錢營孜礦新副井凍結溫度場監測與分析

程龍藝，張偉，李廣平，方浩，王曉健

（1．安徽省皖北煤電集團有限責任公司錢營孜煤礦，安徽 宿州 234000；2．安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

1 引言

我國土地面積大，地下儲存資源相對豐富，其中儲存著大量的煤炭資源，但由于近幾十年來人們對煤炭的大量開采，導致地面以下淺層煤層日益枯竭，迫使人們深入開采更深層的煤炭資源。隨著淺部煤層的不斷消耗枯竭，人們開始向深厚地層開發資源，需在深厚表土層或基巖中建設深大井筒，凍結特殊法鑿井是穿過不穩定表土層或大流速含水基巖層的有效施工方法，凍結法具有污染性小、防水性好、工期易于保證、凍結加固土體均勻、可以人為控制凍結壁的形狀等優點。

錢營孜煤礦實施改建及二水平延深工程，在工業廣場內新建新副井，其設計凈直徑為6．5m，深度達1032．0m。該新建井筒工程具有井筒深、直徑大，井壁受力條件復雜，井筒上部要穿越沖積層223．2m，凍結深度為325．0m。由于在工業廣場內建設新副井，在沖積層下部粘土層厚達8．3m，當采用凍結法鑿井時[1-2]，在厚粘土層位井幫變形量大、工作面底臌量大、凍結壁穩定性差，外壁將要受到較大的凍結壓力作用。從我國深厚沖積層凍結法鑿井技術現狀來看，設計理論落后于工程實踐。現有工程實踐表明在凍結過程中凍結壁的交圈時間、厚度、溫度和井筒開挖時間等受凍結孔的實際成孔質量影響顯著，因此凍結法鑿井是否順利進行取決于凍結孔的成孔質量。因而對施工鉆孔的質量評價關系到凍結壁是否能正常交圈和是否要補打鉆孔。在凍結法鑿井中，通過對測溫孔大量數據分析，可實時預測凍結壁的厚度、擴展速度、平均溫度、凍結圈內外側厚度等技術參數、對合理選擇施工參數，正確地解決凍結與掘砌關系等具有十分重要的意義。因此，需要對凍結過程進行溫度場模擬的模擬[3-5]。

凍結法鑿井是在井筒還未開挖之前，在一定時間內將周圍土層或含水地層溫度降低，形成一層凍結壁，以此來抵擋周圍的水土壓力[6-7]。本文研究錢營孜礦新副井-50．20m 細砂層凍結溫度場情況，根據相關資料和現場實測數據來模擬該層下凍結溫度場的發展規律，通過模擬的數據與現場實測對比分析，對今后類似井壁凍結具有一定的參考意義。

2 工程概況

錢營孜煤礦隸屬安徽省皖北煤電集團有限責任公司，位于安徽省宿州市西南方，北距宿州市約15km，行政區劃隸屬宿州市和淮北市濉溪縣管轄，周邊交通便利。

錢營孜礦井采用立井開拓，工業場地內布置有主井、副井、風井。根據錢營孜煤礦改建及二水平延深工程建設需要，新副井共布置兩個水文孔和三個測溫孔，井筒主要技術特征見表1。

表1 測溫孔、水文孔布置參數

其中主排孔采用差異凍結方式，設計圈徑為14．6m、孔深325．0m 的孔為19 個，孔深276．0m 的孔為19 個。輔助孔采用插花均勻布置方式，設計圈徑為10．7m、孔深227．0m 的孔8 個，設計圈徑為11．2m、孔深277．0m 的孔8 個。防片孔設計圈徑為10．2m、孔深68．0m 的孔為16個。井筒主要技術特征表見表2所示。

表2 井筒主要技術特征表

凍結孔鉆孔施工工程于2020 年10月29 日全部完工，第三方鉆孔偏斜復測資料于2020 年11 月2 日提供，根據所提供的凍結孔偏斜資料按不同深度匯總計算出相鄰凍結孔實際成孔間距[8-10]。由錢營孜礦新副井終孔測斜復測結果計算可知，鉆孔成孔質量較好，沒有超標情況，不需要補孔。

