多圈管冻结下冻结壁温度场融化特性的实测研究

★煤炭科技·开拓与开采 ★———兖州煤业股份有限公司协办 多圈管冻结下冻结壁温度场融化特性的实测研究 3 陈军浩 　汪仁和 (安徽理工大学土木建筑学院 , 安徽省淮南市 , 232001) 　　摘 　要 　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。 关键词 　冻结法凿井 　冻结壁 　温度场 　融化 　测定 中图分类号 　TD26513 　　文献标识码 　A 　　3 获国家自然科学基金 (青年基金 NO150804002) 和 高等学校博士学科点专项科研基金 ( NO1200803610004) 资助 A research on frozen wall temperature f ield tha wing characters under multi - coil tube freezing Chen J unhao , Wang Renhe (School of Civil Engineering and Architecture , Anhui University of Science and Technology , Huainan , Anhui Province 232001 , China) 　　Abstract 　The f rozen mine shaf t wall temperat ure field changes and t hawing process are mo2 nitored for a certain mine affiliated to Huainan Coal Mining Group . The f rozen shaf t wall t hawing process is analyzed and studied based upon t he data obtained on - site. On t he basis of t hese , f ro2 zen shaf t wall t hawing time and t hawing rate are p roduced for scenarios under different soil condi2 tions. Also on the basis of logarit hmic f unction , t he relations between t he f rozen shaf t wall tem2 perat ure field changes and time are created. Key words 　f reezing sinking met hod , f rozen shaf t wall , temperat ure field , t hawing , deter2 mination 　　目前 , 华东地区新建矿井多数需要穿越深厚表土 地层 , 为适应工期及矿井深度要求 , 普遍采用多圈管 冻结法凿井。但冻结壁融化过程中出现井壁出水问 题 , 严重时将影响矿井的安全 , 目前采取的措施多通 过注浆解决 , 而选择注浆时间多靠经验 , 缺乏相应的 理论指导。为掌握冻结壁的形成与融化全过程温度场 的发展状况 , 专家学者们展开了大量的科学研究工 作 , 但目前研究普遍停留在单圈管冻结过程与融化阶 段的温度场分析 , 对多圈管冻结壁融化阶段的研究尚 处于起步阶段。本文针对冻结站停机之后冻结壁温度 场的回冻特性进行研究 , 获得不同土质条件下冻结壁 的融化速率 , 并拟合出温度发展变化函数。 1 　工程概况 淮南矿业集团某矿井井筒净直径 816 m , 深度 85216 m , 表土厚 29319 m , 井筒穿越土层性质主要为粘土、砂质粘土和砂。设计冻结壁厚度 614m , 冻结深度 345 m , 采用两圈管 + 辅助孔差异冻结 , 同时布置 4 个测温孔 ( C1 ～C4 ) , 冻结 223 d后停机。冻结井筒断面及冻结孔布置见图 1。 图 1 　井筒冻结平面布置图 84 中国煤炭第 35 卷第 12 期 2009 年 12 月 　　冻结孔相关参数如下 : 井筒净直径为 816 m ; 掘进直径 1112 m ; 外 圈孔孔数 54 个 , 孔深 345 m , 圈径 2016 m ; 内圈 孔孔数 24 个 , 孔深 306m , 圈径 1517m ; 辅助孔孔 数 12 个 , 孔深 306m , 圈径 1411m。 测点选择在两圈管之间的 C3 测温孔 , 在不同 的深度安放 10 个温度传感元件 , 监测土体冻结与 融化全过程温度 , 监测层位及土性见表 1。 