人工多圈管冻结模型试验研究

通过对室内人工多圈管冻结模型试验的研究,得出了三圈管冻结壁交圈时间约为58 d,并获得了冻结壁温度场形成与发展的规律.在冻结初期,受冻结管冷量影响,径向土体温度差别较大;而在冻结后期,径向土体温度呈良好二次抛物线分布.根据冻结壁应力场的分布规律,得出:实际冻结压力可达3～4 MPa,冻结应力主要积聚于内圈管与中圈管之间.     

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。     

双腔冻结管温度场的试验与数值分析

基于控制冻结管径向冷能传播,提出了一种新型冻结器结构——双腔冻结器.采用模型试验和数值模拟,得到了新型冻结器的温度场时空分布特征,分析了新型冻结器的适用性.结果表明:在新型冻结管1.5圈径区域内,其温度场云图呈马蹄形,液氮腔侧较空气腔侧的温度变化剧烈,新型冻结器有效地改变了冷量的传递,具有明显的控制冻结效果;在新型冻结器1.5圈径区域外,其温度场云图近似呈圆形,新型冻结器在较大空间范围内控制作用不明显.最后,研究指出了新型冻结器——双腔冻结器在短时间内的控制冻结作用,可应用于市政抢险工程中.     

大南湖煤矿副斜井冻结温度场分析

以大南湖煤矿副斜井冻结施工为工程背景,建立多排管斜井冻结模型,运用ANSYS软件对双排、三排的冻结管温度场进行数值模拟。研究结果表明:采用三排管冻结,最外排管先交圈;交圈时间比双排管要早,冻结降温效率比双排管高;在不考虑其他因素的情况下可以较快地进入开工期,使煤矿尽快投产。     

深厚冲积层多圈孔冻结壁温度场发展研究

冻结壁温度场发展是人工冻结法施工在井筒建设过程中最重要的组成部分,对井筒开挖和安全施工有重要的影响。因在地下进行大面积、长时间冻结,土体会发生复杂变化,无法进行相似模拟实验,数值模拟软件成为最直接的辅助工具。本文通过合理的多圈孔布孔方式,考虑钻孔偏斜、冻结过程中水的相变潜热、不同温度下导热系数及热容等影响因素,结合实测数据,运用数值模拟软件COMSOL Multiphysics 建立多物理场耦合对温度场发展进行研究。以某矿西风井深厚冲积层为研究对象,针对91 d冻结壁温度场发展进行模拟。模拟交圈时间为44 d,冻结壁平均发展速度为25.36 mm/d,与实测交圈时间50 d、冻结壁平均发展速度22.72 mm/d相比有微小的误差,模拟结果与实际情况符合程度良好,并推论出以最外圈为主冻结孔对冻结壁发展速度的影响及利弊。综合前人模拟结果,此模拟方法更具有理论意义及工程指导价值。     

粉质粘土层冻结温度场-声场耦合数值模拟及实测研究

为了研究不同冻结阶段超声波声学信号的响应特征,采用COMSOL软件固体传热和压力声学模块,提出了热-声单向耦合数值模拟方法。获得了不同冻结阶段两冻结孔之间的温度场演化特征及超声波声学参数变化规律。结果表明:与冻结90d相比,冻结25d、40d、42d的声压分别衰减51. 83%、51. 48%、10. 29%;冻结壁交圈峰值声压比未交圈峰值声压增大了45. 91%;随着冻结时间增长(25d、40d、42d、90d),超声波平均声速分别为2088m/s、2379m/s、2670m/s、2885m/s。根据现场检测结果可知,该耦合方法模拟值与实测值误差在5%以内,可作为预测不同冻结阶段冻结壁超声波声学参数的有效手段。     

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。     

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.     

