发泡材料隔热条件下单管局部冻结温度场研究

局部保温冻结技术可解决冻结法在深井开拓工程中遇到的诸多技术问题,并可节约大量冷量。为获得保温材料特性对冻结温度场的影响规律,以外加套管的单管局部保温冻结温度场为研究对象,首先,将相似理论与理论分析相结合,导出了单管局部保温冻结温度场的无量纲数学模型及相应的准则表达式;其次,以无量纲准则作为影响因素,结合数值计算和模拟试验,研究了冻结管采用发泡材料保温条件下的单管局部冻结问题。分析获得了冻结管热流密度与保温材料的比热容、导热系数、保温层外半径等无量纲因素间的关系,提出局部保温冻结工程中保温材料导热系数最佳选用范围应不大于0.035(无量纲),保温层外半径宜为1.4~1.6(无量纲)之间。研究结果具有广泛的适用性,为局部保温技术的设计和应用提供了理论基础和便利条件。     

大断面斜井底部冻结段温度场模拟研究

 本文以霍州煤电庞庞塔矿主斜井冻结施工为工程背景,采用ANSYS有限元分析软件,建立了斜井底部温度场三维模型并研究了典型参数下其发展规律。研究结果表明,底部冻结温度场从时间和空间上来说都是不均匀的,各个位置的冻结壁向下发展的厚度和冻结壁平均温度均不同且随时间不断发展变化,受到下部地层热流的影响,其向下发展较慢。     

外壁恒温条件下单管冻结温度场解析计算

针对外壁恒温条件下单管冻结相变热传导问题,根据冻结峰面分成冻结区和未冻结区,采用变量替换方法进行了温度场解析分析,获得了冻结峰面半径与冻结时间呈平方根关系,以及采用指数积分函数表示冻结区和未冻结区温度以及相应无量纲温度的计算公式;为数值计算简便,给出了冻结温度场中指数积分函数的高精度低阶多项式表示;获得了冻结管壁热流密度的解析算式。通过算例说明了外壁恒温条件下单管冻结温度场的分布规律,结果显示,冻结温度场呈对数型函数分布,且其曲率随冻结时间的增加而迅速减小,以及未冻区范围约为冻结峰面半径的4倍。     

新庄煤矿白垩系富水基岩立井冻结温度场监测分析

为了准确掌握白垩系地层富水基岩立井冻结温度场的发展规律,通过对新庄煤矿风立井的冻结监测,得到了该地区白垩系地层在特定条件下降温分析数据,进而研究了该地区初始地层温度场的分布规律,以及冻结管内盐水去、回路温度变化规律;对比分析不同岩性随时间变化冻结温度场发展特征,得到白垩系地层降温速率依次为:粗砾岩粗粒砂岩中粒砂岩泥质粉砂岩砂质泥岩;实测数据推算得到白垩系洛河组地层冻结壁扩展速度最快达0.082 m/d,埋深最大泥岩层冻结壁扩展速度最小为0.033 m/d,冻结时间在60~150 d冻结壁扩展速度较大,为估算积极冻结时间提供参考依据。     

局部地层扩孔填充导热材料强化冻结试验

针对立井冻结工程中复杂地层存在的导热性能差异大的问题,为达到对局部地层强化冻结并实现冷能优化的目的,提出了局部地层扩孔填充导热材料的冻结优化方案。为验证该方案的冻结优化效果,对富水砂土进行了单冻结管外覆导热材料的室内冻结试验及对比研究,得出不同低温盐水流量条件下,单管上下分段、有无外覆导热材料的冻结温度场分布规律及冻结壁特征。外覆导热材料冻结管可增加冻结壁厚度20.3%,降低平均温度4.5℃,增大低温盐水流量可明显增加强化冻结效果。     

单排水平冻结工程温度场数值模拟

该文以广州地铁某客运站折返线暗挖法施工隧道为例,研究了单排水平冻结工程温度场、冻结壁的交圈时间、冻结壁的厚度以及影响冻结效果的因素,包括冻结管数量与间距、原始地温和冻结管外壁温度.研究表明.冻结壁内任意点的温度是各冻结管共同作用的结果,冻结管数量越多,冻结效果越好,但温度主要受临近的3个冻结管影响.按盐水冷媒的通常温度...     

