两种斜井冻结方式的温度场模型实验研究

2022-04-20王千星赵康普

煤炭工程 2022年4期

陈骏，张祥，王千星，赵康普

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.中建港务建设有限公司，上海 200433)

人工冻结法是煤矿井筒建设中常用的一种特殊凿井技术，目前已成功应用于国内各大矿区，积累了丰富的施工经验[1-4]。在煤矿井筒穿越深厚表土层、富水基岩层和各类破碎岩层时，通常采用竖直孔冻结方式将井筒周围地层冷冻至低温状态，待工程结束后再解冻恢复。但是，当竖直孔冻结方式应用于斜井施工时需要占用大量地表土地，施工方案不够经济。尤其是在施工过程中，必须关闭井筒开挖范围内的盐水循环，不利于冻结壁顶、底板的安全；而且，斜井施工作业方式与立井显著不同，掘砌过程中长期存在空帮现象，井内空气流动和温差削弱了冻结壁的强度和稳定性。由于现阶段倾斜孔钻孔技术尚不能满足冻结孔与斜井掘进方向保持一致的技术要求，导致长距离的倾斜孔斜井冻结方案无法实施而不得不使用竖直孔冻结方案，造成能源和材料的极大浪费，也限制了人工冻结法在斜井中的应用和发展[5，6]。

模型实验通过模拟实际工程技术难题，采用适当的相似比，用实验的方法获得一些不易在现场得到的关键数据，是解决工程经验不足、设计方案缺乏等问题的最佳方法之一。崔广心等[7，8]采用模型试验的方法研究了冻结壁形成阶段、井壁掘砌阶段的温度和厚度变化规律，通过多次试验得到影响冻结壁变形的关键因素，获得回归方程。吴紫汪等[9]同样采用模型试验的方法分析了冻结壁变形与冻结壁高度、偏应力和平均温度的关系。张绪忠[10]建立了渗流水作用下双孔冻结的模型试验系统，测试了冻结温度场受冻结管间距、水流速度、盐水流量和盐水温度4个因素的影响关系。李岩[11]基于现场实际工程设计了竖向直排冻结下的斜井施工模型试验，采用理论分析获得了模型中温度场分布和冻胀力变化的计算方法，并对计算结果和现场数据进行了对比。石荣剑[12]针对盾构地中对接冻结加固工程设计了模型实验，分析了冻结过程中地层温度场的分布规律。由于地下工程施工的特殊性，冻结壁在未知的地下环境中面临复杂的地下水渗流影响和地应力影响[13-15]，硐室开挖导致强烈的应力扰动和大体积混凝土浇筑造成的水化热也考验着冻结壁的稳定性。对这些工程难点进行实验室的模型实验弥补了现场测试的不足、改善了小型试样力学实验的缺陷，可以更好地指导工程实践。

本文基于直墙半圆拱形冻结壁弹塑性设计理论[16]，在实验室建立了竖直孔和倾斜孔两种冻结形式的三维实验模型，模拟了两种冻结形式下冻结壁处于积极冻结期、维护冻结期及解冻状态下的温度场分布规律。对比分析斜井冻结壁的扩展和解冻规律，分别评价两种形式下冻结壁的温度性，为开展斜井倾斜孔冻结工业性试验提供指导。

1 斜井冻结模型实验

1.1 实验材料和模型参数

实验平台采用深部岩土力学与地下工程国家重点实验室自行研发的三维矿山建设地质力学模型实验系统[17，18](图1)，模型边界载荷最大为5MPa，最大尺寸2m×2m×1.2m(高×宽×深)。斜井冻结模型实验采用直墙半圆拱形断面，井筒实际尺寸为上半圆外半径3.2m，直墙高2.4m，开挖断面反底拱半径7m，井筒埋深100m，斜井倾角20°。冻结管为∅159mm×5mm低碳无缝钢管。实验中竖直孔和倾斜孔冻结方案采用相同的实验材料和环境，只是冻结管布置形式不同，基于相似准则推导得到模型实验各参数相似比见表1。

图1 三维矿建模型实验系统

表1 模型实验各参数相似比

实验采用CaCl2溶液作为制冷介质，设计盐水温度为-20℃。土体选用细砂模拟实际工程中砂质地层，实验前过4mm筛网，设计含水率为w=18%。两组实验原型参数和冻结参数见表2。

表2 斜井冻结模型实验中材料原型和模型参数

1.2 冻结方案和测点布置

冻结壁的温度和厚度是冻结法施工的核心指标。斜井冻结中倾斜孔施工方案与立井竖直孔冻结施工方案类似，其目的是建设围绕井筒的稳定冻结壁以保障掘进作业安全，实验设计倾斜孔冻结采用单圈冻结管布置方案，如图2所示。温度测点布置在2个断面，顶、底及两帮4个方向，主要监测冻结壁的发展速度和厚度，如图3所示。

图2 倾斜孔冻结方案(mm)

图3 倾斜孔冻结中温度测点布置(mm)

目前广泛应用的竖直孔冻结方案，由于其部分冻结管直接穿越井筒开挖部分的土层(图4)，在施工过程中需要将这部分冻结管截断。缺少低温盐水的持续循环，井筒开挖后顶、底板将面临很大的解冻风险，对井筒安全快速施工造成威胁。因此在实验中布置3组温度测点：①监测竖直孔方案中冻结全程顶、底板温度沿水平方向变化的测点H-2和H-4；②从两个断面监测开挖前后井帮温度沿水平方向变化的H-1/H-3和H-5/H-6；③监测一侧井帮冻结壁温度沿竖直方向变化的V-1—V-3，如图5所示。其中各组温度测点为自制铜-康铜热电偶串内含多个温度测点，采用TDS-530数据采集仪连接计算机进行温度采集。

