西部富水软岩地层冻结温度场演化实测分析

为掌握西部富水软岩地层深基岩立井冻结温度场发展演化规律,对鄂尔多斯某矿风井冻结工程实施了信息化监测,获得了该矿区地层冻结特征,并分析了不同岩性地层温度在冻结不同阶段的变化规律。结果表明,西部富水软岩的优异导热特性使得积极冻结期短,降温效率高;且后续维护冻结期受施工影响,温升大。不同岩性地层温度发展受原始地温、地下水流方向、钻孔偏斜等多种因素影响。具体表现为越深位置岩层在积极冻结期,降温效率越低,进入负温时间越长;且在维护冻结期,不同测温孔间温度差异越明显。西部富水软岩地层冻结施工过程中,应密切关注较深位置地下水上游方向附近冻结壁的发展状况,避免发生安全事故。     

流热耦合作用下组合岩体等效导热系数研究

针对存在裂隙和流体的组合岩体,采用理论分析、数值计算和实验研究相结合的方法,基于传热学和热动力学的基本原理,综合考虑不同性质岩石的传热和裂隙流体的对流换热,建立了流热耦合条件下组合岩体等效导热系数的计算模型;采用有限元数值模拟方法,随机模拟岩石的孔隙结构,建立了孔隙分别被空气和水充填时,岩石等效导热系数的统一经验方程;通过对裂隙流体与岩体对流换热系数的实验测试,给出了对流换热系数随与流速和温差的关系;综合分析了裂隙和流体对组合岩体导热性的作用,在低流速和小温差条件下,对流换热阻较小,裂隙宽度和流体导热性对岩体导热系数的影响较大;在高流速和大温差条件下,对流换热阻逐渐超过裂隙流体的热阻,组合岩体导热系数明显增大。     

大流速地下水作用下冻结法凿井单圈冻结孔优化布置方法研究

为了解决大流速地下水作用下单圈冻结管形成的冻结壁不易交圈或交圈时间延长等工程问题,针对地下水对人工冻结温度场的作用特点,采用在水流上游位置加密布置冻结管的方法对常规冻结方案进行优化设计。基于表观热容法构建了水热耦合数学模型,并通过大型物理模型试验对数学模型的合理性进行了验证。基于该数学模型并结合淮南某矿冻结方案的设计参数,通过数值计算对7种优化方案的优化效果进行了分析。结果表明：在较大流速的地下水作用下,冻结管布置圈的上游位置的冻结效果是影响整个冻结壁交圈时间以及厚度的决定性因素,对上游位置的冻结管进行加密处理后,缩小了相邻冻结管之间的间距,增加了上流区域的冷量供应,从而缩短了上游区域的冻结壁的交圈时间,进而提高了整个冻结壁的冻结效率。当加密的角度为105°,冻结管的间距缩小至1m时,冻结交圈的最大流速达到13m/d,较优化前(8m/d)提高了62.5%,并且对应相同的冻结时间,优化后的冻结方案形成的冻结壁的厚度明显大于优化前。     

大流速地下水作用下多圈冻结孔优化布置方法研究

为了解决大流速地下水作用下多圈冻结管形成的冻结壁不易交圈或交圈时间延长等工程问题,提出采用在水流上游位置加密布置冻结管的方法对常规冻结方案进行优化设计。基于表观热容法构建了水热耦合数学模型,并通过大型物理模型试验对数学模型的合理性进行了验证。运用该数学模型对淮南潘一矿原冻结设计参数及其优化方案进行了分析。结果表明:对双圈管的外圈上游120°范围内的冻结管进行加密处理后,当地下水流速为10、15、20 m/d时,优化方案相较于常规方案在3种流速下的冻结壁交圈时间分别提前了7、13、57d,并且对应相同的冻结时间,优化后的冻结壁的厚度明显增加。     