3 凍結溫度場導熱方程

式中：tn為溫度的分布情況，℃；n為巖石狀態，當n= 1 為融土、n= 2 為凍土；τ為凍結時間，s；an為導溫系數，m2·

s-1，an=λn/cn，λn為導熱系數，cn為容積比熱；r為圓柱坐標，以井筒中心為坐標原點，m。

在凍結進行之前，井筒周圍的土體分布著均勻的初始溫度：t(r,0 )=t0。

通常認為在距離井筒很遠處，周圍凍結的情況對土體的溫度無影響，即為初始溫度：t(∞,τ)=t0。

在凍結鋒面上，溫度始終為凍結溫度：t(ξN,τ)=td。

在凍結鋒面兩邊的熱平衡方程為：

在凍結圈上，有t(R0,τ)=tc。

式中：t0為地層初始溫度，℃；ξN為凍結鋒面在N區域內的坐標，m，當N= 1 時、0 ≤ξ1≤R0，當N= 2 時、R0≤ξ2≤R；td為巖土的凍結溫度，℃；λ1、λ2為融土、凍土的導熱系數，J/(m·s·K)；σn為巖土凍結時單位容積潛熱量，J/m3；R0為凍結管布置半徑，m；tc為鹽水溫度，℃。

4 凍結壁溫度場分析

由于現場工程地質情況非常復雜，使用有限元軟件把所有變化情況和所有因素均考慮在內的想法既不現實又沒有必要。故為了方便有限元分析，需要對這些問題進行條件的定義，基本假設如下：假設土體均勻分布，且各項同性；假設模擬現場工程模型外邊緣與外界絕熱，即沒有熱交換；假設不同土層間的縱向熱傳導忽略不計，將問題簡化為平面問題；假設在相同的時刻各凍結管內鹽水溫度都相同；假設初始低溫在同一水平圖層中均一分布。

4.1 幾何模型

錢營孜煤礦新副井凍結溫度場的數值模型假設凍結管的影響范圍為以井筒中心為圓心半徑為60m 的圓，模型邊界以外是絕熱的，簡化為平面問題進行計算。模型采用具有二維熱傳導能力的平面或軸對稱二維熱實體單元PLANE55作為網格劃分單元，模型采用平面三角形自由劃分，為使模擬結果更加精確，越靠近凍結管單元劃分的越密，相反越遠離凍結管，溫度梯度越小的地方，單元劃分的就相對稀疏，以此建立丁集煤礦二風井凍結方案的數值模型。數值模型共劃分了9658 個網格單元、5200 個節點，假設除了這個區域的其他部分為不導熱。結果是否收斂和模型計算的速度取決于網格的劃分情況，將凍結管為中心，其周圍的范圍，劃分的稍密，以此向外，根據凍結管中心的距離越大，劃分越稀疏。根據以上條件建立-50．2m 層位有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元計算模型

4.2 初始條件和邊界條件

假定錢營孜煤礦新副井模型外邊界固定的約束且有恒定的地溫，經測得-50．2m層位地溫為18．89℃。

4.3 凍結壁厚度計算

根據《煤礦凍結法鑿井技術規程》（MT/T 1124-2011）中的公式來算凍結井壁厚。

凍結壁厚度根據《煤礦凍結法鑿井技術規程》（MT/T 1124-2011）中的強度公式進行計算，如式（3）所示。

式中:E為凍結壁的厚度，m；k為安全系數，取1．1；ξ為固定系數，取0．3；P為地壓，MPa；地壓值P= 0.013H，H為地層的深度；h為掘砌段高，取3．8m；σ為凍土單軸抗壓強度，根據井檢孔凍土試驗報告，由插值法計算為3．36MPa，根據式（3）計算得出50．2m 層位處的凍結壁厚度為0．98m。

