7.08 ?，顯示晶胞厚度7.2 ?的高嶺石礦物顆粒特征。對衍射圖譜進行定性分析可知：該黏土礦物富含膨脹土性質，其成分以蒙脫石和伊利石為主，其次是高嶺石，具有吸水性強、易泥化等特征。由此，推斷該副井斷管處的黏土為膨脹性黏土。而埋深402.75~407.30 m的細砂層(細砂、粉砂)呈棕色、土黃色，外觀色澤及土性較為正常。

圖1 某礦副井黏土XRD衍射圖譜

2 凍結方案布置

該礦副井凍結采用三圈管+防片管設計方案，其中外圈管編號分別為W1—W56，中圈管分別為Z1—Z52，內圈管分別為N1—N25；內圈管內側布置的外防片管編號分別為WF1—WF10，內防片管分別為NF1—NF10；設計凍結壁厚度為10.6 m，凍結壁平均溫度為–18℃，鹽水溫度為–31~–33℃，為掌握井筒凍結壁溫度場發展狀況，布置5個測溫孔，其中C1和C3測溫孔位于外排孔外側主面上，測溫孔深度均為681 m；C2和C4測溫孔位于中排孔和外排孔之間，測溫孔深度均為725 m；C5測溫孔位于內排孔和防片幫孔之間，深度為660 m，同時在距離井筒中心1.65 m圓周上布置4個水文孔，編號分別為水1—水4，深度分別為32、85、320、514 m，凍結孔、測溫孔、水文孔平面分布如圖2所示。施工過程中，由于實際操作誤差等原因，凍結管發生過程偏斜，其在主控層面的凍結管偏斜位置如圖3所示；偏斜原孔位置比較突出的孔號見表2。副井主要凍結設計技術參數見表3。

3 凍結溫度場數值模擬

3.1 凍結溫度場控制方程

用有限元法分析凍結壁溫度場時，對凍結管的供冷一般處理為溫度的時間函數，轉化為有限元邊界條件，將具有內熱源的瞬態溫度場問題轉化為無內熱源的瞬態溫度場[13]。二維無內熱源熱傳導過程的偏微分方程為：

圖3 凍結管偏斜實況

表2 偏斜較大的孔號及偏值和偏斜率

表3 某礦副井主要凍結設計參數表

邊界條件：物體表面的溫度是時間的已知函數，即：

式中：為溫度，℃；為時間s；為溫度函數。

為求解熱傳導方程，設定本模擬的初始瞬時溫度后，再明確邊界條件。溫度場的變化將引起凍土的變形，而凍土的蠕變又會產生熱量，引起溫度場的變化，這種耦合現象本次模擬暫不考慮。

3.2 凍結溫度場數值模擬計算模型

井筒設計荒徑6.128 m，結合井筒凈徑及凍結孔在平面坐標系中的坐標和凍結管半徑，考慮凍結孔偏斜情況，數值計算模型外邊界尺寸選取以井筒為中心，邊界半徑為40 m。按平面問題建立溫度場ANSYS有限元計算模型，數值計算模型如圖4所示。

圖4 數值計算模型

3.3 數值模擬計算參數

凍土的熱物理參數主要有導熱系數、比熱容、導溫系數、凍結溫度、密度等，導熱系數試驗采用XT5201HCC型導熱系數儀測定，凍結溫度試驗采用XT5201FST凍結溫度測定儀測量[21]，試驗結果見表4。

