_大断面斜井冻结施工多排管冻结温度场模拟研究

Abstract： Base on a freezing construction of a mine main inclined shaft in Pangpangta Mine of Huozhou Coal and Electricity as an engineering background，an ANSYS finite element analysis software and a orthogonal test design method were applied to the numerical simulation on the key parameters of the sectional vertical freezing tubes for mine large cross section inclined shaft in deep and watery overburden． The distribution law of the freezing temperature field with multi freezing tubes was studied for the freezing construction of the mine large cross section inclined shaft． A set of the vertical freezing technology suitable for a large cross section mine inclined shaft passing through watery section of the thick overburden was discovered and established． Keywords： mine inclined shaft； freezing； multi row tubes； distribution of temperature field； numerical simulation 冻结法凿井是通过不稳定冲积层及邻近含水基岩的特 殊凿井施工方法之一。 斜井冻结方案采用多排管局部冻结 方案，导致其温度场变化发展规律与立井冻结温度场不同， 国内对多排管局部冻结温度场尚未开展系统 、 深入的研究。 文章以霍州煤电庞庞塔矿主斜井冻结施工为工程背景，采 用 ANSYS 有限元分析软件，对深厚富水表土层大断面斜井 分段直孔冻结关键参数进行数值模拟，研究大断面斜井冻 结施工多排管冻结温度场分布规律 。
图2
影响外 1 排、最外排之间冻结壁平均温度 之各因素的 F 值随时间变化规律
属河东煤田离柳矿区。 井田南北长 20km，东西宽 5km，井 收稿日期： 2012 － 04 － 06 基金项目： 中央高校基本科研业务费资助项目（ 2011YZ02 ）
作者简介： 侯运炳（ 1962 － ） ，男，陕西安康人，博士，中国矿业大学（ 北京） 教授、 博士生导师，主要从事采矿工程 教学与研究工作。
，其次为 “中、外 1 排 温度影响最大的因素是 “盐水温度” ，之后，后者影响逐渐减小，而 “盐水温度” 随着冻 排距” 结时间延长，其影响越来越大。 对该条带平均温度影响因 素中，按照其影响从大到小的顺序依次为： 盐水温度 ＞ 中、 外 1 排排距 ＞ 柯索维奇数 ＞ 外 1 排管间距 ＞ 导热系数 ＞ 中 排管间距 ＞ 最外排管间距 ＞ 外 1 、最外排排距。
3 · 3
2
1 排、最外排冻结管排距 1. 5
在计算模型中，采用平面三角形单元进行网格剖分， 采用条带划分的形式进行网格划分，在冻结管区域加网格 最细，其次是预计的冻结区，在外边界处网格最稀疏 。 一 般冻结区节点间距为无量纲长度 1 。 在计算多排管冻结温度时，研究冻结管的布置方案和 土性参数对冻结温度场的影响，对于 8 个因素各取 5 个水 平（ 见表 1 ） ，采用 11 因素 5 水平正交表进行排列计算，共 设计 50 组方案。
界的不稳定导热问题。 由于其竖直方向的尺寸较水平方向 大得多，且在冻结过程中竖向导热相对于水平方向弱得多， 故可简化为平面导热问题求解 。 由此，可将单根管冻结温 度场的控制方程推延至单圈管冻结温度场导热方程：
2 t n tn 1 t n （ ＞ 0 ， = an 0 ＜ r ＜ ɕ） τ 2 + τ r r r
Simulation Study on Freezing Temperature Field with Multi Row Freezing Tubes in Construction of Large Cross Section Mine Inclined Shaft
2 HOU Yun － bing1 ，JIA Jin － feng1， ，ZHAO Yi － Xin1 ，WANG Heng1
［1 ］
； ② 庞庞塔矿地处黄土高原，第
1
工程概况
霍州煤电庞庞塔矿千万吨项目地处山西吕梁临县境内，
四系与第三系地下水丰富，水文地质条件复杂，矿区含水 砾石层在表土深部，在表土浅部有隔水强的粘土层； ③ 主 斜井井筒将穿过三层极不稳定的松散层，且其最高涌水量
3 达 303m / h，井筒斜长较长，掘进断面较大，且冬季施工
3 3. 1
计算结果与分析 中排、外 1 排之间冻结壁平均温度
根据中排、外 1 排之间土层平均温度与各因素正交计
(
)
初始条件： t （ r，0 ）
= t0 ； 边界条件： t （ ɕ ，τ） 表1
= t0
算结果，各因素 F 值随冻结时间的变化规律如图 1 所示。
计算中各因素水平取值表
外 1 排管 间距 l4 14 21 28 35 42 最外排管 间距 l5 14 21 28 35 42 盐水温 度 Ty － 2. 5 －2 － 1. 5 －1 － 0. 5 柯索维 奇数 K 0. 5 1. 3 2. 1 2. 9 3. 7 导热系 数π 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5
因素 水平 1 2 3 4 5
中、外 1 排 排距 l1 18 30 42 54 66
外 1 、最外排 排距 l2 18 30 42 54 66
中排管 间距 l3 17 24 31 38 45
