杨青，荣传新

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

1 概 述

对深部空间进行开挖，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层加固方法[1]。）因此,必须加快开展对深厚表土地层冻结法凿井关键理论和技术的深入研究,为工程施工提供正确指导。

冻结壁的形成过程十分复杂:冻结壁形成过程伴随着温度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[2-5]。

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536.65m，第三系底板埋深681.05m，基岩风化带底板埋深714.05m。在第四系378.2～398.9m和407.3～445.35m深度段为20.7m和38.05m的两层特厚砂质粘土层。冻结段最大井壁厚度2.303m，冻结深度725m，（深层位）井筒深度1001.9m。该井筒采用冻结法施工，井筒主要技术特征见表1。

图1 1号测温孔温度与ANSYS数值计算温度对比图

图2 2号测温孔温度与ANSYS数值计算温度对比图

图3 3号测温孔温度与ANSYS数值计算温度对比图

图4 4号测温孔温度与ANSYS数值计算温度对比图

2.2 副井冻结方案

杨村矿副井表土段采用四排孔冻结方式，具体设计方案叙述如下。

2.2.1 冻结深度

图5 杨村矿副井井筒667m层位（细砂岩）冻结温度场云图（冻结753d）

图6 杨村矿副井井筒667m层位（细砂岩）冻结温度场负温区域图（冻结753d）

副井井筒主要技术特征表 表1

副井井筒冻结孔布置参数表 表2

外排孔冻结深度为681m，为加强冻结孔，其作用是确保冲积层和三系上部松软岩层冻结壁的厚度和强度。中圈孔孔深为687/725m，为主冻结孔，差异冻结方式，短腿穿过强风化带，其作用是加强冲积层冻结壁的强度和厚度，在基岩中达到封止水的目的。内圈孔孔深为660m，为加强冻结孔，其作用是确保冻结壁平均温度和三系上部松软岩层冻结壁的厚度和强度，提高冻结壁的稳定性。防片帮孔孔深为210/420m，差异、插花冻结方式，其作用是尽可能实现井筒提早开挖，防止井筒掘进时片帮。

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；外排孔、主排孔、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-31℃～-33℃，设计冻结壁厚度，粘土445.33m控制层冻结壁厚度10m；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-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位于外排孔外侧主面上；测2、测4位于中排孔和外排孔之间；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、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[6]：

初始条件:t(r，0)=t0；边界条件:无限远处，t(∞，τ)；冻结锋面上：t(ξn，τ)=td。

式中：tn为岩土温度（℃）；n=1(岩土未冻结),n=2(岩土冻结)；s 为冻结时间（s）；r 为以井心为圆心的圆柱坐标（m）；αn为导温热系数（m2/s）；λ 为导热系数（w/(m·℃)）；t0为原始地温；td为岩土冻结温度；tc为盐水温度(冻结管外表面温度)。

4 ANSYS数值模拟分析

4.1 计算过程

冻结温度场的发展问题，可以利用有限元数值模拟方法加以研究。这里采用ANSYS有限元数值计算软件对杨村主井的温度场进行模拟，计算分析冻结壁平均温度和厚度、温度场分布、开挖井帮温度等指标。这些指标对更好的控制开挖进度、盐水温度、分析施工中碰到的问题都起着指导作用。

ANSYS数值计算软件对各个考察地层都进行了数值模拟。首先，立井冻结凿井温度场其竖直方向上的尺寸远超过水平方向，且冻结过程中竖直方向导热相对较弱，可以作为二维平面问题计算各个层位的温度场。以孔位终测数据为依据，建立考察地层的二维数值模型，并划分网格。接着将各个地层第一天的监测温度作为初始地温并依据实验室检测的土（岩）性设置初步的土性参数，其中包括热传导率、比热容、比重、焓值等。

冻结管中的低温盐水对土层的降温有直接的作用，每个层位冻结管的温度荷载T，即盐水命令流，以管头的盐水去/回路温度作为计算依据，然后按下式进行计算。

加载盐水命令流之后，设置每天24h一计算步，即可以提取每天的计算结果。经过计算，将测温孔的模拟温度与测温数据作比较，调整模型的土性参数，使模拟结果与测温结果偏差控制在±1℃以内，使模拟结果更加可靠。

667m各个测温孔与ANSYS数值模拟温度对比图（见图1～图4）。

4.2 深层位冻结温度场分析计算

对各个层位的开挖时间按以上开挖速度进行计算，并提取各个层位的预测掘砌日期的冻结温度场数据，数据提取方法如下。

冻结壁的平均厚度：以-3℃作为冻结温度，提取-3℃以下的冻结壁区域数据，以井筒圆心为中心，按冻结壁外边缘距离减去内边缘距离来计算环形冻结壁的厚度。如果有入荒长度的存在，即冻结壁区域侵入开挖荒径以内，则要以冻结壁外边缘距离减去开挖荒径来计算冻结壁厚度。最后按照20个方向的厚度值的平均值作为冻结壁的平均厚度。冻结壁的平均温度：采用冻结壁区域的温度按区域面积进行加权平均来计算。井帮温度：以井心为圆心按照开挖荒径画一圆，提取圆周上的温度值。

4.3 副井累深667m层位（细砂岩）冻结温度场计算分析

667m层位冻结温度场发展753d成的冻结温度场云图见图5～图6及表3。

5 结 语

①杨村煤矿副井数值模拟和现场实测数据进行比较,二者之间具有相同的变化规律。

②研究表明,可以通过数值模拟方法进行杨村矿井副井深层位冻结法施工冻结温度场预测分析。

③加强冻结，降低盐水温度，对少数断裂不能恢复的冻结管附近的其它冻结管加大盐水流量循环，以减少冻结壁发展的不均匀性。可考虑在该层位井筒内部采取加强冻结的措施，以达到降低井帮温度、减小井帮位移和底鼓量，缩短冻结时间之目的。

表3

[1]马巍，王大雁.深土冻土力学的研究现状与思考[J].岩土工程学报，2012(6).

[2]杨平，陈明华，张维敏，等.冻结壁形成及解冻规律实测研究[J].冰川冻土，1998(2).

[3]荣传新,王秀喜,程桦,等.冻结壁稳定性分析的黏弹塑性模型[J].力学与实践,2005（27）.

[4]蔡海兵,程桦,荣传新.深埋冻结壁变形特性的理论分析及数值模拟[J].西安科技大学学报,2008(3).

[5]汪仁和，李栋伟，王秀喜.改进的西原模型及其在冻结壁上的应用[J].力学与实践，2006(1).

[6]王衍森,杨维好,任彦龙.冻结法凿井冻结温度场的数值反演与模拟[J].中国矿业大学学报，2005（5）.