3.4 測溫孔實測與數值模擬對比

選取該礦副井膨脹性黏土–440 m層位C1、C4、C5測溫孔實測與數值模擬結果比較，如圖5所示。圖5a為C1數據(C3測溫孔類同)，凍結初期，降溫不明顯，50 d后，降溫較明顯，幾乎呈直線型下降，進入負溫時需要260 d左右，主要是因為該測溫孔位于外排孔外側1.6 m，受凍結溫度影響降溫較為遲緩；圖5b為C4測溫孔(C2測溫孔類同)，從凍結初期開始以直線型下降，降溫效果最快，進入負溫時約在100 d，下降速度有所減緩，主要是因為該測溫孔位于中排孔和外排孔之間，受2排凍結管溫度場疊加影響所致；圖5c為C5溫測孔實測與數值模擬，其降溫幅度小于C4測溫孔，進入負溫時約需要130 d，主要是因為該位于內排孔和防片幫孔之間，雖受內排孔和防片幫孔2排凍結管冷鋒疊加影響，但防片幫冷量不如外排凍結管冷量大。所有測溫孔實測溫度與數值模擬均較為吻合，充分說明數值模擬用于溫度場形成與發展特征研究具有真實性和可操作性。

3.5 不偏斜凍結管孔交圈時間

通過ANSYS軟件對某礦副井進行溫度場數值計算，選擇關鍵層位400 m細砂層和440 m膨脹黏土層，提取主凍結中圈管交圈時間、外圈管整體交圈時間、及某特定凍結時間的凍結壁計算結果，不偏斜溫度場云圖如圖6所示，偏斜溫度場云圖如圖7所示。圖6a1為細砂土凍結40 d，簡稱砂凍40；膨脹黏層土層凍結96 d，簡稱膨黏凍96，余同。

表4 凍土熱物理參數

圖5 測溫孔實測與數值模擬

a1為砂凍40；a2為砂凍55；a3為砂凍96；a4為砂凍148；a5為砂凍270； b1為膨黏凍96；b2為膨黏凍55；b3為膨黏凍96；b4為膨黏凍148；b5為膨黏凍270

c1為砂凍62；c2為砂凍93；c3為砂凍122；c4為砂凍180；c5為砂凍270； d1為膨黏凍62；d2為膨黏凍93；d3為膨黏凍122；d4為膨黏凍180；d5為膨黏凍270

圖6a1—圖6a5 及圖6b1—圖6b5分別反映細砂土與膨脹性黏土在凍結管不偏斜工況下，從中圈管開始交圈直至外圈管整體交圈后，凍結壁形成與發展重要節點歷程，明顯可以看出，2種不同性質的土層凍結交圈的次序均為：中圈管→內圈管→內–中圈管→外圈管；2種土溫度場云圖均呈明顯對稱均勻、各向同性、規則發展特性，主要因為凍結管位置理想化且冷量分配均勻所致。圖7c1—圖7c5及圖7d1—圖7d5分別為凍結管偏斜工況下，細砂土與膨脹性黏土凍結壁形成過程溫度場云圖，與凍結管不偏斜相比，偏斜在凍結壁形成過程中沿徑向存在無序發展現象，主要是凍結管施工隨機偏斜，造成因偏離而接近的凍結管重疊效果大增，因偏離而距離較遠的凍結管冷縫相遇疊加效果差，且具有嚴重的離散性和滯后性，凍結發展極其不均勻。

提取圖7相關數據，偏斜工況時，砂土中圈管、整體交圈時間分別為62、122 d，膨脹性黏土中圈管、整體交圈時間分別為93、180 d。該礦井凍結工程于2012年4月8日開機凍結，實測顯示，凍結80 d前后，水1孔、水2孔、水3孔均已先后冒水，最后一個水4孔于2012年8月1日(凍結115 d)冒水，2012年8月6日(凍結122 d)，水1孔、水2孔、水3孔均已溢水，地質報告中在4個水文孔不同埋深范圍內，均為中砂或細砂，水文孔冒水是凍結壁交圈最為直觀的表象，說明主要含水層均已交圈，數值模擬與工程實測有較好的擬合度。

