冻结法深层位温度场数值模拟与分析.pdf

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1、2014年第1期(总195期)安徽建筑冻结法深层位温度场数值模拟与分析NumericalS虽imulationofDeepTemperatureFieldinFreezeSinkingMethodanditsAnalysis杨青，荣传新(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001)摘要：结合淮南杨村矿井副井冻结法施工，应用ANSYS数值模拟有限元方法对冻结过程瞬态温度场进行了数值模拟，和现场实测十分接近，数值模拟的系统分析可为深立井冻结的设计与施工提供科学依据。关键词：深层冻结：数值模拟：瞬态温

2、度场中图分类号：TU472．9文献标识码：A文章编号：1007—7359(2014)01_0078—031概述对深部空问进行开挖，尤其是在软弱的、含水土层中进行开挖，传统的浅表土冻结技术理论已不适用深厚表土冻结壁设计的需要。(所谓人工冻结技术是指对深部天然土体在原始地压作用下以人工制冷方法将低温冷媒送入具有一定含水率和地下水流速的软弱地层中，使地层中的水与周围土颗粒发生冻结，从而形成强度高、弹模大和抗渗性好的冻结壁，然后在冻结岩壁的保护下进行内部开挖和永久支护结构施工的一种特殊地土工层加固方法_1]

3、。)因此，必须加快开展对深厚表土地层冻结法凿程井关键理论和技术的深入研究，为工程施工提供正确指导。与冻结壁的形成过程十分复杂：冻结壁形成过程伴随着温度基础场和冻结应力场的相互影响，且随着时间而变化。理论和实测处表明冻结深层位温度场是一个含有相变的具有移动的内热源理和复杂的边值条件的非稳定温度场，冻结过程中冻结温度场随时间和空间而变化，是一个瞬态温度场。在冻结法凿井中，冻结壁温度场的变化影响着冻结壁厚度和平均温度的大小，从而决定着冻结壁的强度与变形，而强度与变形是判定冻结壁稳定性的重要参数，直接关系到

4、冻结凿井的速度与成败。所以对冻结壁形成过程中温度场和变形的研究一直是深部矿井建设研究的重点，许多学者通过工程实测、室内模拟实验和数值分析等方法研究冻结壁形成过程中温度场与位移场的变化，提出冻结图33号测温孑L温度与ANSYS数值计算温度对比图冷量的估计方法，给出冻结壁厚度计算公式，分析井壁破裂原因，探讨防止井壁破裂与冻结管断裂措施12-51。2深立井冻结法施工实例2．1工程概况杨村煤矿设计有主、副、风三个井筒，其中副井井筒设计净直径为7．5m，井筒表土层厚度681．05m，其中：第四系底板埋深536

5、．65m，第三系底板埋深681．05m，基岩风化带底板埋深厚度2．303m，冻结深度725m，(深层位)井筒深度1001．9m。该安714．05m。在第四系378．2～398．9m和407．3～445．35m深度段井筒采用冻结法施工，井筒主要技术特征见表1。徽为20．7m和38．05m的两层特厚砂质粘土层。冻结段最大井壁2．2副井冻结方案建杨村矿副井表土段采用四排孔冻结方式，具体设计方案叙筑述如下。收稿日期：2014-01-06作者简介：杨青(1990一)，女，安徽滁州人，安徽理工大学土木建筑学院2

6、．2．1冻结深度i／在读硕士，研究方向：桥梁与隧道工程。外排孔冻结深度为681m，为加强冻结孔，其作用是确保冲安徽建筑2014年第1期(总195期)帮。2．2．2冻结孔布置参数对于四排孔冻结方式，其中内排孔主要起防片帮、降低井帮温度、减少冻土位移量的作用；外排孑L、主排孑L、内排孔主要起到降低冻结壁平均温度、增大冻结壁稳定性的作用，在基岩段起封水作用(见表2)。2．2．3冻结壁设计井筒表土段最大掘进荒径12，256m。设计冻结盐水温度为一31一33℃，设计冻结壁厚度，粘土445．33m控制层冻结壁厚

7、度lOm；砂层536．65m控制层冻结壁厚度10．2m；三系上部641．7m控制层冻结壁厚度10．6m。冻结壁平均温度一18℃。副井冻结站于2012年4月9日开机运转，截止2014年1月7日冻结站运转正常。水文孔1、水文孔2、水文孔3、水文孔图5杨村矿副井井筒667m层位(细砂岩)4水位均已溢水；共布置5个测温孔，其中测1、测3位于外排冻结温度场云图(冻结753d)孔外侧主面上；测2、测4位于中排孔和外排孔之问；测5位于内排孔和防片帮孔之间。3人工冻结温度场数值计算模型立井冻结凿井温度场属于含相变、

8、有内热源、具有移动边界的不稳定导热问题，由于其竖直方向上的尺寸远超过水平方向，且冻结过程中竖向导热相对很弱，因此可以简化为平面轴对称问题，导热方程为[61：岩lot,土=f＼Or2+／@o'0