某电厂氨氮污染物在地下水中运移规律研究

针对污染物对地下水环境的影响问题,该文采用数值模拟方法,以某电厂地下水中氨氮污染物作为预测因子,由GMS软件建立水文地质模型,进行了地下水中污染物运移数值模拟研究.模拟结果反映出污染物运移的规律,结论是:污染物排放简化为连续恒定排放的点源工况下,污染物影响范围以污染源为中心随时间不断扩大;污染物运移呈椭圆形扩散,长轴沿地下水流动方向延伸;距离污染源越近的位置,模拟期内污染物峰值浓度越高,距离越远峰值浓度越低;近污染源位置,污染物浓度随时间不断增大,但污染物浓度变化速率逐渐降低;顺地下水流方向远离污染源的位置,污染物浓度随时间不断增大,且污染物浓度变化速率不断增加.     

井壁冻结压力及外井壁钢筋应力实测

以某矿风井为工程背景,根据该井筒基岩埋藏特点和冻结段施工情况,分别对距井口632 m、841 m两个水平层位冻结压力、外井壁钢筋受力情况以及井筒施工期间井壁位移进行了实测,结果表明:钢筋应力随时间的变化规律与冻结压力随时间的变化规律相似,其压应力最大值均小于钢筋的屈服强度;冻结施工时其最大冻结压力随时间变化具有函数关系;对于粗粒砂岩来说,前9天冻结压力呈线性增长态势,冻结压力达到最大值的95%,再往后冻结压力增幅不大,大致在冻结压力最大值左右变动。     

绥萝地区大厚度孔隙地下水年龄及其水流系统初探

本文在分析孔隙地下水形成的地质背景基础上,对绥萝地区大厚度孔隙地下水年龄进行分析,进而建立地下水水流模型。     

伊犁1号井砾石层冻结窗口注浆处理

伊犁1号井副立井采用冻结法施工,冻结深度430m,冲积层深159.05m,主要为砾石层。井筒掘进到89.6m深时,掘进工作面出现异常涌水;原因是地下水流速大,冻结壁出现窗口。经研究,决定先采用冻结孔纵向测温技术来准确判定冻结窗口位置;然后采用工作面注黏土水泥浆技术,减缓流速,促使窗口闭合。方案实施后,取得预期效果,井筒顺利通过该段地层。     

人工冻结钙质粘土无侧限抗压强度影响因素试验研究

对典型的钙质粘土进行人工冻土单轴抗压强度试验，分析了强度曲线的特征，得到冻结钙质粘土抗压强度随冻结温度、应变速率的变化规律，及在不同养护时间，尺寸效应的影响规律，其结论对冻结法施工冻结壁设计具有应用价值。     

干冰相变发生器的性能测试

为了解决使用干冰进行采空区防灭火时干冰升华太慢的问题,设计了一种新的能使干冰快速升华的装置-干冰相变发生器,该装置通过水流供热可使干冰快速气化。为了使该装置顺利地应用于煤矿井下,对其进行了性能测试,通过在实验室中进行实验,分析了干冰相变发生器水流供热部分的水力特征、产气量变化,并计算了换热量,评估了铜管冻结风险。结果表明:该装置能够稳定高效地供气4 h,铜管中的水流在正常情况下不存在冻结的风险,认为该装置具有良好的防灭火性能,可应用于采空区防灭火。     

盐水流量对冻结器热交换系数的影响

随着科技的进步,在冻结凿井领域提出了控制冻结技术。冻结器冷冻效率受多种因素影响,包括土层性质、冻结管直径、冻结孔间距、冻结时间、盐水温度及盐水流量。分析了冻结器单孔流量对热交换系数的影响研究得出:调节冻结器单孔流量可以改变其热交换系数,实现冻结过程的有效控制,可以为以后冻结控制技术的实施提供参考。     

