渗流作用下裂隙岩体冻结温度场分布规律研究

建立了渗流作用下裂隙岩体双孔冻结的数值计算模型,采用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,实现了裂隙岩体冻结过程中耦合及相变问题的模拟,分析了裂隙存在对岩体冻结温度场及渗流场的影响,研究了不同渗流速度下对应的冻结温度场的分布规律.结果表明:裂隙的存在会减薄上游冻结壁厚度,等温线在冻结壁外图形成“心形”分布;渗流速度对冻结壁的发育及其交圈时间影响较大,渗流速度愈大,冻结壁发育愈慢,交圈时间愈长.在本文条件下,当渗流速度小于7 m/d时,流速与交圈时间基本呈线性关系;当渗流速度超过7m/d时,交圈时间呈现急剧增长,达到10 m/d时,交圈时间趋于无限大,即交不上圈.     

渗流裂隙岩体冻结温度场模型试验研究

我国西部地区有丰富的煤炭资源埋藏在富水岩层下,普遍采用冻结法凿井实现井工开采。与我国中东部地区表土冻结不同的是,西部地区人工冻结的目标为富水岩层,其为孔隙储水、裂隙导水,易在裂隙处形成优势流。当出现裂隙优势流时,将不可避免地对岩体的冻结温度场产生控制性影响,裂隙面处往往会成为冻结壁的薄弱部位,这与表土冻结温度场研究中所考虑的孔隙渗流影响迥异。为此,本文在人工冻结温度场模型中引入裂隙参数和渗流参数,推导渗流裂隙岩体人工冻结水热耦合温度场的相似准则,并在此基础上开展裂隙岩体双管冻结温度场的模型试验和数值模拟研究。研究结果表明:裂隙渗流显著延缓了冻结壁交圈时间,裂隙面冻结壁交圈时间远大于岩块,且其冻结壁厚度也显著降低。在富水裂隙岩体人工冻结中,在冻结管与裂隙垂直,裂隙开度为20 mm,管间距为1.736 m时,冻结壁能够交圈的极限渗流速度为(17±1) m/d研究结果对西部地区富水岩层的冻结法凿井具有重要参考价值。     

西部白垩系地层冻结设计基本参数的选取

通过巴拉素煤矿主立井、巴彦高勒矿井风立井、大海则矿井主立井等冻结工程实例,对西部白垩系地层中的冻结壁厚度、冻结深度、冻结壁交圈时间等数据进行统计汇总,以选取合理的冻结参数。主冻结孔开孔间距平均在1.333 m,防片帮孔开孔间距平均在2.426 m,浅水文孔的冒水时间平均在37 d。依据水文孔冒水时间及含水层的最大孔间距,冻土圆柱发展速度平均为27 mm/d。冻结管的管径宜选取大于140 mm管,以确保冻结壁的有效形成。该研究为以后同区域类似地层提供实例参考。     

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。     

冷媒温度和渗流速度对富水砂层冻结温度场的影响规律研究

针对天津地区地铁隧道施工中存在富水砂层等复杂水文地质条件下的冻结问题,通过室内模型试验和数值模拟的结合,研究了冷媒温度和渗流速度对砂土冻结温度场、交圈时间和冻结壁发展的影响。研究结果表明：随着冷媒温度降低,冻结管附近的温度梯度越陡,冻结壁也变得更厚。渗流存在时,渗流水将冷量从上游带到下游,阻碍了冻结壁在上游方向的发展,同时在一定程度上推动了冻结壁在下游方向的发展,导致冻结壁厚度不均匀。最终,冻结壁的形状从静水时的圆形发展为心形。在实际工程中,采用注浆等手段减缓渗流速度,并降低冷媒温度,可缩短交圈时间,确保冻结进程顺利进行。     

高流速地下水井筒冻结施工技术

古城矿井地处兖州市东郊水源开采基地,因地下水长期连续大量地开采,深度38~104m段冲积层最大地下水流速达到了40.08m/d。要在如此大的动态水流中顺利形成冻结壁有很大难度。为了保证井筒冻结段掘砌施工安全顺利,对高流速地下水段冲积层采取了增设1圈辅助冻结孔的加强冻结措施;同时采用减小冻结孔间距,-30℃低温盐水冻结,双供液系统,高流速盐水循环方式,冻结孔钻进施工中压浆等多种做法,使得主、副井筒冻结壁提前交圈封水,井筒提前开挖,缩短了制冷工期,节约了冻结费用,取得了明显的技术经济效益。     

