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。     

不同地区冻结岩土物理力学性能试验及冻结方案选择

进行了华东、西北地区冻结岩土物理力学性能试验,对比了相互之间的差异。得出白垩系、侏罗系地层岩石导热系数大、比热小、冻胀率小等物理性能。岩石自身强度高,在低温条件下,随养护温度降低,强度进一步提高,但主要体现在-5~-10℃区间,-10℃条件下强度可达10MPa以上,极限破坏应变介于1%~3%之间等力学指标。探讨了华东地区深厚冲积层冻结方案,此经验基础上,提出在白垩系、侏罗系地层冻结方案设计时以考虑防水为主,考虑掘进时爆破对冻结管的影响,应适当加大冻结管圈径,但采用单圈管冻结即可满足工程要求。试验结果为西北地区冻结方案设计提供参考。     

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。     

鄂尔多斯深部富水砂岩冻结强度的试验研究

研究冻结条件下深部岩石的力学特征,对西部超深立井冻结壁厚度以及掘进段高的设计具有重要意义。本文以鄂尔多斯某立井冻结工程为背景,以深部富水地层中典型的中砂岩为研究对象,基于细观放大图像分析了岩石的粒径和孔洞分布特征。在-5℃、-10℃、-15℃条件下对冻结中砂岩进行了三轴压缩试验,并在26℃、-10℃和-20℃条件下进行了巴西劈裂试验。试验结果表明:冻结中砂岩的抗压强度随着温度的降低而线性增加,增加幅度最大为27.29%,但随着围压的增加,温度的影响有所减弱;冻结中砂岩内摩擦角φ和黏聚力c也随温度降低而增加,最大增加幅度分别为12.54%和18.69%;温度从26℃降至-10℃,中砂岩抗拉强度从0.73MPa增至1.59MPa,增加118.18%,但当温度继续降低,抗拉强度变化较小。中砂岩强度在冻结后随着温度的降低而增加,但增加幅度有限,此类地层中冻结壁厚度设计以满足封水效果为主,立井中心温度不必过低。     

富水冲积层斜井冻结施工方案及优化设计

为确保袁大滩煤矿副斜井顺利穿过富水细砂冲积层,分析研究了冻结施工初始方案,对冻结壁的地层压力和厚度做了计算,分析了冻结壁平均温度取值,结合现场面临的实际施工问题,提出冻结施工方案优化设计:斜井冻结壁顶板、两帮和底板的最大厚度分别取6.0、3.4和4.0 m,冻结壁设计平均温度取-10℃,斜井冻结段斜长由611.055 ...     

基于弹性基础梁理论的冻结壁和冻结管变形与受力分析

冻结段掘砌过程中,冻结管的变形受力位移取决于冻结壁的变形,而施工段附近,冻结壁的变形受力不符合通常按平面问题处理的厚壁筒理论要求。提出了分析施工段附近冻结壁的弹性基础梁力学模型,分析推导出基于弹性基础梁的冻结壁变形位移计算表达式,并通过实例计算与实测结果分析对比,较全面地考虑了冻结壁及中部未冻土的力学性质、冻结壁的几何尺寸、掘砌施工段高、无支承段高、泡沫塑料可缩层、混凝土井壁的支承作用等因素,较好地反映了施工段附近冻结壁的受力和变形情况,并把冻结壁变形和冻结管的弯曲联系起来,为研究冻结管的变形和破坏提出新的计算方法和途径。     

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.     

富水软弱层联络通道冻结温度场研究

以某富水软弱地层地铁联络通道冻结工程为研究背景,采用室内三维模型试验、ANSYS有限元数值分析及解析求解相结合的方法,研究了联络通道冻结工程中的土体温度场演化规律。室内三维模型试验研究结果表明,冻结试验开始后12 h达到预设温度-25℃,19 h后土体冻结帷幕形成,可得现场的积极冻结时间为50 d,维护冻结时间为29 d;土体冻结过程中,温度变化大致分两个阶段,第一阶段土体温度呈线性快速下降至0℃,第二阶段土体相变放热后,温度继续下降,最低温度为-15.2℃～-16.8℃,整个过程土体降温速度呈现先快后慢态势;在冻土融化阶段,土体温度随时间逐渐升高至室温,整个融化过程所需时间为冻结时间的3～4倍。有限元数值分析结果表明,在联络通道开挖后,冻结管圈内冻结壁平均温度有显著升高,而冻结管圈外冻结壁温度受影响较小。推导得到了双管冻结温度场解析解。     

冻结井筒开挖冻结壁变形的数值模拟与分析

针对山东郭屯煤矿主井冻结深度702m,考虑地层分布特征,按轴对称模型进行计算分析.模型分为已开挖支护段、模拟开挖段、底部为下卧层三段.模拟计算开挖支护段高为2m,针对515m深度的粘土层、587m深度的粗砂层的控制地层,分别进行开挖过程中冻结壁变形的数值模拟.计算结果显示,开挖过程中冻结壁径向应力减小,冻结壁外缘达地压值;塑性应变随开挖过程发生,工作面与井帮交界处产生了径向塑性压应变;井心区径向蠕变压应变显著.     

