多圈管凍結(jié)壁凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算研究.pdf

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1、80低溫建筑技術(shù)2011年筇11圳(總第161j9j)多圈管凍結(jié)壁凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算研究崔建軍《北京中煤礦山工程有限公司，北京100013)【摘要】采用數(shù)值計(jì)算方法研究了四圈管凍結(jié)壁發(fā)展與形成規(guī)律，得到了凍結(jié)壁內(nèi)溫度場(chǎng)的分布情況，計(jì)算結(jié)果為多圈管凍結(jié)工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考?！娟P(guān)鍵詞】多圈管；數(shù)值計(jì)算；溫度場(chǎng)【中圖分類(lèi)號(hào)】TU475．2【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【文章編號(hào)】100l一6864(2011)11—0080—02隨著淺埋深煤層的充分開(kāi)發(fā)，400m以內(nèi)表土覆蓋水分遷移對(duì)溫度場(chǎng)的影響。下的煤炭資源漸趨枯竭，大于400m表土覆蓋下的煤表l四圈管凍結(jié)凍結(jié)孔布置參數(shù)炭急待開(kāi)發(fā)，要克服深厚表土層巨大的水

2、土壓力及復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，凍結(jié)法是立井施工中最常用、最有效的方法。然而伴隨著表土厚度和凍結(jié)深度的增加，凍結(jié)管圈數(shù)由單圈變?yōu)?圈或更多，凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律也變得更加復(fù)雜。凍結(jié)溫度場(chǎng)是一個(gè)含有相變的溫度場(chǎng)，具有移動(dòng)的內(nèi)熱源和復(fù)雜的邊值條件，在整個(gè)地層的凍結(jié)過(guò)程中凍結(jié)溫度場(chǎng)隨時(shí)間和空問(wèn)而變化，是一個(gè)不穩(wěn)定溫度場(chǎng)。為掌握凍結(jié)壁的形成過(guò)程溫度場(chǎng)的發(fā)展?fàn)顩r，專(zhuān)家學(xué)者們展開(kāi)了大量的土層含水量結(jié)冰溫度比熱導(dǎo)熱系tt／w·13。?！科學(xué)研究工作，但目前研究普遍停留在單圈管凍結(jié)過(guò)性質(zhì)／％／℃kJ／kg～·K～一5℃一10℃一l5℃程的溫度場(chǎng)分析，對(duì)多圈管尤其是四圈管凍結(jié)壁粘土28—3．51．5889l-66

3、1．791．92溫度場(chǎng)的研究尚處于起步階段。本文以口孜東礦主井表土段凍結(jié)為原型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法模擬了四圈管1．3幾何模型及網(wǎng)格劃分凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，為多圈管凍結(jié)工程的設(shè)計(jì)在凍結(jié)壁向井外發(fā)展的過(guò)程中，井外降溫區(qū)的寬和施工提供參考。度不超過(guò)外圈凍結(jié)管外側(cè)凍結(jié)壁厚度E的5～8倍。1數(shù)值計(jì)算模型與方案在凍結(jié)工程施工中，在粘土中凍結(jié)壁向外發(fā)展的厚度1．1凍結(jié)參數(shù)選取一般不會(huì)超過(guò)3m，因此分析區(qū)域半徑取50m。(1)凍結(jié)管布設(shè)參數(shù)。以口孜東礦主井表土段1．4邊界條件及載荷凍結(jié)為原型，選取相應(yīng)的參數(shù)開(kāi)展數(shù)值計(jì)算，凍結(jié)方案土體的初始溫度為25℃；遠(yuǎn)端邊界為固定的的凍結(jié)管布設(shè)情況見(jiàn)表1，總凍結(jié)天數(shù)為3