基于组合赋权-灰色关联度法的冻结法凿井三圈管布置方案优化

针对特厚冲积层冻结法凿井多圈管布置设计难题,以两淮矿区丁集煤矿二副井冻结工程为背景,基于组合赋权理论和灰色关联度法对三圈管冻结方案进行优化设计。依据工程地质条件和冻结法凿井设计原理,采用ANSYS数值分析软件,构建了对应的冻结温度场分析模型;基于组合赋权-灰色关联度法,采用正交分析方法研究外排孔、中排孔圈径及孔间距对冻结壁温度场的影响。结果表明,外排孔圈径和孔间距对井帮温度、冻结壁厚度及冻结壁平均温度影响较大。结合冻结管施工特点,确定三圈冻结管优化布置方案为:中排孔圈径为23.5 m、孔间距为1.34 m;外排孔圈径为31.2 m、孔间距为1.75 m;数值分析预测值与现场监测结果较为一致,从而证明了数值分析模型的合理性。     

寒区冻结工程利用自然冷能的空冷换热技术研究

西北地区冬季有着充沛的自然冷能。为了有效利用这种自然冷能进行井筒冻结,设计了翅片管式盐水空冷换热器;并在低温冷库内,进行了盐水空冷换热试验。结果表明:降低气温,可大幅提升空冷换热效果;增加空气及盐水流量,可小幅提升空冷换热效率。为评价空冷盐水的工程实用性,以地处锡林郭勒盟的鲁新煤矿主井井筒冻结工程为背景,对3种温度状态盐水形成的冻结壁温度场进行了数值模拟,结果表明:在相同孔间距下,准低温(-10~-15℃)盐水冻结壁交圈时间为人工制冷盐水的1.5~2倍,约占当地冬季时间的1/2;适度缩小孔间距后,冻结壁交圈时间与正常孔间距下的人工制冷盐水交圈时间相当。试验及数值模拟表明:寒区可以利用盐水空冷换热技术,开发利用自然环境冷能来进行井筒冻结。     

含裂隙构造渗流地层人工冻结壁发育及影响因素分析

建立了渗流作用下裂隙岩体双孔冻结的数值计算模型,采用COMSOL软件模拟分析了不同裂隙开度、裂隙倾角及渗流速度对裂隙岩体人工冻结壁发育规律的影响。结果表明:1)裂隙开度愈大,冻结壁交圈时间愈长,且增幅愈大;无论是主面冻结壁还是界面冻结壁,上游冻结壁发展速度明显小于下游冻结壁发展速度;2)裂隙倾角为0°的冻结区域和等温线均是关于y轴对称,10°,20°,30°的冻结温度场分布已不再关于y轴对称,并且沿裂隙方向形成"心形",即在下游裂隙方向上冻结壁是最厚的,而在上游沿着裂隙方向冻结壁是最薄的,随着裂隙倾角的增大,水渗流对冻结温度场的影响逐渐减小;在文中给定条件下,裂隙开度比裂隙倾角对渗流地层冻结壁发育的影响程度较大。     

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。     

冻结钻孔突水综合防治技术的应用与研究

冻结法凿井工程中,采用全深冻结时,冻结深度一般超出井筒深度15m左右.冻结结束后由于封孔质量不迭标等问题,冻结孔极可能会成为各含水层之间的导水通道.巷道掘进过程中,揭露下部冻结钻孔时,易发生突水,可能会导致井筒倾斜、淹井等重大灾害事故.本文结合纳林河二号矿井井筒的具体情况,在动水条件下,采用在地面对冻结钻孔射孔注浆与井筒分水平针对冻结管壁后注浆相结合的封堵新技术,成功完成对井筒周围冻结管环形空间的充填及含水层的封堵,为今后类似工程提供宝贵经验.     