由此可見，凍結管偏斜對凍結壁主凍結管交圈時間存在顯著影響。細砂層和膨脹性黏土層凍結交圈存在顯著差異，主要是因為細砂層土顆粒遠比黏性土大，顆粒無吸著水，無塑性，細砂層土顆粒的結合水含量很少，形成凍土后幾乎無未凍水，凍結速度快。膨脹性黏土顆粒細、總表面積大，含有大量吸著水(帶有電荷的黏粒吸引水化離子和水分子形成雙電子層水膜)和薄膜水[22]。特別是膨脹性黏土中的蒙脫石伊利石礦物親水性很強，包含吸著水，密度大黏度高，流動性差，冰點低，比熱容大，凍結過程長，凍結速度慢。

4 數值模擬結果分析

4.1 凍結壁特征參數隨時間變化

4.1.1 凍結壁有效厚度

膨脹性黏土以–2.9℃、細砂以–0.5℃作為凍結溫度，提取凍結溫度以下的凍結壁區域數據，用從井筒圓心到凍結壁外邊緣的距離，減去井筒圓心到內邊緣距離，或用從井筒圓心到凍結壁外邊緣距離減去凍結壁入荒徑長度，取兩者的較小值來作為該方向凍結壁厚度，再按照圖8中標注的3個方向路徑的平均值作為凍結壁的有效厚度，如圖9、圖10所示。

圖8 凍結管偏斜路徑

圖9 偏斜砂土凍結壁特征

圖10 膨脹性黏土凍結壁發展特征

4.1.2 凍結壁平均溫度

采用凍結壁區域的溫度按區域面積進行加權平均來計算。凍結管偏斜工況時取圖8中(2、3、4)3個路徑的相關參數的平均值，提取不同工況下凍結壁形成過程相應數值，根據Origin軟件得出–400 m和–440 m控制層位凍結壁發展形狀，如圖9、圖10所示。

4.1.3 凍結壁特征參數分析

圖10a可以看出，凍結管不偏斜時，膨脹性黏土凍結壁有效厚度，55 d(凍結中圈管交圈)時為零，隨著時間推移，凍結壁呈線性增長，凍結100 d后，增長速度有所降低，到接近150 d時，有效厚度發生突增，此時應是凍結壁外圈管交圈閉合形成累加整體凍結壁所致。160 d后，凍結壁有效厚度又呈直線增長，但增長速度較緩慢穩定。

圖10b凍結管偏斜時，膨脹性黏土凍結壁有效厚度，93 d(凍結中圈管交圈)時為零，隨著時間推移，凍結壁呈線性增長，140 d時出現“小臺階”，155 d后再次發生突增，180 d后再次出現“小臺階”，200 d后總體呈直線型緩慢增長發展態勢，這種不規則的發展性狀主要是由于原布置間距規則一致的凍結管因施工偏差而呈毫無規律隨機偏斜狀態，造成以凍結管為中心的低溫擴散呈不規則紊亂狀態，致使中–內圈、中–外圈凍結管間距與相鄰中圈管、內圈管之間管距無明顯差別。

同樣，圖9的偏斜砂土凍結壁特征發展趨勢中，凍結壁有效厚度發展先快速增長，凍結120 d后，增長速度放緩，整體呈較為“圓滑”穩定的曲線型發展軌跡。原因是盡管凍結管位置有隨機偏斜工況，但細砂層透水性好，水分遷移速度快，冷量擴散受凍結管偏斜影響較小。

凍結100 d和200 d時，膨脹性黏土層凍結壁厚度分別為1.82、9.63 m，細砂土凍結壁厚度為7.38、11.86 m。細砂土偏斜工況下161 d達到設計凍結壁厚度。凍結管不偏斜與偏斜工況下，膨脹性黏土達到設計凍結壁厚度(10.6 m)分別是242 d與239 d。土性差異對凍結壁厚度影響較大；凍結管是否偏斜對深層黏土層最終達到凍結壁設計厚度的時間影響不大。