4、60d。25；凍結(jié)管外壁溫度按圖l的降溫曲線賦值。(2)土層基本物理性質(zhì)及熱物理參數(shù)。凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展是一個(gè)非線性的瞬態(tài)問(wèn)題，其熱參數(shù)是隨l溫度變化而變化的，凍土的熱性能參選取見(jiàn)表2。I5010n102002503m3504l(3)凍結(jié)壁設(shè)計(jì)參數(shù)。井筒表■段最大掘進(jìn)荒徑＼＼12．55m。積極凍結(jié)期鹽水溫度為一34～一36。凍結(jié)壁＼＼＼～厚度l1．5m。設(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度為一l6～一18℃。?．．．．．．1．2模型的基本簡(jiǎn)化和假設(shè)凍結(jié)時(shí)間／d①不計(jì)凍結(jié)管的偏斜、土層性質(zhì)沿深度的變化，將圖1降溫曲線圖土層視為均質(zhì)導(dǎo)熱材料；②由于凍結(jié)管在豎直方向的尺寸較水平方向大得多，在豎直方向的熱傳導(dǎo)相對(duì)水2數(shù)

5、值計(jì)算結(jié)果分析平方向弱的多，故凍結(jié)溫度場(chǎng)可簡(jiǎn)化為平面導(dǎo)熱問(wèn)題，(1)特征點(diǎn)溫度隨H／'f~q的變化。選取井幫控制按平面問(wèn)題建模、劃分網(wǎng)格；③地層凍結(jié)降溫影響區(qū)僅點(diǎn)、輔助圈管軸線界面點(diǎn)、內(nèi)圈管軸線界面點(diǎn)、中圈管限于凍結(jié)壁外鋒面半徑的三倍范圍內(nèi)；④不考慮凍土軸線界面點(diǎn)、外圈管軸線界面點(diǎn)以及設(shè)計(jì)凍結(jié)壁外鋒崔建軍：多圈管凍結(jié)壁凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算研究8l面點(diǎn)，開(kāi)展溫度隨時(shí)間變化的分析，各特征點(diǎn)的具體布快，向外擴(kuò)展速度緩慢。四圈管凍結(jié)過(guò)程中，凍結(jié)管布置見(jiàn)圖2，特征點(diǎn)隨凍結(jié)時(shí)間的變化見(jiàn)圖3。置區(qū)域內(nèi)降溫速度快，凍結(jié)壁向內(nèi)擴(kuò)展速度較快，向外擴(kuò)展速度緩慢。前期降溫速度快，后期降溫速度慢。鋒面圖2四圈管凍結(jié)溫度

6、場(chǎng)特征點(diǎn)布置圖4路徑布設(shè)21＼、一l：：：：L__一；iI＼、．＼＼、一l-．T_：：：：【基、＼＼＼．—．—-1。J一*__^『、一—’—一．—～—～～贈(zèng)一3《、n]bn1’n1nlrd'va~，n’弓、n氣I露一15＼．_、j＼、＼、．——～＼、{棼-27、～-39凍結(jié)時(shí)間，d圖3特征測(cè)點(diǎn)溫度隨凍結(jié)時(shí)間變化圖5不同時(shí)刻路徑上的溫度由圖3可知：四圈管凍結(jié)中，最先交圈的是中圈，3結(jié)語(yǔ)交圈時(shí)間為50d左右，隨后是外圈管，交圈時(shí)間為75d四圈管凍結(jié)中，中圈最先交圈，隨后依次是外圈、內(nèi)左右，然后是內(nèi)圈，交圈時(shí)間為105d左右，最后是輔助圈和輔助圈，這種交圈順序的凍結(jié)壁由中圈向內(nèi)、外圈圈，交圈時(shí)間為

7、190d左右。凍結(jié)壁由中圈向內(nèi)、外圈方向發(fā)展，有利于凍脹力的釋放。四圈管凍結(jié)中，凍結(jié)方向發(fā)展，有利于凍脹力釋放。到270d時(shí)，井幫溫度壁在凍結(jié)管布置圈徑范圍內(nèi)降溫速度較快，向外(凍結(jié)達(dá)冰點(diǎn)，到設(shè)計(jì)時(shí)間360d時(shí)，設(shè)計(jì)凍結(jié)壁外封面溫度壁設(shè)計(jì)外緣)發(fā)展速度較慢，由于輔助圈的存在，向內(nèi)剛好低于冰點(diǎn)，此時(shí)井幫溫度為一12．13℃，輔助圈軸(井心方向)發(fā)展速度較快。四圈管凍結(jié)過(guò)程中，在凍結(jié)線界面溫度為一21．51oC，