井筒冻结圈出现冻结“窗”的原因与处理

新集二矿井筒冻结段挖掘中,由于出现冻结“窗”,其冻结圈内水文观测孔发生出水后,采用不同的方法查出原因,通过处理,重新冻结交圈,保证了井筒挖掘安全。

基于多跨单向板力学模型的管幕冻结法隧道初期支护参数优化方法

管幕冻结法是一种在复杂水文条件下能够较好地控制地层沉降和涌水风险的新型工法,目前在管幕冻结法隧道设计中未考虑管幕-冻结圈承载力与隧道初期支护承载力的匹配问题,导致初期支护设计偏保守,使得初期支护钢架布置密,施工效率低,因此,需要进行初期支护优化研究。以隧道下穿秦淮新河段为依托工程,首先基于多跨单向板力学模型考虑等距钢架对上部冻结圈的支撑作用,求解组合结构内力;其次按照组合梁模型求解组合结构应力,并按照强度控制计算最大允许钢架间距;最后采用数值模拟,对初期支护参数优化进行研究。结果表明:本工程中最大允许钢架间距由中性轴以下部分混凝土强度控制,为2~3 m;拱架刚度对衬砌变形及应力影响较大,提升拱架刚度对于改善初期支护应力状态具有良好效果;综合考虑冻结圈和衬砌的变形和应力,得到适用于本工程的初期支护优化参数。

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀力演化规律研究

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀演化机制是影响其运营安全的关键科学问题。为探究冻结圈围岩的冻胀力演化规律,开展含水围岩低温冻结作用下三维地质力学缩尺模型试验;采用环境冷气进入洞内降温的方式,模拟隧道洞口段围岩温度场分布特征;利用微型压力传感器对含水围岩在低温冻结过程中的冻胀力进行实时动态监测,以获取不同含水率和冻结圈厚度围岩下的冻胀力时空演化曲线。采用多元回归分析方法,建立围岩冻胀率、冻结圈厚度与含水率等参数的拟合计算式;据此建立平面应变状态下考虑围岩含水率和围岩比重指标的冻结圈围岩冻胀力理论解。采用热应力方法模拟冻胀力演化特征,对冻胀力的理论计算值和模型试验测试值进行对比分析,进一步验证试验方法和理论解的合理性。研究结果表明:围岩温度场呈三阶段变化特征以及类似带柄状“正勺”形状分布规律;含水围岩温度场的下降阶段呈非线性分布特征;围岩温度表现出滞后于环境温度变化的趋势。不同含水率和冻结圈厚度下的冻胀力演化规律曲线形态类似,表现为孕育-发展-稳定变化特征。冻胀力理论解与现场实测数值偏差19.7%,与数值解、试验值偏差均在0~20%之间,所提出的冻胀力理论计算方法可为围岩含水率为0~60%范围和冻结圈厚度为0~8.0 m范围冻胀力取值提供参考。研究结论可为寒区富水隧道冻结圈围岩的冻胀力设计及预测研究提供支持。

环形单圈管冻结稳态温度场解析解

人工地层冻结技术被广泛应用于地下工程施工中。冻结温度场的计算是人工冻结法理论研究的基础,也是冻结施工设计的重要依据。人工地层冻结施工常使用环形单圈冻结管冻结,而至今尚无关于其温度场的解析解。基于水-热异类相似原理,根据传热过程与地下水流动相似的特点,利用保角映射、汇源反映和势函数叠加原理,类比推导了环形单圈冻结管稳态温度场解析解,并用热学数值模拟方法加以验证,同时提出了简化的解析公式。结果表明,解析解计算结果与数值模拟结果较吻合,其简化公式得到的结果与原解析公式基本一致。在解析公式的基础上,经过简化,反推得到外部冻结壁厚度公式。解析解、简化公式以及厚度公式可为环形单圈冻结施工与设计提供理论的依据与指导。

多圈管冻结壁形成和融化过程冻胀力实测研究

为获得多圈管冻结壁形成与融化过程中冻结壁内部冻胀力发展特性和孔隙水压力变化规律,进而分析冻结壁力学性态及安全性,在淮南某煤矿开展了冻结壁冻融过程中内、外部冻胀力和孔隙水压力的现场实测研究.实测结果表明:在地层冻融过程中,冻结壁内、外部形成了不均匀的冻胀应力,测试地层最大冻结压力达6.0 MPa,为初始地压的2.4倍;当井筒开挖至测试层位时地层冻结压力呈线性降低;随着浇筑外层混凝土井壁,冻结压力又有回升,当冻结壁融化后地层冻胀力为零,井壁恢复受水土压力作用.孔隙水压力变化经历了静止孔隙水压力和冻结过程的超静孔隙水压力两个阶段,超静孔隙水压力达到4.0 MPa,约为静止孔隙水压力的2.0倍.

