基于有限元计算的西部立井冻结调控分析

由于特殊的地质条件,西部地区建井一般采用冻结法施工,在施工过程中,冻结调控十分重要,适当的调控措施可以保证冻结壁厚度和井帮温度满足施工要求。西部矿井的冻结调控与东部有明显的差异,目前缺少对西部地区冻结调控的研究。为研究冻结调控对西部地区立井温度场的影响,本文运用有限元分析软件,结合文家坡矿李家沟回风立井井筒白垩系地层的实际工况,分析冻结调控对立井温度场的影响,并给出具体调控方案。结果表明,通过适当的调控措施,可以有效减缓井帮温度的降低,浅部地区井帮温度提高了3℃左右,深部地区最大提高了6℃;冻结壁厚度也不同程度地降低,降幅在0.1~1.7 m左右,在保证冻结壁厚度、强度和井帮温度满足井筒安全的前提下,大大加快了施工速度,节省了工期和建井成本。

深厚冲积层冻结孔布置分类技术对冻结调控的影响

冻结孔布置方式不仅决定了能否按期形成设计所需的冻结壁有效厚度和平均温度,还会影响冻结法凿井的速度、安全和施工成本。不合适的布置方式甚至会成为冻结法凿井的安全隐患,因此冻结孔布置方式及其冻结壁形成特性一直是冻结法凿井的理论和技术研究热点和难点。提出深厚冲积层冻结孔按主冻结孔、辅助冻结孔、防片冻结孔3类功能分类设计和布置,可较好地解决主冻结孔及冻结壁主体结构的安全和稳定;根据冻结壁厚度需要及冻结时间均匀布置辅助孔,可明显减少辅助孔数量,提高冻结壁的均匀性和稳定性;根据挖掘荒径变化布置多圈防片孔,可提高冻结调控的灵活性和效果。工程实践表明:以外圈为主冻结孔的布孔方法,有利于主冻结孔和整体冻结壁的安全稳定,可减少冻结孔数量、钻孔工程量、冻结需冷量,提高了冻结的可调性和调控效果,推荐为深厚冲积层冻结孔布置方式的首选。合理的冻结孔布置可为冻结壁安全稳定及冻结调控打下良好的基础,施工过程中通过建立冻结壁形成特性实测分析、工程预报与冻结调控的机制,定期对冻结壁有效厚度、平均温度和井帮温度发展趋势进行分析和预测,提前对防片孔和辅助孔盐水流量、温度进行调控,甚至停止盐水循环,能有效控制井帮温度及冻土扩入荒径量,为掘砌施工创造良好条件。国内外冲积层厚度最大之一的赵固二矿西风井通过采用以外圈为主冻结孔的布孔方式,总的冻结孔数、冻结钻孔工程量、冻结需冷量均显著降低,且冻结壁内部温度和强度的均匀性更好;结合黏性土层井帮稳定性观测,通过主动调控,实现400 m以深井帮温度还可略高于设计调控目标,635 m以深井帮温度接近设计调控目标,冻结壁厚度和平均温度始终满足设计要求,冲积层深部黏性土层井帮温度控制在-11℃以上,砂性土层井帮温度在-13℃以上;冲积层的冻结壁稳定性良好,冻掘配合好,冲积层深部外壁掘砌速度基本维持在75~80 m/月,冲积层段外壁平均掘砌速度为87.1 m/月,冻结段外壁平均掘砌速度为82.1 m/月。

冻结壁形成特性预报与冻结调控机制在赵固二矿西风井中的应用

赵固二矿西风井井筒穿过冲积层厚704.6m,是我国第四个穿过700m冲积层的井筒。砂性土层最深控制层位冻结壁设计厚度10.3m,平均温度-21.5℃;粘性土层最深控制层位冻结壁设计厚度9.9m,平均温度-19.0℃,掘进模板段高2.5m。调控实现不同层位冻结壁设计厚度、平均温度、井帮温度,不仅能检验冻结方案设计的科学合理性,还对该井冻结段安全经济、快速施工具有重要意义。本文介绍了该井开展冻结壁形成特性实测分析、工程预报及对冻结过程调控,实现了冻结壁设计指标,取得超700m深厚冲积层冻结段安全快速施工成功案例。

深立井冻结需冷量设计计算优化方法

为了研究西部白垩-侏罗系地层井筒需冷量计算公式,研究冻结深度和冻结管圈径和井筒需冷量之间的关系,以文家坡煤矿冻结工程为背景,建立有限元模型,导出单根冻结管的热流量,计算井筒所需冷量,并通过数值计算分析得到回归方程。得出深度和圈径与需冷量呈正相关关系,拟合方程所得到的冷量更加节约且满足需求,为冷量控制提供参考。

冻结壁形成特性综合分析方法在深井冻结精准调控中的应用

冻结壁形成特性的精准预测预报与调控技术是深井冻结法凿井的重大技术难题之一。针对赵固二矿西风井深厚冲积层冻结过程更为复杂的调控情形,为了实现冻结壁形成特性精准预测预报和调控,科学指导冻结与掘砌施工,提出应用冻结壁形成特性综合分析方法,通过细化分解每日盐水运动状态因子,使其转化为动态的分析方法;引入等效冻结时间新概念,保持了综合分析方法的快捷分段计算;通过等效冻结时间应用的不断分析、调整,使复杂调控的冻结壁形成特性分析结果更接近于工程实际。应用表明,可实现实施的冻结壁有效厚度与设计的冻结壁有效厚度偏差小于2%,实施的冻结壁有效平均温度与设计的冻结壁有效平均温度偏差小于1℃,实施的井帮温度与设计的井帮温度偏差小于2℃。形成的冻结壁形成特性动态综合分析方法可精准实施冻结调控,满足快速施工的要求,为我国深厚冲积层冻结法凿井工程冻结壁形成特性的精准预测预报与调控提供了成功的经验。