通過凍結管偏斜和不偏斜情況下溫度場對比發現，偏斜凍結時，凍結100 d與200 d時，膨脹性黏土層、細砂土凍結壁平均溫度分別為–3.3℃、–6.8℃與–15.8℃、–16.72℃。凍結管不偏斜情況下，膨脹性黏土287 d達到設計溫度(–18℃)。凍結管偏斜時，膨脹性黏土、細砂土分別330 d、241 d達到設計凍結壁平均溫度，膨脹性黏土偏斜比不偏斜滯后43 d，達到設計凍結壁平均溫度，凍結管偏斜時，細砂土比膨脹性黏土偏斜早89 d達到設計凍結壁平均溫度。

綜上，偏斜、土性差異對黏土層凍結壁溫度影響均較大。偏斜對膨脹性黏土達到設計溫度影響尤其明顯。

4.2 不偏斜主面溫度場曲線

提取通過井心和多圈管位置模擬主面溫度場數值，繪出不偏斜狀態下細砂土與膨脹性黏土三圈管凍結壁主面溫度場形成特性圖(圖11)。總體上，內圈管(防片幫)、中圈管、外圈管將凍結壁劃分為4個區域，中間2個區域隨著凍結天數增加，降溫線呈開口向下的拋物線下降趨勢，內圈管處降溫最明顯，中圈管次之，外圈管最后。凍結300 d時，中、內圈管溫度最低趨于一致，隨著凍結天數增加，內圈管內側和外圈管外側降溫較明顯，但外圈管外側降溫幅度明顯小于內圈管內側，且膨脹性黏土降溫效果比細砂土差，發展較為緩慢。原因是外圈管外側冷量擴散范圍廣，膨脹性黏土發展尤為緩慢。

圖11 三圈管凍結壁主面溫度場(不偏斜)

4.3 偏斜隨機界面溫度場曲線

提取通過井心和多圈管位置模擬界面溫度場數值，繪出偏斜狀態下細砂土與膨脹性黏土三圈管凍結壁界面溫度場形成特性圖(圖12)。4個區域雖仍存在前述類似變化趨勢，但是溫度發展呈不規則性狀，源于凍結冷量分配不均勻。對比發現，在凍結相同天數情況下，細砂土降溫區域明顯大于膨脹性黏土區域，凍結天數越多，細砂土降溫早期十分明顯，后期不明顯且趨于穩定；膨脹性黏土降溫較為緩慢，總體降溫效果不如細砂土，內圈管內側降溫效果優于外圈管外側，原因是中圈管為主凍結管，中–內圈管因為距離近又偏斜交織，凍結壁儲存大量冷量向內傳遞，且內側土層溫度無熱源補充，而外圈管外側熱源補充充足。從圖12還可看出，凍結管偏斜時，凍結270 d時，砂土最低溫度比膨脹性黏土低1.5℃。

圖12 三圈管凍結壁界面溫度場曲線(偏斜)

5 結論

a.某礦井砂黏層分界(凍結管斷管)處的黏土層屬性為膨脹性黏土，其中的蒙脫石伊利石礦物親水性很強，包含吸著水，密度大黏度高，流動性差，冰點低，比熱大，凍結過程長，凍結速度慢。在膨脹性黏土與細砂土分界處，凍結壁發展不平衡、不充分，使得凍結壁強度低、蠕變變形大是造成斷管的潛在內因，必須加強膨脹性黏土層凍結。

b.多圈管凍結過程中，不同性質的土層對凍結壁形成時間影響較大。凍結管不偏斜與偏斜工況下，膨脹性黏土達到凍結壁設計厚度(10.6 m)的凍結時間分別是242 d與239 d；達到凍結壁設計溫度(–18 ℃)的凍結時間分別是287 d與330 d(細砂土為241 d)；凍結管偏斜時，細砂土比膨脹性黏土早89 d達到設計凍結壁平均溫度，與幾乎同深度細砂土相比，膨脹性黏土凍結壁達到設計溫度時間嚴重滯后。