深井三圈管局部保温冻结温度场研究

深井多圈管冻结消耗大量冷量,为了节约运行费用,可采用局部保温技术.针对已有三圈管冻结设计方案,采用数值计算方法,首次研究了外圈管采用不同的局部保温方案时冻结温度场的发展规律,按照冻结管布置方式将温度场划分为4个环形条带区,获得了各环形条带温度场受外圈管保温的影响规律,所得结果具有广泛的应用性.为深井冻结时是否采用保温以及采用何种保温方案提供了理论依据,具有重大的工程应用价值.     

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。     

复杂应力路径人工冻土三轴剪切试验及本构模型

构建人工冻土BP神经网络本构模型,利用冻土三轴实验数据对神经网络模型进行训练,并2次开发有限元本构程序。用BP神经网络本构模型能很好的反映人工冻土非线性,人工冻土三轴数值模拟值和实验值误差在2.43%范围内。通过深井冻结工程数值模拟表明:人工冻土BP神经网络本构模型能较好的描述复杂应力路径变形特征,数值结果和现场实测规律一致,且和实测位移误差在5.0%;应用BP神经网络冻土本构模型准确预测预报人工冻土帷幕应力场和变形场,为冻结工程设计与施工提供参考。     

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。     

季冻区路基水热耦合数值分析

基于非饱和土力学和热力学理论,对季冻区路基土水分迁移的非稳定渗流的水热耦合模型进行研究,针对土体冻融期水热耦合迁移的特性,建立路基土水分迁移的水热耦合模型,进行数值模拟计算,并与单场计算所得进行比较,通过现场试验验证的水热耦合有限元模型的正确性,分析路基土水分迁移特征。     

桃形腔液力偶合器两相环流特性数值模拟

为了对某型桃形腔液力偶合器不同充液率下流场两相环流特性及转矩特性进行分析,建立了液力偶合器泵轮和涡轮的内流场模型,应用计算流体动力学软件CFX进行了液力偶合器部分充液工况内流场数值模拟研究。结果表明:通过流场数值模拟可以准确得到液力偶合器内流道的流动状态,可对液力偶合器的转矩传递性能进行预测,仿真结果为调速型液力偶合器的选型与设计提供一定的理论依据。     

深厚表土层非均质冻结壁黏弹性分析

建立了符合深厚表土层多圈管冻结凿井的非均质冻结壁力学模型。基于黏弹性理论和Newton-Cotes数值积分法,推导了非均质冻结壁应力场和位移半解析表达式,并对非均质和均质冻结壁进行验算。结果表明,非均质和均质冻结壁径向应力分布规律基本一致,径向应力绝对值由内到外非线性增加;均质冻结壁环向应力绝对值由内到外非线性减小,非均质冻结壁环向应力在内外圈冻结管圈径处会形成明显突变点;非均质和均质冻结壁径向位移由内到外均非线性衰减;井帮径向蠕变位移速率随时间增加呈先快后慢趋势,并逐渐趋于稳定;同一时刻相同位置处,非均质冻结壁径向蠕变位移比均质冻结壁大。     

冻结粉质黏土强度同温度和含水率的关系

通过对不同温度、不同含水率下的人工冻结粉质黏土单轴无侧限抗压强度试验,得出其抗压强度随冻结温度和含水率的变化规律,试验结果对冻土工程的设计和施工具有一定的参考价值。     

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。     

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。     

陕北风沙滩地区采煤塌陷裂缝对包气带水分运移的影响:模型建立

陕北风沙滩地区高强度采煤对包气带水分运移产生影响。在区域调查的基础上,以榆树湾煤矿20108工作面开切眼附近裂缝为野外原位监测点,采用野外原位监测与室内数值模拟相结合的方法,建立采煤塌陷裂缝对包气带水分运移影响的水热耦合数学模型。利用野外原位监测数据对所建立的模型进行识别和验证,表明模型计算值与野外监测数据之间拟合较好,从而获取了相关的水热参数。利用此模型可定量回答裂缝对土壤水分运移的影响程度,揭示裂缝对土壤水分运移的影响机理,为陕北风沙滩地区保水采煤和生态恢复提供参考。