地下水滲流條件下深立井多圈管凍結(jié)方案優(yōu)化研究.pdf

1、人工地層凍結(jié)法是我國應(yīng)用最為廣泛的煤礦深立井特殊施工方法。在深厚表土層凍結(jié)法鑿井過程中，因地下水滲流速度大，而導(dǎo)致凍結(jié)壁遲滯形成和難以交圈的立井凍結(jié)工程事故時有發(fā)生，進而造成較大的經(jīng)濟損失。由此可見，地下水流速對深立井凍結(jié)壁溫度場的分布與形成具有重要影響。
　　淮南潘三礦新西風(fēng)井表土層采用凍結(jié)法施工，設(shè)計選用三圈管的凍結(jié)管布置方案，地下水最大流速達到7.96m/d，原凍結(jié)方案未考慮地下水滲流的影響，這無疑給該井筒的凍結(jié)法施工帶來一

2、定風(fēng)險。為此，本文基于凍結(jié)溫度場和滲流場的耦合數(shù)學(xué)模型，采用COMSOL Mutiphysics有限元程序，對地下水滲流條件下深立井凍結(jié)壁溫度場的分布與形成規(guī)律開展研究，在此基礎(chǔ)上，對潘三礦新西風(fēng)井多圈管凍結(jié)方案進行優(yōu)化。主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)針對潘三礦新西風(fēng)井原凍結(jié)方案，對0m/d、2m/d、4m/d、6m/d和8m/d五種地下水不同滲流速度下的多圈管凍結(jié)溫度場進行了數(shù)值模擬研究。無滲流(0m/d)和有滲流條件下的

3、凍結(jié)溫度場差異明顯，無滲流時，凍結(jié)溫度場、凍結(jié)壁整體呈對稱、均勻和規(guī)則狀，而有滲流時，凍結(jié)溫度場及井幫溫度呈現(xiàn)下游溫度低、上游溫度高、下游凍結(jié)壁厚度大、上游凍結(jié)壁厚度薄的現(xiàn)象。
　　(2)地下水不同滲流速度下的多圈管凍結(jié)溫度場計算結(jié)果表明，滲流速度越大，凍結(jié)溫度場越不規(guī)則。滲流速度越大，下游區(qū)域溫度越低，上游外圈、中圈凍結(jié)管之間區(qū)域溫度越高，凍結(jié)壁交圈時間越長。且在相同凍結(jié)時間內(nèi)，下游區(qū)域凍結(jié)壁厚度越小、凍結(jié)壁平均溫度越高，凍結(jié)壁

4、交圈時間隨地下水滲流速度的增大呈指數(shù)型增長。
　　(3)對潘三礦新西風(fēng)井原凍結(jié)方案中最外圈主凍結(jié)管進行了優(yōu)化，將左半圈均布的24個凍結(jié)孔加密6個增至30個均布凍結(jié)孔，凍結(jié)孔間距由1.674m減為1.34m。優(yōu)化方案的數(shù)值模擬結(jié)果表明，在現(xiàn)場地下水最大流速下，凍結(jié)壁交圈時間由原凍結(jié)方案的69d提前至44d;凍結(jié)140d后，凍結(jié)壁最小有效厚度增大了2.861m。優(yōu)化后的凍結(jié)方案滿足預(yù)期效果。
　　通過對原凍結(jié)方案的數(shù)值模擬分析、