白垩系地层冻结温度场实测与数值模拟分析

为了深入研究白垩系地层的冻结规律,现场实测并数值模拟了扎赉诺尔矿区灵东煤矿风井的冻结温度场,分析了其-260 m层位细砂岩的冻结壁温度场发展特性,给出了冻结壁发展速度等关键技术参数,并用数值模拟验证了现场实测规律。对该地区后续矿井的冻结设计、方案优化以及冻结施工具有指导意义。     

西部某矿风井冻结温度场实测与模拟分析

为了深入研究第四系地层的冻结发展规律,现场实测了西部某矿风井的冻结温度变化,结合-650 m层位砾岩热物理参数,采用ANSYS数值模拟软件分析冻结壁温度场发展规律,得到了冻结壁发展速率等关键技术参数,验证了实测规律。并预测分析了冻结壁厚度、冻结壁平均温度、井帮平均温度、交圈时间等设计参数。此研究对该地区矿井的冻结设计、方案优化和冻结施工具有指导意义。     

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。     

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。     

富水砂层斜井冻结壁温度场分布规律研究

为了研究富水砂层斜井冻结壁温度场分布规律,以袁大滩煤矿主斜井为研究背景,从理论分析、现场实测和数值模拟三方面研究了富水砂层斜井冻结壁温度场分布规律。给出了单根冻结管条件下斜井冻结壁温度场分布数学模型,并根据场的叠加原理给出了多根冻结管下斜井冻结壁温度场分布数学模型|斜井冻结壁现场实测结果表明：距离冻结管越近,冻结壁降温速度越快,冻结锋面发展速度也越快,且埋深对冻结壁温度场的发展有一定影响,但影响较弱|对比斜井冻结壁温度场数值模拟结果和现场实测结果可知,冻结过程中斜井冻结壁温度变化趋势基本一致,各测点温度差值小于2℃,说明文章提出的斜井冻结壁温度场数值模拟分析是可靠有效的,能较好地反映冻结冻结壁随冻结时间发展的一般规律。     

白家海子矿立井井筒冻结施工技术

针对井筒和装载溜槽室冻结施工的特点,计算了冻结壁厚度,选用主孔一次冻全深加防片帮孔及加强孔的冻结方案,对冻结过程进行监控。结果表明,自冻结站运转期间,冻结壁温度场能够迅速形成和发展,冻结壁顺利交圈。     

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。     

石拉乌素副井基岩冻结壁解冻规律与注浆时机研究

以石拉乌素副井为工程实例,基于数值计算方法,研究了基岩冻结解冻温度场的分布规律,讨论了壁后注浆时机的确定方法,提出了双层复合井壁壁后注浆控制方法。注浆实践表明:在基岩冻结双层复合井壁凿井期,充分考虑内壁现浇混凝土水化热与冻结壁解冻温度场的相互作用,优化冻结停机时间,在冻结壁局部解冻条件下进行壁后注浆,可达到节省冷量、封堵内壁温度裂纹的目的,现场壁后注浆效果良好。     

地铁隧道半覆盖式冻结温度场特性研究

半覆盖式冻结加固方法主要用于软-硬交界地层的承载加固和地层封水。为提高工程效率和节约冷量,需对冻结法冻结过程中的温度场分布特性和发展规律进行深入研究。通过数值计算方法,构建了广州地铁8号线隧道三维数值计算模型,并对其冻结过程中的各位置平均温度、冻结壁厚度发展规律以及冻结孔布置优化方案进行了研究。结果表明:半覆盖式冻结与传统冻结存在明显差异,不同位置的冻结孔间相互作用强弱差别明显;受工作井散热影响,浅部区域冻结壁平均温度达标时间相较深部区域推迟16～27 d;冻结末期,冻结壁内外侧厚度比约为0.82～0.92。基于上述结论,提出了加密侧向冻结孔、增设浅部辅助冻结孔和调整冻结管轴面的优化设计方案。     

深井冻结壁位移实测研究

以我国目前冲积层最厚和冻结最深的陈四楼主，副井冻结壁收敛位移实测结果为例，分析了深井冻结壁径向位移与井帮暴露时间的变化规律和不同土层冻结壁收敛位移变化特征，提出了深井冻结壁径向位移控制范围和方法，并将冻结壁收敛位移实测结果与冻结壁温度场实测结果有机结合起来，进一步批提高冻结壁有效厚度和有效强度是控制冻结壁位移和防止冻结管断裂的重要措施。     

富水砂卵石地层冻结壁缺口致因及弥合技术研究

针对里必矿副井冻结中冻结壁无法按时交圈的问题,综合测温数据及矿区水文地质情况,判断出冻结壁在砂卵石层冻结孔处的"缺口"位置,并对砂卵石层冻结温度场的演化规律进行了数值计算。通过对比冻结壁轮廓和测温孔数据,判断出该层位地下水流速达9m/d,原方案的冻结壁交圈时间远超预计工期。基于降低地下水流速、减少冷量损失、加强局部冻结的技术原理,提出了"控""注""冻"相结合的冻结壁弥合技术;依据冻结壁发展情况,并考虑地下水流速、流向的影响,确定了注浆孔、加强冻结孔的位置和数量,通过数值计算对冻结壁缺口的弥合过程进行了预测。工程实施结果表明:里必矿副井在完成冻结壁弥合施工21d(预测17d)后,水文孔开始冒水,冻结壁温度场发育恢复正常,确保了井筒施工安全顺利完成。     