图4 竖直孔冻结方案

图5 竖向冻结热电偶测点布置图

1.3 实验过程

人工冻结法施工一般包含：积极冻结期、维护冻结期和解冻期。在积极冻结期冻结站低温运行，土层温度逐渐降低。实验中，积极冻结期持续120h(图6)，直至温度测点满足设计要求，冻结壁最终实现交圈。随后冻结过程转入维护冻结期，此阶段冻结温度保持恒定，井筒开始掘进作业。随掘进作业持续进行，井壁冻土解冻范围应保持在可控范围内。特别对于竖直孔冻结掘进，巷道掘进范围内布置有3根冻结管。当掘进至冻结管附近时，预先停止盐水循环，通过循环系统排空管内残余盐水。冻结管完全露出后采用机械切断，对上下两端露出部分进行保护，然后继续进行掘进作业。实验中，维护冻结期持续48h，在此阶段分别对两种冻结方式下的冻结壁逐级施加荷载并开挖井筒，加载方式如图7所示。

图6 倾斜孔冻结实验中进出液冻结管管道温度变化规律

图7 冻结斜井开挖模型加载过程

2 温度场差异与解冻规律

2.1 积极冻结期温度场差异

采用两种冻结方式进行对比实验，在积极冻结期即表现出显著的温度场差异如图8所示。倾斜孔冻结方案直接对井筒周边土层进行冻结，冻结管布设在拟冻结土层中间，当每根冻结管的制冷范围互相重叠，冻结壁达到设定温度和厚度后，即可开展掘进作业。合理的施工组织和冻结温度甚至允许在井筒开挖范围内的土层完全冻实前，就可以开始掘进以加快施工进度。实验中，降温范围沿冻结管中心逐步扩大，井筒内降温速度明显大于冻结壁外侧降温速度。而竖直孔冻结方案对冻结壁部分和井筒部分的全部土层进行冻结，在实际的施工中，斜井井筒埋深逐渐增加，冻结范围甚至包括地表至井筒的上覆土层，而且冻结作业必须保证井筒底板达到设计强度和温度后才可以进行掘进。实验中，冻结温度场沿井筒开挖轴线对称分布，随冻结时间增加温度逐渐降低、冻结范围逐渐扩大，温度场分布符合冻结壁设计和成形理论。

图8 积极冻结期井筒水平方向测点温度(断面1)

最终，根据各温度测点实测数据，绘制得到不同冻结方式斜井冻结壁温度场分布如图9所示。由图9可见，冻结壁形态稳定均满足开挖要求，但竖直孔冻结形成更大规模的冻结壁，易造成更多能源浪费。此外，冻结管布设方式导致起始冻结位置不同将造成不同的冻胀应力，由冻胀应力形成的冻结应力场对井筒开挖和井壁受力有深远的影响，是该领域的研究难点。两种冻结方式形成的冻结壁形式在应力作用下的受力状态和稳定性仍需更多研究验证。

图9 积极冻结期结束时冻结壁温度场分布

2.2 维护冻结期温度场差异

为尽可能的模拟实际施工过程，在维护冻结期内采用风镐等工具分段完成了井筒的开挖过程。整个掘进过程分6段进行，每段掘进100mm，期间两种冻结壁温度场变化规律分别如图10、图11所示。

图10 倾斜孔冻结中掘进深度250mm时温度分布

图11 竖直孔冻结方案开挖过程中冻结壁解冻温度场分布规律

在倾斜孔冻结方案中，随着开挖过程的推进，冻结壁内温度逐渐升高，当开挖至300mm时，暴露出的井内测点温度迅速升高，当井筒继续开挖至400mm时，井帮温度有了明显的提高，升幅在3～4℃，后续开挖作业对已开挖部分的冻结壁温度影响较小，冻结壁内各点温度相对稳定。

在竖直孔冻结方案中，随着井筒不断开挖，冻结壁井帮部分一定范围内出现解冻现象。经测量，受井筒两侧冻结管持续冻结作用，井帮处冻结壁最大解冻厚度约为60mm，开挖活动持续影响着冻结壁的温度，说明此处冻结壁稳定性较差。井筒顶、底板处测点所在位置冻土尚未解冻，说明顶、底板处冻结壁解冻范围未超过50mm，但对底板处测点温度的持续观测表明，冻结壁厚度随开挖活动持续减小。直至开挖结束，底板解冻仍未停止，而其他部分测点温度保持平稳。由于顶、底板处没有冻结管进行维护冻结，冻结壁内温度分布不均匀：顶、底板平均温度为-4～-2℃，侧帮平均温度为-5～-4℃。

2.3 冻结壁解冻规律

倾斜孔冻结方案中顶板及左侧冻结壁中测点从开挖至解冻阶段的温度变化如图12所示。图12中，顶板测点V-1(3)距离井筒较近，开挖后暴露在空气中，因此有较大幅度的波动。其余顶板温度测点均显示出良好的温度稳定性，表明在整个开挖过程中，顶板解冻深度未超过80mm(V-1(4)测点距开挖后井帮80mm)。同样地，左侧壁测点中H-1(3)距离井帮较近，开挖活动对测点处温度有一定影响，后期逐渐平稳。实验进行至168h时，维护冻结期结束进入自然解冻阶段，各测点温度缓慢回升。