c.多圈管不偏斜凍結，凍結壁溫度場呈規則、對稱、有序發展，主凍結中圈管間、內圈管間、中–內圈管間、中–外圈管間、外圈管依次形成交圈過程，隨著凍結時間增加，中–內圈、中–外圈管間凍結溫度由拋物線型發展為梯形降溫形狀，且溫差減少，內、外圈管外側呈倒八字型發展形態，內圈管內側降溫效果明顯好于外圈管外側。偏斜時，凍結壁溫度場交圈降溫不規則不明晰，凍結冷鋒交圈疊加具有隨機性和離散性。

[1] 陳湘生. 對深凍結井幾個關鍵問題的探討[J]. 煤炭科學技術，1999，27(1)：36–38.CHEN Xiangsheng. Discussion on several key issues for deep frozen shaft[J]. Coal Science and Technology，1999，27(1)：36–38.

[2] 高志宏，胡雙平，張曉峰，等. 聯絡通道富水卵礫石層凍結施工凍結壁溫度及變形的模型試驗[J]. 西安科技大學學報，2020，40(3)：408–416. GAO Zhihong，HU Shuangping，ZHANG Xiaofeng，et al. Model test of freezing wall temperature and deformation in freezing construction of water-rich gravel layer in connecting passage[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2020，40(3)：408–416.

[3] 盛天寶，魏世義. 特厚黏土層多圈孔凍結壁溫度場實測研究與工程應用[J]. 巖土工程學報，2012，34(8)：1516–1521. SHENG Tianbao，WEI Shiyi. Measurement and engineering application of temperature field multiple-ring hole frozen wall in extra-thick clay strata[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34(8)：1516–1521.

[4] 陳軍浩，李棟偉. 多圈管凍結溫度場特征分析及工程應用[J]. 冰川凍土，2016，38(6)：1568–1574. CHEN Junhao，LI Dongwei. Temperature field frozen with multi-circle pipes in shaft sinking：Feature analysis and engineering application[J]. Journal of Glaciology and Geocryology，2016，38(6)：1568–1574.

[5] 焦華喆，孫冠東，陳新明，等. 深厚沖積層多圈孔凍結壁溫度場發展研究[J]. 煤炭學報，2018，43(增刊2)：443–449. JIAO Huazhe，SUN Guandong，CHEN Xinming，et al. Development of temperature field of multiple circle freezing wall in deep alluvium[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(Sup.2)：443–449.

[6] 胡坤，周國慶，荊留杰，等. 深厚表土多圈管凍結溫度場演變規律研究[J]. 采礦與安全工程學報，2010，27(2)：149–153. HU Kun，ZHOU Guoqing，JING Liujie，et al. Experimental research on multiple-circle freezing temperature field for thick top soil[J]. Journal of Mining and Safety Engineering，2010，27(2)：149–153.

[7] 林斌，王鵬，侯海杰，等. 深厚黏土層多圈管凍結壁溫度場發展規律[J]. 煤田地質與勘探，2018，46(4)：135–141.LIN Bin，WANG Peng，HOU Haijie，et al. Development law of the multiple-loop tube freezing temperature field in deep thick clay layer[J]. Coal Geology & Exploration，2018，46(4)：135–141.

[8] 李懷鑫，林斌，王鵬. 雙圈管凍結壁溫度場形成特性及影響因素[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(3)：169–175.LI Huaixin，LIN Bin，WANG Peng. Influence factors and formation properties of temperature field in the frozen wall of double ring pipes[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：169–175.