李家坝煤矿主斜井局部冻结施工

李家坝煤矿主斜井倾角20°,斜长1 440m,采用局部冻结方案施工,冻结起始位置距井口水平距离为250.41m,冻结斜长163.2m,冻结段水平长度153.4m,共分4段冻结。沿井筒长度方向布置了6排冻结孔,共455个,冻结孔施工质量均达到设计要求。冻结管采取了局部保温措施,减少了无效冻结段冷量损失,节约了冷量。冻结过程中,根据测温数据,对冻土扩展速度、冻结壁厚度及冻结壁平均温度等进行了分析计算,均满足设计要求。井筒开挖后,对井帮温度进行了实测。从开挖揭露的情况看,冻结效果良好,验证了冻结分析数据的准确性,保证了井筒冻结和掘砌施工安全。     

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。     

冻结管断裂应力分析及断裂位置的确定

煤矿立井冻结法施工中, 冻结管断裂一直是一个未能得到很好解决的国际性课题, 主要原因是冻结管的力学模型设计不合理, 进而导致应力计算结果错误。通过冻结管在工作过程中受力因素的分析及变形特征的研究建立一个较为准确的力学模型,找出正确的应力分布规律, 确定符合现场的冻结管断裂位置, 提出切实可行的防止冻结管断裂的有效措施。首次考虑了因冻结管的冷缩及冻土的冷胀所产生的冻土对冻结管的负向摩擦力的作用, 并依据负向摩擦力的分布规律及材料力学中的温度应力理论求解出了对确定冻结管断裂应力分布规律具有重要作用的“中性层” 位置。通过国内外大量冻结管断管实例, 证明了本理论的正确性。     

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。     

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。     

环形双圈管冻结稳态温度场广义解析解

对于环形布管冻结稳态温度场的解,目前仅有单圈管冻结条件下的解析解,对于双圈管冻结尚无解答。首先建立环形双圈管冻结稳态温度场的模型。然后,应用保角变换将广义环形双圈管(冻结圈内部未冻实)模型变换为直线型排布的模型,依据调和方程边界可分离性,将直线型排布模型分解为2个特殊单排管冻结问题,从而得到广义环形双圈管的温度场解析解。最后,应用ANSYS进行了热力学数值模拟计算和物理模型实验结果以验证解析解。结果表明:在冻土帷幕充分交圈后,数值模拟结果和解析解结果基本一致,与实测温度的吻合度也很高。     

冷冻取芯过程含瓦斯煤样温度场演化规律模拟研究

冷冻取芯技术是一种能显著提高井下煤层瓦斯含量测定精度的取样技术,煤芯温度的高低直接影响着取芯过程瓦斯损失量的大小。为了研究冷冻取芯过程煤芯温度场的演化规律,依托自主研发的含瓦斯煤冷冻响应特性模拟平台,开展了不同管壁温度条件下的冷冻取芯煤芯降温物理模拟试验;并通过建立含瓦斯煤芯气固耦合传热模型,借助COMSOL数值模拟软件对现场取样过程中的煤芯温度场时空分布进行了预测。结果表明:常规取芯时,煤芯内部轴向温度Th随着轴向高度h及时间t的增加而升高,可采用Poly2D函数拟合;径向温度Td也随径向距离d,t呈Poly2D函数升高;当取芯管外壁温度为90~150℃,取芯时长30 min时的煤芯中心温度分别高达46.3~62.0℃,取芯时长60 min时,煤芯中心温度接近管壁的温度。冷冻取芯时,取芯管内的制冷剂能有效隔绝外壁的切削摩擦热量,并使煤芯迅速降温,前60 min内为快速降温阶段,随后降温速度减慢;煤芯内部沿轴向温度基本没有变化,而径向上存在明显的温度梯度,径向温度Td随径向距离d,t的增加呈负指数下降。当冷源强度一定时,随着取芯管外壁温度降低,煤芯所能达到的极限低温就越低,降温速度也越快;管壁温度分别为90,110,130和150℃时,取芯时长30 min时煤芯中心温度降至-27.30,-13.20,2.05和16.80℃,取芯60 min时煤芯内部各点基本降至同一低温,煤芯导热系数随环境温度降低呈线性减小。     

适于弱胶结软岩的新型冻结孔封孔材料性能及微结构研究

我国西部地区的弱胶结软岩,岩石强度低,遇水泥化,当采用全深冻结时,冻结壁解冻后时常出现下部冻结管串水,导致工作面涌水和淹井的安全事故。针对这些问题,本文研究适于这种地层的新型冻结孔封孔材料的工作性、强度以及受冻后的抗渗性,并从受冻后的材料的孔结构和SEM形貌来探讨其机理。结果表明：新型冻结孔封孔材料具有很好的流动性,且流动度损失小,浆体的保水性好,无泌水;其3,28 d的抗折、抗压强度都明显高于普通水泥浆,且经受-30 ℃的低温受冻28 d后的强度损失小;新型冻结孔封孔材料受冻后,开始出现渗水的水压以及渗水范围扩大时的水压要比普通水泥浆封孔材料提高1~2 MPa。微观试验表明：新型封孔材料与普通水泥浆封孔材料相比,总孔隙面积降低、中值孔径减小、孔隙率降低,容重和表观密度增加,混凝土结构密实。     

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。     

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。     

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。