基于ANSYS的斜井冻结施工数值模拟的研究

王乔磊

(河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454003;霍州煤电吕临能化煤电综合项目部，山西 霍州 033200)

国外采用冻结法凿井较多的国家有英国、德国、波兰、前苏联等，这些国家技术相对成熟，凿井深度均超450 m，但它们多为含水量多、地压大的基岩地区，然而深井冻结施工工程，特别是对深厚冲积层进行施工不多见［1］。

本文采用ANSYS软件对霍州煤电庞庞塔矿井冻结法施工进行模拟，其中，施工过程中每个节点的温度及热物理参数，利用有限元分析法便可进行计算。

1 多排管冻结情况下温度场规律的研究

对以单、双排管冻结温度场的研究为基础发展起来的多排管冻结温度场进行研究时［2］，首先需要将管道在不同地点布置，然后分析中排与外1排之间、外1排与最外排之间等位置的温度场与盐水温度、间距、排距间等影响因素之间的关系，得到影响冻结壁形成的上述各因素的规律，进而引导设计。

1.1 ANSYS环境下冻结区域的网格划分

网格划分以平面三角形为单元的形式进行，将网格最密集的地方布置在冻结管区域，预测的冻结区较密，而较稀疏的地方布置在外边界处。冻结温度场计算网格划分图见图1。

1.2 多排管冻结温度场相互影响规律研究

冻结管周围的土性参数、布置方案对多排管冻结温度的计算有着重要影响，对于各自的排距、间距等各取5个水平，其所取的排距、间距及其对应的盐水温度、导热系数对照表见表1。

图1 冻结温度场计算网格划分图

表1 计算中各因素水平取值表

2 斜井底部冻结温度场的模拟

斜井冻结段的温度变化规律可总结为两点:一是深度方向向下发展的冻结壁厚度远小于向上发展的冻结壁厚度;二是排外远小于排内的发展速度［3］。

冻结管的布置方式、含水率、土层的热物理参数、盐水温度、初始地温等因素明显影响着底部冻结的温度场。为研究典型参数下底部冻结温度场的发展情况，下面以管道下部的土层与冻结段的一半为基础，在ANSYS环境中建立模型来分析。

2.1 计算模型的建立

以布置管道所在区域的下半部分和下部土层为基础建立模型，建好的几何模型见图2［4］。

图2 几何模型图

在ANSYS环境中运用扫掠命令对模型进行划分，注意应先对模型的顶面以平面单元划分，直到满足要求;然后将完成网格划分的顶面作为“源”面，沿垂线向下划分成体单元［5］。为提高计算精度应将布置冻结管的地方加密，划分的整体网格图见图3，其局部放大图见图4。

图3 数值模拟网格整体图

图4 数值模拟网格局部图

2.2 计算结果的分析

为了研究底部冻结温度场的发展规律，在ANSYS软件的通用后处理命令中定义了9条路径。路径具体位置示意图见图5。

图5 路径的具体位置图

对得到的结果从时空两方面进行分析，发现冻结壁的发展是参差不齐的，具体情况如下:

1)在冻结前期时，冻结管同一排轴、界面交点下部冻结壁厚度小于下部冻结壁厚度，这是因为冻结初期冻结壁还来不及交圈，所以轴、界面交点下部冻结壁厚度为0。

2)在冻结中期时，同排冻结管下部冻结壁发展较慢，其发展速度远小于轴、界面交点下部冻结壁厚度。

3)由图5可知，在冻结中后期中排管轴、界面交点下部冻结壁厚度小于中排冻结管下部冻结壁厚度;同排管轴、界面交点下部冻结壁厚度大于外1排和最外排管下部冻结壁厚度。

3 不同冻结壁厚度的力学与变形特征模拟

3.1 力学计算模型的建立

本文根据冻结施工的实际条件建立数学计算模型，其周围边界设定的条件如下［6］:

1)将煤层上覆岩层的重量μ定义为模型的上边界，其计算公式如下:

式中:

η—上覆岩层每立方所受力，kN/m3;

L—煤层的厚度，m。

2)将底板定义为模型的下边界，并将底板简化为x方向能够移动;y方向用固定铰支座固定的形式，即y方向速度为0。

3)将实体煤岩体定义为模型的两侧边界，并将实体煤岩体简化为y方向能够移动;x方向用固定铰支座固定的形式，即x方向速度为0。建立的力学计算模型见图6。

图6 力学计算模型图

3.2 计算方案分析

本文采用以下三种方案分析了厚度对温度场的影响，其方案如下［7］:

方案1:无冻结施工;方案2:冻结壁的平均冻结温度为－9℃，冻结厚度为3 m;方案3:冻结壁的平均冻结温度为－9℃，冻结厚度为5 m。

3.3 计算结果分析

在无冻结施工情况下，其顶板下沉量为1.4 m左右;当冻结厚度为3 m，其顶板下沉量为0.94 m左右;当冻结厚度为5 m，其顶板下沉量为0.73 m左右，冻结壁厚度与顶板下沉关系曲线见图7。

图7 冻结壁厚度与顶板下沉关系曲线示意图

在无冻结施工情况下，其围岩垂直应力为0.77 MPa;当冻结厚度为3 m，其围岩垂直应力为1.52 MPa;当冻结厚度为5 m，其围岩垂直应力为1.22 MPa，冻结壁厚度与围岩垂直应力关系曲线见图8。

图8 冻结壁厚度与围岩垂直应力关系曲线图

ANSYS环境下三种工况下的井筒变形云图见图9～11。

图9 无冻结壁时井筒变形云图

图10 冻结壁厚度为3 m时井筒变形云图

图11 冻结壁厚度为5 m时井筒变形云图

4 结语

本文遵循由简入繁的研究思路，对影响冻结温度场的因素进行了分析，得出了以下主要结论:

1)底部冻结温度场从时空两方面上来说都是不均匀的，各个位置的冻结壁平均温度、冻结壁向下发展的厚度都不同。

2)影响冻结温度场的三个主要因素分别为:盐水温度、冻结管间距与冻结时间。

上述针对斜井冻结施工过程的模拟分析，过程较为详细，可为今后冻结施工领域的研究与探索提供一定的帮助。

［1］苏乐斌.斜井冻结技术在庞庞塔矿千万吨项目部斜井施工中的应用［J］.中国煤炭工业，2012(7):56－59.

［2］李 林，徐兵状，赵根全，等.冻结法凿井中局部冻结技术对已成井壁保护的温度场分析［J］.煤炭工程，2012(2):27－29.

［3］王晓健，程 桦，姚直书，等.特厚冲积层矿井竖向局部保温冻结技术研究与应用［J］.煤炭工程，2009(7):70－80.

［4］薛玉庭，李向阳，陈阳光.井筒冻结法施工的常见问题及防治措施［J］.中国西部科技，2009(10):56－59.

［5］许舒荣，李长忠，赵根全，等.快速高效冻结技术在立井井筒冻结施工中的应用［J］.建井技术，2007，28(5):17－19.

［6］靳巍巍，陈有亮.隧道冻结法施工三维有限元温度场及性状分析［J］.地下空间与工程学报，2007(05):35－38.

［7］王祥玉.冻结法施工的立井井壁结构探讨分析［J］.煤炭技术，2008(07):40－43.