5 數值模擬與實測結果對比分析

5.1 累深50.2m層位交圈時間分析

通過對錢營孜煤礦新副井井筒檢查孔取出的表土層土體樣品進行人工凍土物理實驗，測定的100m 以上淺部地層土體的凍結溫度為-1．5℃，在數值模擬中100m 以上凍結壁的凍結封面溫度分別取-1．5℃做等值線圖，該等值線圖即為凍結壁的輪廓圖。

50．2m 層位凍結溫度場發展24d 所形成的凍結溫度場負溫區域圖如圖2 所示。

圖2 50.2m層位凍結溫度場負溫區域圖（凍結24h）

由凍結溫度場云圖和-1．5℃等值線圖可以看出50．2m 細砂層在凍結24d的時候凍結壁基本交圈，由計算可知此時的凍結壁厚度為2．71m，凍結壁平均溫度為-7．53℃，井幫平均溫度為6．45℃，符合設計要求。

5.2 累深50.2m層位預測分析

按凍結47d 后井筒開始正式開挖，月成井速度120～100m/月的速度開挖井筒，開挖到50．20m 層位新副井凍結時間約為60d，50．20m 層位凍結溫度場發展60d 所形成的凍結溫度場負溫區域圖如圖3所示。

圖3 50.20m層位凍結溫度場負溫區域圖（凍結60天）

開挖到50．2m 時，由數值模擬計算得凍結壁的厚度為4．79m，凍結壁平均溫度為-19．19℃，井幫平均溫度為-7．43℃，符合設計要求。

5.3 實測水文孔水位

錢營孜煤礦新副井凍結工程分別在鹽水的去、回路干管上安裝測溫元件，每天監測去、回路鹽水的溫度變化，繪制鹽水降溫曲線如圖4所示。

圖4 凍結鹽水去回路溫度變化

由圖4 可以看出，在凍結開始的前20d，隨著凍結站制冷系統的運行，凍結鹽水的溫度下降幅度較大，去回路的溫差也逐漸增大，凍結20～45d鹽水溫度的下降趨勢開始減緩，去回路的溫差逐漸減小，凍結45～140d 鹽水溫度在-30℃左右上下波動，鹽水溫度上下波動的原因在于凍結過程中要根據地層的凍結狀況對鹽水溫度進行動態調節，在此期間去回路的溫差維持在4℃左右，屬于積極凍結期，凍結140d以后凍結鹽水溫度緩慢上升，進入維持凍結期，去回路的溫差也相應減小。

5.4 實測水文孔水位

根據水文孔內的水位變化情況，可以初步判斷凍結壁是否正常交圈，從而確定開挖時間，錢營孜煤礦新副井在距離其井筒中心0．8～1．2m 范圍內布置了兩個水文觀測孔，在水文孔內采用電測水位儀每天觀測一次水位變化，直至水文孔冒水，水文孔內的水位變化如圖5所示。

圖5 水溫孔水位變化圖

由圖5 可以看出在凍結開始的前25d 水文孔S1 的水位變化很小，凍結27d 之后水位逐漸上升，直至凍結30d時冒水；同樣水文孔S2 在凍結初期凍結壁未完全交圈的情況下，其水位變化較小，在凍結27～37d 期間水文孔水位有小幅度的上升，在凍結37d 的時候由于凍結壁基本已經交圈，在凍脹擠壓作用下S2 水文孔的水位急劇上升，于凍結41d時溢出水文孔。

6 結論

根據水溫孔實測結果看出，水溫孔S1在30d開始冒水，水溫孔S2在41d時開始冒水。由此可知模擬與實測結果相符。根據錢營孜礦新副井凍結鉆孔復測數據，通過數值計算可得，錢營孜礦新副井凍結孔成孔質量較高，沒有凍結孔的偏斜超過標準。在該成孔條件下，錢營孜礦新副井凍結壁厚度、凍結壁平均溫度和井幫溫度均能達到設計要求。

本文通過研究錢營孜礦新副井-50．20m 細砂位的凍結溫度場情況，并與實測數據對比分析，得出利用有限元軟件對凍結壁模擬的可行性，預測方法可用于類似的凍結法施工中。