申 鹏 举
(北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)
0 引言
核桃峪副井冻结深度达950 m，为世界最深的井筒冻结工程。冻结法施工是通过人工制冷的方式使地层中的水结冰，提高土体强度且抵抗水土压力[1-3]，保障地下工程结构在冻结壁的保护下进行掘砌施工。冻结温度场扩展情况是冻结法施工中判断冻结壁发展状况的关键，因此冻结工程中需要对冻结温度场进行分析研究。本文采用有限元软件Ansys对井筒周围土体温度场的扩展情况进行数值分析，获得了冻结壁发展的相关规律。为类似工程的设计提供相关参考。
1 工程概况
核桃峪矿井位于陇东黄土高原东南部，设计年生产能力8 Mt，服务年限70年。井田矿井采用主斜井—副立井和回风立井开拓方式，副井井筒净直径9 m，前期采用普通法进行凿井，施工至472 m时，工作面涌水量最大达95 m3/h，经研究决定改用冻结法进行施工，冻结孔布置示意图如图1所示。冻结壁设计厚度为4.4 m，井筒共设置冻结孔44个，采用深、浅冻结，深冻结孔深度为950 m，浅冻结孔深度为856 m，冻结孔采用φ168 mm的无缝钢管，布置圈径19.4 m，开孔间距1.385 m；温控孔共设置20个，采用φ127 mm的无缝钢管，布置圈径13.4 m。
2 数值模拟
2.1 模型建立
根据井筒冻结施工特点，联立图纸，建立如图2所示的二维平面温度场有限元计算模型，考虑到冻结温度场对周围土体影响范围，计算模型直径取20 m。温度场分析单元采用具有4节点的Plane 55单元，为提高计算精度，对井筒周围的土体进行网格加密。模型边界条件为：土体初始温度为18 ℃～22 ℃，因此假定初始地温为20 ℃；冻结管壁温度为盐水温度。
数值计算模型作以下假设：土体材质均匀且各向同性；不考虑盐水与冻结管壁之间的对流换热，冻结管壁上的温度等效盐水温度，盐水降温曲线如图3所示；地下水近似无流动，即温度场计算不考虑地下水流的影响；水土之间的热动态平衡瞬时发生，土体骨架为周围水在同一时刻具有相同温度。
2.2 参数选取
根据核桃峪井检孔提供的水文地质资料，核桃峪井筒围岩主要为松散岩与碎屑岩沉积岩层，模拟所采用的土层参数如表1所示。土体中水结冰释放潜热模拟主要通过赋予土体在相变区间的焓值来实现。在本文中土体相变区间取[-1.5 ℃,0 ℃]，潜热取1.5×105kJ/m3。
表1 砂岩热物理参数
2.3 数值分析
图4为冻结30 d,60 d,90 d,120 d时井筒冻结温度场扩展分布情况。可以看出冻结初期，冻结管与周围土体热交换明显，冻结管周围土体降温迅速，冻土圆柱逐渐向外扩展迅速；冻结中后期，土体热交换趋向平衡，土体降温较为平缓；以井筒中心为起点，冻土发展速度沿径向内侧最快。冻结30 d时，冻结壁总厚度达1.3 m，以井筒中心为起点，冻结壁沿径向内、外分别扩展了约0.7 m,0.6 m；冻结60 d时，冻结壁总厚度达2.4 m，以井筒中心为起点，冻结壁沿径向内、外分别扩展了约1.3 m,1.1 m；冻结90 d时，冻结壁总厚度达3.5 m，以井筒中心为起点，冻结壁沿径向内、外分别扩展了约1.9 m，1.6 m；当井筒冻结120 d时，冻结壁总厚度达4.5 m，以井筒中心为起点，冻结壁沿径向内、外分别扩展了约2.5 m,2 m。可以看出冻结120 d时，冻结壁厚度已基本满足设计要求。
图5为测温点T2随温降曲线。从图5中可以看出，冻结初期，井筒温度梯度较大，冻结前60 d，2号测温孔的温降速度约为0.4 ℃/d；60 d～90 d时，温降速度约为0.2 ℃/d；90 d～120 d时，温降速度约为0.07 ℃/d；这是由于冻结管初期，土体为冻结管之间热交换迅速，温降速率快；随着冻结时间的增加，土体与冻结管热交换逐渐趋于平衡，故温降曲线的斜率逐渐变缓直至消失。
3 结语
1)冻结90 d时冻结壁厚度约为3.5 m，冻结120 d时，冻结壁厚度约为4.5 m；冻土平均发展速度约为37.5 mm/d。
2)在此冻结方案下，冻结120 d时，冻结壁厚度满足设计要求，由于冻土发展速度较快，在冻结中后期需要开启温控孔以控制冻结锋面到井壁的距离，减弱冻土冻胀压力对井筒的作用。