[9] 榮傳新，尹建輝，王彬，等. 深厚沖積層破損井筒修復過程中的控制凍結技術[J]. 煤炭科學技術，2020，48(1)：157–166. RONG Chuanxin，YIN Jianhui，WANG Bin，et al. Controlled freezing technology for repairing damaged shaft in deep alluvium[J]. Coal Science and Technology，2020，48(1)：157–166．

[10] 汪仁和，王偉. 凍結孔偏斜下凍結壁溫度場的形成特征與分析[J]. 巖土工程學報，2003，25(6)：658–661. WANG Renhe，WANG Wei. Analysis for features of the freezing temperature field under deflective pipes[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(6)：658–661.

[11] 汪仁和，曹榮斌. 雙排管凍結下凍結壁溫度場形成特征的數值分析[J]. 冰川凍土，2002，24(2)：181–185. WANG Renhe，CAO Rongbin. Numerical analysis of the temperature field features in the frozen wall with double rows of freezing pipes[J]. Journal of Glaciology and Geocryology，2002，24(2)：181–185.

[12] 陳文豹，吳里揚，李功洲，等. 程村主副井深厚沖積層凍結法鑿井技術[M]. 北京：煤炭工業出版社，2008. CHEN Wenbao，WU Liyang，LI Gongzhou，et al. Freezing sinking technology in deep alluvium of Chengcun main and auxiliary shafts[M]. Beijing：Coal Industry Press，2008.

[13] 王磊，陳世官，李祖勇. 軟巖凍結鑿井井幫穩定性影響因素敏感性分析[J]. 西安科技大學學報，2019，38(1)：79–84. WANG Lei，CHEN Shiguan，LI Zuyong. Sensitivity analysis of influential factors of surrounding rock stability in soft rock freezing sinking[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2019，38(1)：79–84.

[14] 王千星，楊維好，王衍森. 厚表土斜井凍結鑿井期井壁混凝土應變實測研究[J]. 采礦與安全工程學報，2016，33(4)：655?661. WANG Qianxing，YANG Weihao，WANG Yansen. Study on concrete strain of inclined shaft lining in deep alluvium during freezing sinking period[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2016，33(4)：655?661.

[15] 程樺，張亮亮，姚直書，等. 厚表土薄基巖鉆井井筒突水潰砂次生豎向受壓破壞機理研究[J]. 煤炭工程，2020，52(1)：1–7. CHENG Hua，ZHANG Liangliang，YAO Zhishu，et al. Study on the mechanism of secondary vertical compression failure caused by water and sand inrush during shaft boring through thick alluvium and thin bedrock[J]. Coal Engineering，2020，52(1)：1–7.

[16] 胡向東，方濤，韓延廣. 環形雙圈管凍結穩態溫度場廣義解析解[J]. 煤炭學報，2017，42(9)：2287–2294. HU Xiangdong，FANG Tao，HAN Yanguang. Generalized analytical solution to steady-state temperature field of double-circle-piped freezing[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(9)：2287–2294.

[17] 胡向東，汪洋. 三排管凍結溫度場的勢函數疊加法解析解[J]. 巖石力學與工程學報，2012，31(5)：1071–1080. HU Xiangdong，WANG Yang. Analytical solution of three-row-piped frozen temperature field by means of superposition of potential function[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(5)：1071–1080.

[18] 馬茂艷，程樺，榮傳新. 楊村煤礦主井深厚鈣質黏土層凍結施工技術[J]. 煤炭工程，2017，49(9)：14–18. MA Maoyan，CHENG Hua，RONG Chuanxin. Freezing construction technology for main shaft of Yangcun coal mine in deep and thick calcareous clay layer[J]. Coal Engineering，2017，49(9)：14–18.

[19] 蒲海波. 用X射線衍射分析鑒定黏土礦物的方法[J]. 勘察科學技術，2011(5)：12–14. PU Haibo. Method of identifying clay minerals by X-ray diffraction analysis[J]. Site Investigation Science and Technology，2011(5)：12–14.

[20] 田玉新. 淮南礦區厚松散層結構特征及其沉積環境研究[D]. 徐州：中國礦業大學，2014. TIAN Yuxin. Study on the structural characteristics and sedimentary environment of thick loose layer in Huainan mining area[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2014.