深厚冲积层冻结法凿井工程设计及其应用

针对丁集矿井深厚冲积层的特点,提出了采用三圈孔差异冻结的冻结方式,给出了深厚冲积层中采用冻结法凿井的冻结壁厚度、盐水温度、井帮温度、冻结孔圈径和开孔间距等关键因素的设计参数;通过信息化施工监测,得到了冻结壁的形成速度、温度场分布和冻结壁的变形实测数据;这些数据可为深厚冲积层冻结法凿井工程的设计提供参考依据.     

基于复变函数的圆形水平冻结壁弹性分析与设计

为了获得非均匀荷载作用下圆形水平冻结壁与围岩的应力-位移场分布规律,考虑冻结壁与围岩相互作用及开挖卸荷作用,建立了符合实际施工情况的水平冻结壁弹性力学模型。利用复变函数方法,推导出弹性冻结壁与围岩的应力和位移解析解;讨论了基于Tresca和Mises准则的冻结壁厚度设计方法。结果表明：弹性模量比(β)、冻结壁外内径比(ξ)和侧压力系数(λ)对冻结壁与围岩的应力和位移变化影响显著;冻结壁内外缘环向应力差及45°方向最大剪应力与β正相关;β与ξ交互影响冻结壁应力和位移,β越大,ξ影响越显著,ξ>2.4后,β、ξ影响均不显著;0.4<λ<2.4时,冻结壁处于完全受压状态;β越大,围岩作用越弱,冻结壁厚度设计越大,Mises准则条件下冻结壁设计厚度比Tresca准则下小。     

冻结管差异温度强化冻结试验与数值分析

针对立井冻结工程中存在的局部难冻结地层,为对其强化冻结,提出了冻结管差异温度强化冻结方案。为验证差异温度的强化冻结效果,进行了单管冻结试验,同时基于有限体积法(FVM)原理,进行了强化冻结段-35℃、-40℃和-45℃三种条件下的单排管三维数值分析,并研究了冻结管上、下不同温度段的冻结温度场分布规律及冻结壁特征。结果表明:冻结管内可实现差异温度冻结,冻结管强化冻结段可显著增加冻结壁厚度、降低冻结壁平均温度并强化地层的冷能耗散,使局部地层受到强化冻结。     

深厚表土多圈管冻结温度场演变规律研究

为了得到深厚表土多圈管冻结温度场的演变规律,考虑压力对土体结冰温度的影响,研制了深厚表土冻结壁温度场试验系统.依据相似理论,以赵楼风井井筒冻结工程为原型,进行加载后的多圈管冻结温度场试验研究。结果表明:3圈冻结管冻结锋面交圈时间为50 d,冻结壁厚11.2 m,冻结壁平均温度-22.8℃,拟合得到冻结壁平均温度随时间变化函数T1=-3×10-93τ+2×10-52τ-0.0358τ+2.932,井帮温度随时间变化函数T2=-0.0207τ+10.32.特征面温度场进入拟稳定阶段后,冻结壁厚度基本稳定,冻结壁平均温度、井帮温度满足井筒开挖要求;特征面温度场进入稳定阶段后,冻结管冷负荷主要用于维护冻结壁向内扩展区和向外扩展区的温度.     

考虑土性参数不确定性的单管冻结温度场分析

针对冻结法应用中的单管冻结相变热传导问题,考虑土性参数空间上的变异性,将土体传热区域的导热系数和体积比热容模拟为随机场,基于随机场局部平均理论,采用Neumann展开Monte-Carlo随机有限元法对单管冻结随机温度场求解进行了分析,给出了有限元节点温度响应的均值与方差计算公式,根据计算流程框图编写了求解单管冻结温度场的Matlab随机有限元计算程序。通过算例,得到了考虑土性参数不确定的单管冻结温度场统计分布规律,并与将各随机参数视为单一随机变量的情况进行了对比。结果表明:随机场及其局部平均理论能合理考虑土性热学参数空间上的不确定性;土性热学参数模拟为随机场和随机变量获得的温度均值分布规律基本相同;模拟为随机变量得到的温度场变异性偏高,采用随机场建模方法显得更加科学合理。     