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冻结初期（ f0 = 0
煤
炭
工
程
研究探讨
2000 ） ，对中排、 外 1 排之间冻结壁平均
ANSYS 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有
t （ r0 ， τ） = t c 实际上，若考虑到冻结管内盐水温度与冻结管外表面 之间存在的温差，以及冻结管布置圈上各点的温度也不相 。 同，故准确地说 t c 应 是 “冻 结 管 布 置 圈 上 的 平 均 温 度 ” 显然，只有当冻结壁发展到一定厚度，冻结管布置圈上各 点的温度趋于一致时，采用上述微分方程研究单圈管的冻 结温度场才合理。对于多排管冻结，温度场控制方程不变， 只需要增加必要的边界条件 。 假定采用 k 圈管（ k = 1 ，2 ， 3 ，…） 冻结，冻结圈半径 R k ，各圈管圈径 上 平 均 温 度 为 t ck ，则冻结圈上的边界条件共有 k 个，表达式为： t（ R k ， 2， 3， …） τ） = t ck （ k = 1 ，
限元法计算各节点温度，并导出其他热物理参数 。 ANSYS 热分析包括热传导、 热对流及热辐射三种热传递方式 。 若 系统净热流率为 0 ，即流入系统的热量加上系统自身产生的 热量等于流出系统的热量： q 流入 + q 生成 － q 流出 = 0 ，则系统处 于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化 。 稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响 。 通常，在进行瞬态热分析以前，需要进行稳态热分析来确 定初始温度分布。 稳态热分析可以通过有限元计算确定由 于稳定的热载荷引起的温度 、 热梯度、 热流率、 热流密度 等参数。ANSYS 稳态热分析可分为三个步骤： ① 前处理： 建模； ②求解： 施加载荷计算； ③后处理： 查看结果
2 田面积 98. 5km 。 主副井均采用斜井开拓 。 主斜井井筒正 2 常段净宽 5. 2m、 净断面 19. 4m ，倾角 16ʎ ，斜 长 1410m。
斜井井筒掘进过程中将穿过三层松散层，涌水量最高可达 303m3 / h。为保证施工安全与质量，在斜井井筒掘进过程 中，表土段与基岩风化段采用冻结法施工，基岩段采用普 通法施工。 然而，采用冻结法施工主斜井面临诸多问题： ①冻结法在立井掘砌施工中应用广泛，但在斜井中应用实 例较少，技术难度较大
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研究探讨
煤
炭
工
程
t（ ξ N ， τ ） = t d ； λ2 t2 | r － λ1
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t1 | r = Ψ dξ N ； dτ
还要克服低温对冻结的影响 。 这些不利因素，成为冻结法 能否成功应用的瓶颈。
r = ξN
r = ξN
2 2. 1
多排管冻结温度场数值模拟 冻结法施工模
对于热传导现象，根据能量守恒，导入微元体的总热
量加上微元体内热源产生的热量等于微元体导出的热流量 加上微元体热力学能的增量，其导热微分方程为：
2 2 2 t t t t a 2 + 2 +2 + Φ = ； ρc τ x y z 2 2 t t t a 2 + 2 + Φ = ρc τ x y
(
)
·
(
)
·
式中
a— — —导温系数，a = λ / ρc，m / s； — —微元体内热源强度，J / （ m ·s） ； Φ— — —导热体密度，kg / m ； ρ— c— — —导热体比热容，J / （ kg·K） ； t — — —导热体温度变化率，K / s。 τ 群孔冻结温度场属于含相变 、 有内热源、 具有移动边
（ 1. School of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology （ Beijing） ，Beijing 100083 ，China； 2. Huozhou Coal and Electricity Group Co Ltd． Huozhou 031400 ，China）
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煤
炭
工
程
研究探讨
大断面斜井冻结施工多排管冻结 温度场模拟研究
1 1， 2 1 侯运炳 ，贾进峰 ，赵易鑫 ，汪
恒
1
（ 1. 中国矿业大学（ 北京） 资源与安全工程学院，北京 100083 ； 2. 霍州煤电集团公司，山西 霍州 031400 ）
要： 以霍州煤电庞庞塔矿主斜井冻 结 施 工 为 工 程 背景， 采用 ANSYS 有 限 元 分析 软 件和 正交试验设计方法，对深厚富水表土层大断面斜井分段直孔冻结关键参数进行数值模拟，研究大 摘 断面斜井冻结施工多排管冻结温度场分布规律，探索并建立一套适用于大断面斜井穿过厚表土层 富水段的竖直冻结技术。 关键词： 斜井; 冻结; 多排管; 温度场分布; 数值模拟 007704 中图分类号： TD265. 3 文献标识码： A 文章编号： 1671 － 0959 （ 2012 ） 12-
［2 ， 3 ］
2. 3
建立有限元计算模型
对于斜井多排管冻结温度场的研究，是建立在对单排
管、双排管冻结温度场研究的基础之上的 。 对于多排管冻 结时几何参数较多、 冻结管排列组合较复杂，采用无量纲 准则计算方法，对各影响因素宽范围取值，研究各因素对 所形成冻结温度场的影响规律 。 多排管冻结温度场关于中排轴面是对称的，建立 3 排 管模型进行研究，相当于研究的是斜井 5 排管冻结温度场 的发展 情 况。 冻 结 管 直 径 一 般 为 108 1. 4 2. 4m，外 1 排冻结管间距 1. 2 168mm，计 算 时， 中、外 1 排、最外排冻结管取相同管径； 中排冻结管间距 2. 2m，最外排冻结管 3. 5m，外 间距 1. 2 2. 2m，中排、外 1 排冻结管排距 1. 5 3. 5m。