两种斜井冻结方式的温度场模型实验研究

受高精度小倾角斜井冻结孔钻机缺乏的限制,斜井冻结施工多采用竖直孔冻结方案,造成能源的极大浪费。通过建立大型三维冻结模型试验台,研究了采用竖直孔和倾斜孔两种冻结方式下斜井冻结壁的温度场分布规律,对比分析了不同施工阶段的冻结壁扩展和解冻差异。研究结果表明,在积极冻结期,竖直孔冻结方案中冻结壁较快达到设计要求,整个冻结范围内温度分布均匀、冻结范围更大;在维护冻结期,竖直孔冻结方案中冻结壁顶板和底板的解冻厚度在100mm左右,而倾斜孔冻结壁解冻范围比较稳定,受开挖影响小。轴向冻结冻结壁顶板平均温度均能维持在-6～-5℃,而且在连续开挖后,依然能够保持长期稳定。而竖直孔冻结时,顶、底板平均温度为-4～-2℃,侧帮平均温度为-5～-4℃。     

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.     

多圈管冻结下冻结壁温度场融化特性的实测研究

对淮南矿业集团某矿井筒冻结壁温度场发展与融化过程进行了监测,根据实测数据,分析研究了冻结壁融化过程,得出了不同土质条件下冻结壁融化时间和融化速率,并基于对数函数拟合出了冻结壁温度场变化与时间的关系.     

纵向测温监控关联分析在高压“喷泉”地层立井冻结工程中的应用

介绍高家堡煤矿井筒高水压含水层地层特点。针对主井地下水流速大、水头高,含水层间存在串水隐患等施工风险,制定了冻结孔注浆封水、井筒内外密集插花布置冻结孔的施工方案。靠测温孔观测和全场冻结器纵向测温,全方位监控主井"喷泉"地层冻结壁发展状况。运用关联分析技术,对冻结壁温度场进行定量分析,全面评估冻结壁异常和安全情况,提高了井筒施工的安全可靠性。     

人工冻结法在地铁隧道施工中的应用与发展

冻结法是地下工程施工中常用的辅助工法。通过对冻结法的基本原理和工艺的介绍，分析了冻土温度场的发展，以及温度场与冻结壁发展的关系。阐述了人工冻结法在地铁隧道施工中的应用现状与发展趋势。     

直墙式多排管冻结壁温度场和平均温度计算

将稳定温度场下单个冻结器产生的温度效应等效为无限介质平面中一个点冷源产生的温度效应,利用无限介质中点冷源产生温度效应的基本解,经线性叠加,可得到求解复杂布管稳定状态下冻结壁温度场的一般解法,给出了直墙冻结壁温度场有关基本算式,通过一个冻结壁的测温资料验证了基于上述计算方法的所得计算结果的精确性。在此基础上,研究了一排、二排、三排冻结管直墙式冻结壁的温度场、工程开挖面温度、全厚和承载厚度冻结壁的平均温度等冻结壁设计基本参数的推演,给出了便于计算的显式计算式,算例表明所得计算式用于冻结壁设计简便易行。     

宁正煤田白垩系岩层冻结温度场实测与数值分析

宁正煤田煤层上覆巨厚白垩系富水岩层,井筒多采用冻结法施工。由于对该岩层冻结温度场扩展特性以及冻结壁受水化热影响范围等缺乏研究,导致冻结设计不合理、冻结壁交圈时间预判不准确等问题。针对上述问题,以宁正煤田新庄煤矿风井为背景,通过现场实测和数值模拟,对该矿井白垩系砂岩地层冻结温度场扩展特性、外井壁混凝土水化热对冻结壁的影响开展了研究。实测结果表明:砂岩地层冻结初期温度快速下降,平均降温速率达0.23℃/d,冻结锋面的发展速率达21.08 mm/d;混凝土水化热对冻结壁温度场的影响大,冻结壁的融化深度范围为440~480mm,距离外井壁50 mm的3#测点温度升高了33.6℃,平均升温速率达到了2.6℃/d。通过对数值模拟与实测结果比较发现:砂岩地层冻结壁扩展速度、井帮温度等参数值基本一致,能很好地预测冻结壁温度场变化规律。     

斜井冻结壁温度场分布规律研究

基于含水流砂地层竖向直排冻结条件下冻结壁的形成和发展过程,将温度场时空分布情况进行了合理简化,根据单孔稳态导热方程和叠加原理,推导了竖向直排三管冻结壁温度分布计算公式,并推广到直排和多排冻结壁温度场分布计算,可计算不同冻结锋面位置时冻结壁内任意区域的温度值和整个冻结壁的平均温度,进而分析冻结壁的温度和强度变化情况。计算结果表明:主面温度值与冻结管中心的距离呈近似线性关系,而轴面温度场呈下凹形抛物线分布,顶点为轴面与主面交汇处;由计算结果可判断内部界面位置的土体强度较弱且发展较慢,应作为预防冻结壁软弱破坏的重点区域;理论计算结果与对应位置的现场实测数据吻合较好。     

冻结凿井技术在西部深厚富水软岩地层中的应用

结合内蒙古葫芦素煤矿水文地质特点,提出副井施工采用差异冻结加防片帮孔辅助冻结方案。结果表明:自冻结站运转,冻结壁温度场迅速形成和发展,冻结30 d后,水文孔全部冒水,冻结壁顺利交圈。井筒在掘砌过程中未出现任何相关安全事故,顺利掘砌到底,可为西部地区深厚富水软岩冻结井筒的设计和施工提供参考。