表 1 　监测层位及土性一览 层位/ m 土性 - 58 - 80 - 100 - 130 - 155 - 180 - 205 - 225 - 245 - 265 粉砂 中砂 粗砂 粘土 粘土 细砂 中砂 粘土 中砂 粘土 2 　监测数据及分析 211 　冻结站停机后各土层温度实测数据对比 为直观反应各土层的融化速率快慢 , 分别选择在停机 184 天、245 天后不同深度土层当前温度进行比较 , 如图 2 所示。由图可以看出 : 砂土的融化速度明显快于粘土 , 各类地层冻结壁的融化先后顺序为中砂、粉细砂、粘土。如停机 184 d 后 ,- 205 m处的中砂温度已回升至 - 117 ℃, 而 - 225m 处的粘土层仅为 - 417 ℃; 停机 245 d 后 ,- 205 m处的中砂温度已回升至 - 110 ℃, 而 - 225m 处的粘土层仅为 - 219 ℃。212 　冻结壁融化温度测试与拟合通过将现场实测数据还原 , 绘制出不同土层冻结壁温度场随时间发展变化实测曲线 (见图 3) ,可以看出 , 各土层温度回升规律大多相同 , 都先后经历两个阶段 :(1) 快速回升阶段。冷冻站停机至之后的 50 d左右。该阶段各土层温度快速回升 , 但回升速率逐渐衰减 , 其中砂土回升速率要大于粘土。(2) 平稳回升阶段。停机 50 d 之后至土层融化。该阶段各土层温度平稳回升 , 速率较平缓 , 砂土与粘土二者温度回升速率相当。 图 2 　各土层停机后不同时间温度实测数据对比 表 2 　函数拟合相关性表 层位/ m 岩性 R2 - 58 - 80 - 100 - 130 - 155 - 180 - 205 - 225 - 245 - 265 粉砂 中砂 粗砂 粘土 粘土 细砂 中砂 粘土 中砂 粘土 0199459 0199778 0199944 0199444 0199775 0199546 0199490 0199926 0198843 0199871 对实测数据的分析 , 停机之后的温度变化情况可以用函数 y = a + b ×ln ( x - c) 来拟合实现 , 并且结果与实测值相符。除了 - 245 m 处中砂层拟合曲线与实测曲线相关性系数 R2 = 019884 外 , 其余层位的土层系数均大于 01994 , 拟合效果较理想 ,见表 2。冻土温度变化函数 y = a + b ×ln ( x - c) 中 a ,b , c 参数意义分别为 : a 与土性及停机时土层温度T 有关 , b与土性有关 , c 与冻结天数 d 有关。213 　冻结站停机后各土层温度变化速率对比 由于函数 y = a + b ×ln ( x - c) 能够较好地拟 94多圈管冻结下冻结壁温度场融化特性的实测研究 3 合冻结壁融化过程的温度场变化特征 , 故可以利用 该函数求导得出各土层停机之后冻结壁温度的变化 速率情况 , 即 dyd x = b x - c 。 由图 4 比较曲线可以看出 , 砂土的温度回升速 率较粘土大的很多 , 在停机初期 , 砂土温度回升速 率可达到 017 ℃/ d , 而粘土仅为 0135 ℃/ d , 为砂 土的一半左右。但在停机 50 d 内 , 粘土与砂土温 度回升速率均急剧下降 , 并逐渐趋于平稳至 01025 ℃/ d 左右。 图 3 　各土层冻结壁融化过程函数拟合情况与实测数据对比 　　 图 4 　不同土质停机后湿度变化速率比较 3 　结论 通过对两圈之间冻结壁温度发展状况的现场实 测与数据分析 , 得出以下结论 : (1) 从实测的数据可以看出 , 冻结砂土的融化 速度明显快于冻结粘土 , 各类地层冻结壁的融化先 后顺序为中砂、粉细砂、粘土。 (2) 各土层温度回升规律大多相同 , 可分为快 速回升与平稳回升两个阶段 , 第一个阶段砂土融化 速率较快 , 可达到 017 ℃/ d , 为粘土的 2 倍左右 , 但在第二阶段 , 二者的融化速率相当 , 大至为01025 ℃/ d。(3) 冻结壁融化过程的温度变化规律可以通过函数 y = a + b ×ln ( x - c) 来拟合 , 相关性系数 R2均大于 01988 , 拟合效果较好。(4) 对于现有监测数据的分析 , 得出冻结壁融化时间较冻结时间要长。对于砂土 , 融化时间是冻结时间的 111～113 倍之间 , 而对于粘土处于 1125～115 之间。所以现场施工中防止井壁出水 , 应该重点放在砂土层 , 做好提前注浆的准备。参考文献 :[1 ] 杨平 , 陈明华 , 张维敏等 1 冻结壁形成及解冻规律实测研究 [J ] 1 冰川冻土 , 1998 (2)[2 ] 汪仁和 , 曹荣斌 1 双排管冻结下冻结壁温度场形成特征的数值分析 [J ] 1 冰川冻土 , 2002 (2)作者简介 : 作者简介 : 陈军浩 (1986 - ) , 男 , 福建福州人 , 安徽理工大学土木建筑学院硕士研究生 , 主要从事岩土与地下工程研究。 (责任编辑 　张毅玲) 05 中国煤炭第 35 卷第 12 期 2009 年 12 月