多圈管冻结模型试验及水热耦合数学模型研究

根据相似理论推导出人工冻结温度场和水分场模型试验相似准则。以淮南某煤矿风井井筒工程条件为背景，进行了人工多圈管冻结模型试验，获得冻结壁形成过程中，温度场和水分场的变化规律；证实了温度梯度是引起人工正冻土中水分迁移的主要原因，推导了水热耦合控制微分方程。研究结果表明：位于冻结锋面处水分迁移最激烈；在冻结区内水分不发生迁移；冻结壁内部含水量为非均匀，靠近冻结管位置含水量增加，两圈冻结管之间水分迁移量最大，达到7％～10％；内圈冻结管和外圈冻结管含水量增加8％～12％。

多圈管冻结凿井冻结壁形成特性

采用数值分析方法,研究了2圈和3圈冻结管方案下冻结壁厚度及温度变化规律,着重分析了辅圈对冻结壁形成特性的影响。结果表明,冻结早期,3圈中辅圈能显著提高冻结壁厚度增长速率和降低冻结壁平均温度;辅圈对冻结壁最终厚度和平均温度影响较小;辅圈可加快井帮冻结,对井心温度影响较小。

环形单圈管冻结稳态温度场一般解析解

隧道联络通道和矿山竖井冻结法施工经常采用环形布置冻结管。对于环形布管冻结温度场的解,目前仅有冻结圈内完全冻实的单圈管冻结温度场解析解,但现实冻结工程中,内部通常是未冻实的。首先应用保角变换将环形单圈管冻结模型变换为易于求解的特殊的直线型排布的模型,再结合调和方程的边界条件可分离的性质,将问题分解为单排问题和线性温度场问题,最后完成单圈管冻结圈内未冻实的温度场解析解。热力学数值模拟计算对解析解的验证结果表明:在冻土帷幕充分交圈后,数值模拟结果和解析解结果基本一致,得到的解析解具有较高的精度。同时本文解析解也适用于冻结圈内完全冻实的温度场。

冻结井筒水文孔异常冒水原因分析与冻结壁交圈判断方法

针对淮南矿区6个改扩建冻结井筒在水文观测孔刚施工结束,还未送冷,水文孔就出现异常冒水现象,采用模型试验、数值模拟和工程实践相结合的方法,对水文孔异常冒水原因与冻结壁交圈判断条件进行了分析研究。结果表明:由于6个井筒均采用"上冻下注"法凿井,下部基岩段注浆与上部冲积层段冻结同时施工,地面预注浆压力很大,造成基岩裂隙水压升高,通过弱透水层发生越流作用,对松散含水层进行补给;随着注浆量的不断增加,该松散含水层水位不断上升,直至从水文孔冒出,从而找出了水文孔异常冒水的原因。并通过进一步研究,提出了该种情况下的冻结壁交圈判断标准,并得到工程实践验证,确保了冻结井筒安全施工。

多圈管冻结模型试验水热力分析研究

人工多圈管冻结过程中的温度场、应力场及水分场的相互作用,是一个非线性多场耦合问题,影响因素多.本文以淮南顾北矿作为模型设计原型,通过模型试验对多圈管冻结土体过程的温度场、应力场及水分场变化进行研究,获得了冻结温度场、冻结压力及含水量随冻结时间的变化规律,其成果对建立水热力耦合数学模型提供可靠依据并能更好的指导矿井工程实践.

冻结孔布置圈径的统计回归计算

分析了冻结法凿井冻结孔布置圈径的影响因素，主要因素归结为井筒的净直径和冻结深度。结合工程实际，回归出冻结深度在３００ｍ以上的冻结孔布置圈径的计算公式：Ｄ＝－２．９６７＋２．２３５Ｈ／１００＋１．６５２ｄ。

深厚砂黏分界处不同工况下多圈管冻结温度场特性

多圈管冻结壁设计方案是解决深冻结问题的有效方法,为研究深厚砂黏层分界处不同工况下多圈管冻结温度场特性,采取分界处原黏性土XRD试验结果,利用ANSYS数值模拟冻结三圈管,对比分析了细砂土与膨胀性黏土在冻结管偏斜与不偏斜工况下温度场冻结壁形成与发展特性。研究表明:多圈管不偏斜冻结,细砂层与膨胀性黏土层冻结壁温度场均呈规则、对称、有序发展,主冻结中圈管间、内圈管间、中-内圈管间、中-外圈管间、外圈管依次形成交圈过程,随着冻结时间增加,中-内圈、中-外圈管间冻结温度由抛物线型发展为梯形降温形状,且温差减少,内、外圈管外侧呈倒八字型发展形态,内圈管内侧降温效果明显好于外圈管外侧。偏斜时,冻结壁温度场交圈降温不规则,冻结冷锋交圈叠加具有随机性和离散性。膨胀性黏土冻结壁形.成时间严重滞后,偏斜、土性差异对冻结壁温度影响均较大,偏斜对膨胀性黏土影响尤其明显,与某矿冻结法凿井在地层-400 m以.上砂黏分界处发生的多根冻结管断管事件较为吻合,研究成果可以为类似深层矿井冻结施工提供参考。

