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。     

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。     

特殊地层条件下冻结壁压力变化规律研究

冻结法不仅适用于深厚表土含水地层条件下,而且在特殊地层(白垩系)条件下也有应用,但为数不多,故对特殊地层条件下冻结壁压力的变化规律研究具有一定的实际工程意义。针对内蒙古某矿采用冻结法穿过白垩系地层的施工过程冻结壁的压力进行现场实测,得到冻结壁压力的实际变化数据,并分析总结出该地质条件下冻结壁压力的实际变化规律,对该矿井筒开挖具有一定的指导意义。     

渗流地层斜井帷幕冻结温度场研究

以袁大滩煤矿主斜井治理工程为背景,研究了渗流地层斜井帷幕冻结的温度场发展规律。通过现场实测和数值模拟主斜井治理工程第1段-70 m细砂层在地下水渗流作用下的冻结壁温度场发展特性,为类似工程的设计与施工提供了借鉴。     

白垩系地层深立井冻结壁形成规律数值模拟

为对比白垩系地层冻结孔有无偏斜情况下深立井冻结壁温度场的差异,以内蒙古泊江海子矿副井为工程背景,采用数值模拟方法,建立了冻结孔有无偏斜情况下的数值计算模型,同时结合实际测温孔量测数据,重点分析了冻结造孔偏斜对白垩系地层冻结壁形成规律的影响。     

卸载状态下与周围土体共同作用的冻结壁力模型

基于冻结壁处于卸载状态这一客观事实,提出“卸载状态下冻结壁－周围土体共同作用”的冻结壁力模型。卸载状态用解除应力的等儿应力替代岩土原始应力来表达。在此基础上,导出了周围土体和冻结壁弹塑性区应力、应变状态的解析表达式,并得到冻结壁外载的计算公式和确定塑性区大小的方程。该模型从本质上反映了冻结壁的卸载状态及其对周围土体的共同作用。     

白垩系地层条件下冻结壁内部冻胀应力变化规律研究

复杂地质条件下建设井筒首选冻结法,西部地区煤炭资源丰富,但多数煤炭资源埋藏在白垩系含水地层下。如果开采该地质条件下的煤炭资源,井筒必须穿过白垩系含水地层。此时,冻结凿井法是最佳选择。由于先前在白垩系地层条件下应用冻结凿井法建井的实例并不多见,针对白垩系地层条件下的冻结壁内部冻胀应力的变化规律进行研究具有工程意义。通过对穿过白垩系地层的陕西某矿井筒建设过程中冻结壁的内部冻胀应力进行实测,分析了冻结壁内部冻胀应力的变化规律,为其他类似工程提供一定的借鉴。     

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.     

冻结壁解冻过程中斜井受力模型试验设计

以陕北地区某矿主井冻结工程为参照原型,将相似理论和模型试验的研究方法应用于饱和砂层冻结壁解冻过程,进而探求解冻过程中的井筒致灾因素,为饱和砂层冻结施工和解冻阶段施工工艺改进提供试验依据。     

渗流地层人工冻结温度场和渗流场之数值研究

提出了地层冻结过程的渗流场和温度场的耦合机理和渗透系数的耦合作用，建立了冻土和融土统一的微分方程数学模型，对冻、融土的热参数渗流系数进行了光滑的曲线回归，解决了非线性耦合有限元数值计算难题，实现了渗流地层人工冻结过程的数值仿真技术，数字可视化地研究了在渗流作用下的井筒冻结温度场和渗流场分布和发展规律.     

大水流地层条件下井筒冻结壁动态监控理论和技术

系统概述了大水流地层条件下井筒冻结壁动态监控4方面的全新理论研究,开发了水渗流地层温度场纵向监测和控制技术,理论分析和技术相结合能及时检测异常,避免事故,提高功效.通过工程实例,展示了监控新理论和技术在解决实际问题的成功效果.     

直线排管冻结冻土帷幕平均温度通用公式

考虑到“成冰”公式过于保守以及平均温度理论解的计算公式较为复杂的特点,根据排管布置下冻土帷幕温度场平均温度等效截面法解的形式,利用数值拟合的方法得到了适用于单排、双排以及3排布管形式下冻土帷幕平均温度通用经验公式。在实际工程中常见的冻结管平面布置参数变化范围内,对该通用公式计算结果相对于依据解析解数值积分计算结果的误差进行的全面的分析。结果表明,该通用公式计算结果与精确解的绝对误差能够控制在±1 ℃以内,相比于“成冰”公式得到了明显的改善。同时,简便统一的计算形式更便于工程实际应用。     

疏水沉降下井壁次生地压及附加力分布规律

根据表土沉降过程中立井井壁的受力变形特点,将立井井壁的变形区域划分为塑性变形区和上、下弹性变形区,并针对3个变形区利用轴对称原理、弹性薄板理论和静不定问题的方法进行了力学上的计算分析,获得了每个区域的次生地压和井壁附加力的解析式及分布规律,计算结果与实际观测结果基本吻合。     

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。     

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。     

管内盐水流动状态对单管冻结温度场影响规律分析

为获得冻结工程中冻结管内盐水流动状态对温度场的影响规律,分析了冻结管内盐水流动特点与流动状态;基于相似理论,导出了考虑管内盐水流动时单管冻结温度场无量纲数学模型及相应的准则表达式,将众多影响因素简化为5个无量纲准则,大大降低了研究的难度;利用综合数值计算与模拟试验,研究并获得了无量纲盐水温度Ty、雷诺准则Re、傅里叶准则Fo、普朗特准则Pr和格拉晓夫准则Gr对温度场的影响规律,分析获得了冻结壁形成厚度b和冻结管热流密度q与以上5个准则的对应关系;得出管内盐水的流动状态变化对冻结壁的厚度b及热流密度q的影响范围可达30%以上。根据不同冻结阶段温度场的发展特点,提出冻结工程中雷诺准则数Re的推荐值。     

冻结器内测温判定冻结壁厚度的研究

根据在冻结法凿井工程中冻结器纵向测温的经验摸索,建立了停冻后的单孔冻土柱升温的数学计算模型,借助现代数学工具Maple6软件,将公式数字化和图形化,从而揭示了在瞬时升温过程中单孔冻土柱温度分布与时间、冻土柱半径之间的关系,为冻结器内测温、监控冻结井筒温度场提供一种理论依据,并给出了一个应用实例．     

单排管冻结巴霍尔金温度场控制参数敏感度分析

施工中常采用巴霍尔金公式根据现场实测的测温点温度数据,结合冻结孔布置方案来反算冻土帷幕厚度。为了使反算结果更加准确,针对巴霍尔金公式中的测温点位置、测温点温度及冻结管外表面温度3个参数对冻土帷幕厚度反算值影响的敏感度进行分析。结果表明：3个参数对冻土帷幕厚度的测算均有较大影响;测温点位置布置在冻土帷幕边界附近时能得到比较准确的计算结果;测温点温度的测量误差越大计算结果的误差也越大;冻结管外表面温度产生较大波动也会导致计算结果产生较大波动。