地下水滲流條件下深立井多圈管凍結方案優(yōu)化研究.pdf

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

2、定風險。為此，本文基于凍結溫度場和滲流場的耦合數學模型，采用COMSOL Mutiphysics有限元程序，對地下水滲流條件下深立井凍結壁溫度場的分布與形成規(guī)律開展研究，在此基礎上，對潘三礦新西風井多圈管凍結方案進行優(yōu)化。主要研究內容和成果如下:
　　(1)針對潘三礦新西風井原凍結方案，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溫度場進行了數值模擬研究。無滲流(0m/d)和有滲流條件下的

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

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