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。     

直线形单排管冻土帷幕平均温度计算

在人工地层冻结工程中,平均温度是评价冻土帷幕状态,进行冻土帷幕力学性能分析的基本参数,本文研究单排管冻结形成的冻土帷幕的平均温度计算。基于单排管冻结稳态温度场解析解,直接对温度场表达式进行积分运算,运用分部积分法和积分中值定理,得到了单排管冻结平均温度计算公式,根据工程中的实际参数取值进行了公式的简化。考虑到温度场解析解在冻结管区域的不适用,采用相同的积分策略求解冻结管区域对平均温度计算的影响,进行了平均温度计算公式的修正。使用A NSYS进行了单排管冻结的热学稳态数值模拟与平均温度计算公式的结果进行比对,考察管间距l=0. 4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 m,相对厚度ξ/l=0. 5,0.6,0. 7,0. 8,1.0,1.5共6种冻结发展状态,根据试验报告进行土质参数取值,冻结参数为工程中常用取值。对比计算结果显示,公式计算与数值计算的结果较为吻合。当相对厚度大于0.5时,随着冻土厚度的发展(相对厚度的增大),理论计算结果与数值计算结果的差值迅速减小到0.5以内,当相对厚度大于0.6时,差值小于0.2℃当相对厚度为1及以上时,差值小于0.1℃。通过数值模拟验证了平均温度计算公式的准确性,也说明公式简化和修正的合理性,公式计算的误差满足工程应用的要求。     

液氮冻结管内沸腾段分布特征的试验研究

为获得液氮冻结管内沸腾段的分布特征,采用在供液管上开孔的冻结管结构,进行了现场冻结试验,通过布置在冻结管内的测温管,测试了液氮冻结过程中冻结管内的温度,获得了冻结管内沸腾段的分布特征,得出以下基本结论：采用供液管上开孔的冻结管结构,冻结管内出现液氮沸腾状态时,冻结管出口氮气温度较传统液氮冻结的出口温度低。随着液氮灌注量的增加,在供液管开孔段上部位置首先出现液氮沸腾段,并逐渐向下延伸,直至下部冻结管全部进入沸腾段,而上部未开孔的范围内较难获得液氮沸腾状态。由于不同位置液氮气化量的差异,造成液氮沸腾段内形成的冻结壁均匀性较差。研究结果表明,调节供液管上的开孔范围和液氮供应量,可以有效控制冻结管内沸腾段分布范围,提高液氮利用效率,发挥液氮快速冻结的优势。     

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。     

沿海高渗流砂层立井井筒冻结事故分析

针对高地下水流速低结冰温度的砂性地层中冻结井筒冻结壁不交圈情况,以沿海地区某副井冻结为例,分析了冻结设计中冻结壁厚度、平均温度、冻结孔分布和深度等参数不合理之处,并提出了选取建议,同时对冻结期间盐水温度进行了统计。研究表明,机组配置不够、盐水进回水温度差过大是造成冻结壁未交圈的人为控制因素,认为在冻结施工全过程中排除人为因素干扰是冻结工程成败的关键之一。     

直线双排管冻结壁平均温度的等效抛物弓形模型

在双排管冻结壁温度场的巴霍尔金（Бахолдин）解析解和考虑地层实际冻结温度时该解的修正解的基础上,建立了一种双排管冻结壁的平均温度解析计算模型--等效抛物弓形模型。该模型以冻结壁某一横截面厚度上的等效抛物弓形法计算的平均温度来等效整体冻结壁的平均温度。在实际工程中可能出现的冻结管平面布置参数变化范围内全面考察了冻结壁平均温度等效抛物弓形计算结果与依据巴霍尔金解析解数值积分计算结果的误差以及误差规律。结果表明,等效抛物弓形计算的冻结壁平均温度误差较小,具有足够的工程精度。