基于组合赋权-灰色关联度法的冻结法凿井三圈管布置方案优化

针对特厚冲积层冻结法凿井多圈管布置设计难题,以两淮矿区丁集煤矿二副井冻结工程为背景,基于组合赋权理论和灰色关联度法对三圈管冻结方案进行优化设计。依据工程地质条件和冻结法凿井设计原理,采用ANSYS数值分析软件,构建了对应的冻结温度场分析模型;基于组合赋权-灰色关联度法,采用正交分析方法研究外排孔、中排孔圈径及孔间距对冻结壁温度场的影响。结果表明,外排孔圈径和孔间距对井帮温度、冻结壁厚度及冻结壁平均温度影响较大。结合冻结管施工特点,确定三圈冻结管优化布置方案为:中排孔圈径为23.5 m、孔间距为1.34 m;外排孔圈径为31.2 m、孔间距为1.75 m;数值分析预测值与现场监测结果较为一致,从而证明了数值分析模型的合理性。

事故井冻结壁交圈判定依据分析

结合工程实际,对国内煤矿立井冻结壁窗口处理方法进行了分析研究,提出了判断冻结壁是否交圈的新方法。即在工作面做止水垫注浆堵水,设置水文孔并结合冻结器纵向测温数据进行判断。该方法应用于事故井筒塔什店煤矿副井冻结壁交圈情况判断,收到预期效果。

非均质多圈管冻结壁三场耦合数值模拟研究

本文主要应用冻土耦合基本理论以及考虑冻土的流变性和非均质性,采用ADINA非线性有限元软件,根据模型试验的条件建立数值计算模型并设立计算边界条件,分析了非均质冻结壁冻结温度场、水分场和冻结应力场的发展特性,结果表明:①各圈管不同位置冻结主面温度呈现不同的分布形式;②温度梯度是影响水分迁移的主要因素;③冻土的冻结应力在冻结管处最大,在冻结管的两侧呈抛物线形状衰减趋势。

丁家梁煤矿主井冻结壁交圈分析

丁家梁煤矿主井冻结施工期间,水文孔水位呈非常态变化,不能直观反映冻结壁交圈时间。针对这一问题,在分析测温数据的基础上,对水文孔水位、水压及出水量大小变化等情况进行分析,确定了冻结壁交圈时间;而后通过对冻结器纵向温度观测,来验证冻结壁交圈,为井筒安全掘砌提供了科学依据。

煤矿立井井筒双圈管冻结不同地层冻结效果研究

以淮北某矿副井立井井筒双圈管冻结为工程实例,基于现场冻结孔实际成孔位置,选取现场细砂、粘土和钙质粘土三种不同土性的地层为研究对象,利用有限元数值计算软件COMSOL MULTIPHYSICS研究三种不同土性地层的冻结效果。研究结果表明:细砂层位冻结壁先交圈,粘土层位次之,钙质粘土层位最后交圈;冻结壁交圈以后,细砂层位冻结壁平均扩展速率最快,约为3.30 cm/d,粘土层位次之,约为2.73 cm/d,钙质粘土最慢,约为2.67 cm/d;冻结相同时间时,钙质粘土层位冻结壁平均温度最低,粘土层位次之,细砂层位最高。研究结果可为类似冻结工程分析冻结壁温度场发展情况以及确定加强冻结方面提供参考。

冻结壁不交圈的处理措施及原因分析

近年来,各大城市轨道交通工程得到大力发展,在含水地层中,冻结法在地铁工程的应用也越来越广泛。本文通过工程实例,对地铁区间联络通道冻结法施工的开挖条件进行阐述,同时针对冻结壁不交圈问题的原因进行了分析,对采取的处理措施及效果进行介绍。

多圈管冻结壁水热时空分布数值模拟研究

通过建立正冻非饱和土水热耦合方程。对COMSOL Mutiphysics软件进行二次开发,实现多圈管冻结的水热耦合数值仿真。通过数值模拟研究得出不同时间冻结壁.温度场和水分场的发展情况,并与现场数据对比,结果表明正冻非饱和土水热耦合模型可以用于描述不同时空多圈管冻结过程中的水热分布:通过对数值模拟,得出多圈管各冻结特征点处水热-时间关系和不同时间主界面温度和冰水质量发展情况。

深厚冲积层立井冻结井筒井帮温度调控及效果分析

针对深厚冲积层地区立井井筒冻结中井帮温度偏低的问题,以某风井井筒冻结为例,根据该井筒所处地层以黏性土为主、地下水流速大等特点,进行了外圈孔为主冻结孔的冻结方案设计。采用井帮温度预测值比对方式,采取了调节盐水温度,提前开、停内圈盐水循环,间歇循环等手段,将冲积层段的井帮温度控制在不低于-12℃,取得了较好的效果。在井筒掘进期间进行的井帮位移监测结果表明,当模板高度不高于4 m、单个循环段高掘砌时间不超过32 h时,单侧井帮位移平均值不大于26.5 mm;当单个循环段高掘砌时间从32 h延长至34 h后,约有22%的井帮单侧位移量超过50 mm。