崩落回填区渗流场与应力场耦合有限元分析

以金山店铁矿崩落回填区为例,建立了崩落回填区渗流与应力耦合的数学模型,分析了渗流场与应力场耦合特性。模拟结果表明：在巷道附近渗流速度较大时,通过巷道边界的渗流量为1.3×10-3 m³/（s·m）;考虑耦合比不考虑耦合总水头值总体上是减小的,特别是在底部区域,影响更为明显;耦合对应力场也有一定的影响;总水头值随着耦合系数β的增加而逐渐减小。     

人工冻土温度场的支持向量机法预测

 在冻结法凿井施工中,及时掌握人工冻土温度场发展,对于优化冻结方案、处理紧急情况有重要的意义。针对新建矿井实测样本较少的特点,利用基于结构风险最小化原理与小样本学习方法-支持向量机算法,建立了人工冻土温度场发展的支持向量机计算模型。采用不同的核函数的支持向量机对人工冻土温度场发展进行对比分析,确定了适合于人工冻土温度场发展计算的核函数。人工冻土温度场支持向量机模型计算结果表明,该方法是一种有效的方法,为人工冻土温度场的计算提供了一条新途径。     

地面顺层孔注浆技术在帷幕截流工程中的应用

为了解决朱仙庄煤矿8煤顶板五含水害问题,提出了“帷幕截流,疏干开采”的治理思路,基于地面顺层孔注浆技术研究了大埋深、巨厚层、极强富水岩溶含水层帷幕截流技术,提出了双排平行错位布孔、内外交叉检验的钻孔方式以及前进式控压、多回次控量注浆的注浆控制工艺,运用“分序孔注浆指标对比分析—地面钻孔检查—井下放水验证”的三阶段质量检验方法验证了帷幕截流效果。结果表明：地面定向顺层孔注浆可实现煤矿大埋深、巨厚层、极强富水溶隙裂隙含水层的帷幕经济高效建造;注浆改造后的岩石抗压强度提高1.6MPa,孔隙率降低77.5%,弹性模量、密度也略有提高,透水率小于1Lu,注浆效果良好;放水验证帷幕过水量小于40m³/h,截流率大于98%,内外水位差大于350m,帷幕截流效果良好且运行稳定。     

地层冻结远程监测系统的设计与应用

神木冻结工程中具有多井监测、测温点相对集中、空间分布远的特点.为实现多井筒冻结温度场同期监测,基于集中管理、分散监测的设计思想,应用无线数传电台及具有强力驱动性能的一线总线监测模块,构建、设计了地层冻结远程监测系统.在每个井筒的监测设计中,将测温孔与冻结器回水的温度测点制成多根测温电缆全部接至一个测温模块,使监测分站精简很多;监测模块的搜索与监测相分离的运行模式,保证了系统的可靠运行.所开发的监测系统取得了完整的监测信息,为冻结工程的顺利进行提供了保障.     

煤层气井关井井底压力恢复模型

为了准确拟合煤层气井关井井底压力变化,基于煤层流体渗流规律和流体稳定流动能量方程,依据煤层气井情况分阶段建立了井底压力恢复模型。依据韩城WL1井地层参数,得到了关井时井底压力动态变化规律。结果表明:井底压力恢复双对数曲线中气水两相流阶段和单相水流动阶段斜率不同,分别为0.3919和0.0682,其后期曲线趋于水平,类似于压裂井二开二关压力恢复试井双对数曲线。随着井底压力的恢复,储层渗透率和解吸半径逐渐减少。当井底压力由1.1MPa恢复到2.36MPa时,解吸半径由11.97m减少到4.46m,产气量由3200m3/d减少到444.25m3/d。     

冻结法凿井中局部冻结技术对已成井壁保护的温度场分析

 甘肃陇东地区某煤矿竖立井原设计壁座底部886m,采用普通凿井法掘砌至472m处因涌水无法继续施工,采用冻结法补充施工。考虑冻结法可能对已成井壁结构的影响,在冻结孔内侧布设一圈温控孔。本文针对472m范围内冻结温度场选取典型层位建立二维模型进行数值模拟,计算分析当前温控孔布设形式及相关参数选取的合理性,并依据该分析进行实际布设。为工程设计和实施提供理论参考。     

某铁矿冻结孔的缓凝水泥浆固管充填技术

近年来,冻结法凿井技术在我国富水岩层矿井建设中的应用越来越广泛。为防止冻结壁融化后冻结孔成为竖向导水通道,威胁矿井的安全,冻结孔必须开展固管充填处理。针对某铁矿回风井冻结法凿井面临的地层条件及钻孔泥浆特点,通过室内及现场试验研究,获得了具有良好稳定性、较长缓凝时间且能与钻孔化学泥浆相容的缓凝水泥浆液配方,并研究制订了合理的冻结孔固管充填施工技术与工艺。冻结孔固管充填技术在该矿井的成功应用,证实了所研发的缓凝水泥浆液配方及相关施工技术与工艺的可行性与可靠性。