[21] 楊青. 熱力耦合作用下凍結壁溫度場與凍脹力分布規律研究[D]. 淮南：安徽理工大學，2015. YANG Qing. Research on distribution of the temperature field and heaving force in the frozen wall based on thermal-mechanics coupling effect[D]. Huainan：Anhui University of Science and Technology，2015.

[22] 殷宗澤. 土工原理[M]. 北京：中國水利水電出版社，2007. YIN Zongze. Geotechnical principles[M]. Beijing：China Water Power Press，2007.

Freezing temperature field characteristics of multi-loop pipers under different working conditions at the interface of deep thick sand and clay

YANG Qing1,3, RONG Chuanxin2,3, LI Mingjing2, YANG Guobing4

(1. School of Civil and Architecture Engineering, Chuzhou University, Chuzhou 239000, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China; 3. Engineering Research Center of the Ministry of Education on Underground Mining Engineering of Anhui University of Technology, Huainan 232001, China; 4. Anhui Chuzhou Technician College, Chuzhou 239000, China)

The design scheme of multiple-loop pipe freezing wall is an effective method to solve the problem of deep freezing, In order to study the freezing temperature field characteristics of multiple-loop pipes under different working conditions at the boundary of deep thick sand and expansive clay, the XRD test results of the original cohesive soil at the boundary were taken. ANSYS numerical simulation was used to compare under the skewed and non-skewed conditions of fine sand and expansive clay. Studies have shown that: multiple-loop pipes are frozen without non-skewed, and the temperature field of the frozen wall of the fine sand layer and the expansive clay layer develops in a regular, symmetrical and orderly manner. The main freezing center ring tube, inner ring tube, middle-inner tube, middle-outer tube, the outer ring tube form an intersection process in turn. As the freezing time increases, the freezing temperature between the middle-inner ring and the middle-outer ring tube develops from a parabolic shape to a trapezoidal cooling shape, and the temperature difference decreases. The outer side of the inner and outer ring tubes is inverted. The cooling effect on the inside of the inner tube is obviously better than that on the outside of the outer tube. When skewed, the temperature field of the freezing wall is irregular in the temperature field, and the superposition of the freezing cold front is random and discrete. The formation time of the frozen wall of expansive clay is seriously lagging behind deviation and soil properties have a greater influence on the temperature of the frozen wall. The deviation has a particularly obvious effect on the expansive clay. It is more consistent with the multiple freezing pipe broken events that occurred in a mine’s freezing shaft sinking at the sand-clay boundary of the formation above -400 m. The research results can provide a reference for similar deep mine frozen construction.

expansive clay; sand-clay boundary; freezing wall temperature field; multiple-loop tube frozen; freezing of freezing pipe; frozen wall features

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TU443

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.030

1001-1986(2020)06-0224-09

2020-08-24；

2020-11-12

國家自然科學基金項目(51374010，51878005)；安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心2020年基金項目(JYBGCZX2020209)

National Natural Science Foundation of China(51374010，51878005)；Engineering Research Center of the Ministry of Education of Anhui University of Science and Technology in 2020(JYBGCZX2020209)

楊青，1990年生，女，安徽滁州人，碩士，講師，從事土木地下工程及凍土力學研究. E-mail：1302511392@qq.com

榮傳新，1968年生，男，安徽六安人，博士，教授，博士生導師，從事巖土與地下結構工程等方面的研究工作. E-mail：chxrong@aust.edu.cn

楊青，榮傳新，黎明鏡，等. 深厚砂黏分界處不同工況下多圈管凍結溫度場特性[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(6)：224–232.

YANG Qing，RONG Chuanxin，LI Mingjing，et al. Freezing temperature field characteristics of multi-loop pipers under different working conditions at the interface of deep thick sand and clay[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：224–232.

(責任編輯 周建軍)