多圈管冻结壁冻结温度场数值计算研究.pdf

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1、80低温建筑技术2011年筇11圳(总第161j9j)多圈管冻结壁冻结温度场数值计算研究崔建军《北京中煤矿山工程有限公司，北京100013)【摘要】采用数值计算方法研究了四圈管冻结壁发展与形成规律，得到了冻结壁内温度场的分布情况，计算结果为多圈管冻结工程的设计和施工提供参考。【关键词】多圈管；数值计算；温度场【中图分类号】TU475．2【文献标识码】B【文章编号】100l一6864(2011)11—0080—02随着浅埋深煤层的充分开发，400m以内表土覆盖水分迁移对温度场的影响。下的煤炭资源渐趋枯竭，大于400m表土覆盖下的煤表l四圈管冻结冻结孔布置参数炭急待开发，要克服深厚表土层巨大的水

2、土压力及复杂多变的地质条件，冻结法是立井施工中最常用、最有效的方法。然而伴随着表土厚度和冻结深度的增加，冻结管圈数由单圈变为3圈或更多，冻结温度场发展规律也变得更加复杂。冻结温度场是一个含有相变的温度场，具有移动的内热源和复杂的边值条件，在整个地层的冻结过程中冻结温度场随时间和空问而变化，是一个不稳定温度场。为掌握冻结壁的形成过程温度场的发展状况，专家学者们展开了大量的土层含水量结冰温度比热导热系tt／w·13。。·K科学研究工作，但目前研究普遍停留在单圈管冻结过性质／％／℃kJ／kg～·K～一5℃一10℃一l5℃程的温度场分析，对多圈管尤其是四圈管冻结壁粘土28—3．51．5889l-66

3、1．791．92温度场的研究尚处于起步阶段。本文以口孜东矿主井表土段冻结为原型，通过数值计算方法模拟了四圈管1．3几何模型及网格划分冻结壁温度场的发展规律，为多圈管冻结工程的设计在冻结壁向井外发展的过程中，井外降温区的宽和施工提供参考。度不超过外圈冻结管外侧冻结壁厚度E的5～8倍。1数值计算模型与方案在冻结工程施工中，在粘土中冻结壁向外发展的厚度1．1冻结参数选取一般不会超过3m，因此分析区域半径取50m。(1)冻结管布设参数。以口孜东矿主井表土段1．4边界条件及载荷冻结为原型，选取相应的参数开展数值计算，冻结方案土体的初始温度为25℃；远端边界为固定的的冻结管布设情况见表1，总冻结天数为3

4、60d。25；冻结管外壁温度按图l的降温曲线赋值。(2)土层基本物理性质及热物理参数。冻结温度场的发展是一个非线性的瞬态问题，其热参数是随l温度变化而变化的，冻土的热性能参选取见表2。I5010n102002503m3504l(3)冻结壁设计参数。井筒表■段最大掘进荒径＼＼12．55m。积极冻结期盐水温度为一34～一36。冻结壁＼＼＼～厚度l1．5m。设计冻结壁平均温度为一l6～一18℃。⋯．．．．．．1．2模型的基本简化和假设冻结时间／d①不计冻结管的偏斜、土层性质沿深度的变化，将图1降温曲线图土层视为均质导热材料；②由于冻结管在竖直方向的尺寸较水平方向大得多，在竖直方向的热传导相对水2数

5、值计算结果分析平方向弱的多，故冻结温度场可简化为平面导热问题，(1)特征点温度随H／'f~q的变化。选取井帮控制按平面问题建模、划分网格；③地层冻结降温影响区仅点、辅助圈管轴线界面点、内圈管轴线界面点、中圈管限于冻结壁外锋面半径的三倍范围内；④不考虑冻土轴线界面点、外圈管轴线界面点以及设计冻结壁外锋崔建军：多圈管冻结壁冻结温度场数值计算研究8l面点，开展温度随时间变化的分析，各特征点的具体布快，向外扩展速度缓慢。四圈管冻结过程中，冻结管布置见图2，特征点随冻结时间的变化见图3。置区域内降温速度快，冻结壁向内扩展速度较快，向外扩展速度缓慢。前期降温速度快，后期降温速度慢。锋面图2四圈管冻结温度

6、场特征点布置图4路径布设21＼、一l：：：：L__一；iI＼、．＼＼、一l-．T_：：：：【基、＼＼＼．—．—-1。J一*__^『、一—’—一．—～—～～赠一3《、n]bn1’n1nlrd'va~，n’弓、n气I露一15＼．_、j＼、＼、．——～＼、{棼-27、～-39冻结时间，d图3特征测点温度随冻结时间变化图5不同时刻路径上的温度由图3可知：四圈管冻结中，最先交圈的是中圈，3结语交圈时间为50d左右，随后是外圈管，交圈时间为75d四圈管冻结中，中圈最先交圈，随后依次是外圈、内左右，然后是内圈，交圈时间为105d左右，最后是辅助圈和辅助圈，这种交圈顺序的冻结壁由中圈向内、外圈圈，交圈时间为

7、190d左右。冻结壁由中圈向内、外圈方向发展，有利于冻胀力的释放。四圈管冻结中，冻结方向发展，有利于冻胀力释放。到270d时，井帮温度壁在冻结管布置圈径范围内降温速度较快，向外(冻结达冰点，到设计时间360d时，设计冻结壁外封面温度壁设计外缘)发展速度较慢，由于辅助圈的存在，向内刚好低于冰点，此时井帮温度为一12．13℃，辅助圈轴(井心方向)发展速度较快。四圈管冻结过程中，在冻结线界面温度为一21．51oC，