考虑未冻水单管冻结温度场解析解

针对冻结法应用中的单管冻结问题,考虑土体在冻结状态下存在随负温连续变化的未冻水,通过将土中水随负温降低而连续冻结的过程离散化,建立了单管冻结温度场变化的离散相变模型,并给出了模型的解析计算方法。将解析解答与连续相变模型下的数值解进行了对比,验证了该解答的正确性。利用解析解,分析了土体冻结状态下存在的未冻水对冻结锋面推进过程的影响,结果表明：忽略未冻水将低估土中冻结锋面的推进速度,并且其低估程度随土体比表面积的增加而增大。     

深厚土层冻结过程的水热力耦合分析

煤炭开发已成深部开采,围压和孔隙水压力的急剧增大使得浅层冻土的研究成果不适用于深层冻土。针对高围压和高孔隙水压力对冻土冻结过程的影响这一关键问题,基于传热学、渗流理论及结构力学相关理论,建立温度场、水分场和应力场耦合问题的数学模型,对深厚土层冻结过程中温度变化、水分迁移速度、冻结应力及冻胀变形进行分析。分析表明高围压对冻胀有抑制作用,但在冻土内部可产生很大的应力积累,对深厚冲积层冻结施工危害极大。     

软岩材料冻融过程中的水热迁移实验研究

研究了寒区冻融环境条件下软岩的水热迁移规律，对两种不同类型的软岩材料进行了开放系统下具有温度梯度的水热迁移实验研究.实验结果表明：不同类型的软岩材料水热迁移程度不同，试样中的石英矿物含量越高，温度场重新分布时间越长；温度梯度是水分迁移的主要驱动力，当温度梯度越大时，水分场则越快达到重新分布状态；孔隙率越高，则冻结过程越长.探讨了软岩材料的水热迁移机理及与冻土材料水热迁移的一致性与差异性.     

基于冻结器内纵向测温的冻结壁薄弱点精准定位技术

人工地层冻结温度场研究是掌握冻结壁发育状况的必要手段，通常以测温孔的实测数据来推算冻土圆柱的有效冻结半径，进而预测冻结壁交圈时间，但该方法易出现局部冻结壁监测盲区。为准确判断冻结壁整体闭合情况，通过对冻结器进行纵向测温，建立了短时停冻后的单孔冻土柱瞬态数学计算模型，借助Maple数学计算软件将复杂公式数字化，揭示了冻土柱半径与回路盐水温度、停冻时间的关系。最后以中国东庞矿西庞风井作为工程案例，通过对各个冻结器内纵向温度数据的计算分析，确定了冻结壁的薄弱位置，为冻结壁“窗口”出水事故的处理提供了理论依据。     

土壤冻胀离心模拟试验

介绍了在清华大学离心机上进行的土壤冻胀离心模拟的模型模拟试验、４０ｇ 下离心模拟重复试验等初步试验成果． ３０ ｇ 和４０ ｇ 下的土壤冻结模型模拟试验结果一致, 说明土壤冻胀离心模拟试验中热传导缩比关系正确． ４０ ｇ 下土壤有／ 无荷离心模拟重复试验结果相近, 说明土壤冻融离心模拟试验的可行和可靠性．     

斜井冻结和解冻全过程温度场演化规律研究

针对斜井冻结中存在的井壁浇筑水化热释放、局部冻结方式等问题，采用数值模拟和现场实测方法对袁大滩煤矿副斜井冻结和解冻全过程温度场的发展演化规律进行了研究，对斜井支护方式、停止冻结时间和局部冻结结构形式进行了探讨。结果表明，局部冻结时在非冻结段采用小尺寸冻结管或聚氨酯发泡方式的局部冻结效果并不理想，建议将局部冻结管做成双层套管，两层冻结管之间设置保温层，以维持聚氨酯材料的保温性能、减少冻土体积、减少制冷量的额外消耗|井壁水泥水化热的释放会造成井壁内部温度较高和周围的冻土融化，建议在外层井壁和冻土之间设置木背板或泡沫板等隔热材料，防止井壁内外温差过大而产生温度裂缝|根据井壁强度增长情况，确定合理的停止冻结时机。