基于ANSYS的斜井凍結(jié)施工數(shù)值模擬的研究

王喬磊

(河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003;霍州煤電呂臨能化煤電綜合項目部，山西 霍州 033200)

國外采用凍結(jié)法鑿井較多的國家有英國、德國、波蘭、前蘇聯(lián)等，這些國家技術(shù)相對成熟，鑿井深度均超450 m，但它們多為含水量多、地壓大的基巖地區(qū)，然而深井凍結(jié)施工工程，特別是對深厚沖積層進行施工不多見［1］。

本文采用ANSYS軟件對霍州煤電龐龐塔礦井凍結(jié)法施工進行模擬，其中，施工過程中每個節(jié)點的溫度及熱物理參數(shù)，利用有限元分析法便可進行計算。

1 多排管凍結(jié)情況下溫度場規(guī)律的研究

對以單、雙排管凍結(jié)溫度場的研究為基礎(chǔ)發(fā)展起來的多排管凍結(jié)溫度場進行研究時［2］，首先需要將管道在不同地點布置，然后分析中排與外1排之間、外1排與最外排之間等位置的溫度場與鹽水溫度、間距、排距間等影響因素之間的關(guān)系，得到影響凍結(jié)壁形成的上述各因素的規(guī)律，進而引導(dǎo)設(shè)計。

1.1 ANSYS環(huán)境下凍結(jié)區(qū)域的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分以平面三角形為單元的形式進行，將網(wǎng)格最密集的地方布置在凍結(jié)管區(qū)域，預(yù)測的凍結(jié)區(qū)較密，而較稀疏的地方布置在外邊界處。凍結(jié)溫度場計算網(wǎng)格劃分圖見圖1。

1.2 多排管凍結(jié)溫度場相互影響規(guī)律研究

凍結(jié)管周圍的土性參數(shù)、布置方案對多排管凍結(jié)溫度的計算有著重要影響，對于各自的排距、間距等各取5個水平，其所取的排距、間距及其對應(yīng)的鹽水溫度、導(dǎo)熱系數(shù)對照表見表1。

圖1 凍結(jié)溫度場計算網(wǎng)格劃分圖

表1 計算中各因素水平取值表

2 斜井底部凍結(jié)溫度場的模擬

斜井凍結(jié)段的溫度變化規(guī)律可總結(jié)為兩點:一是深度方向向下發(fā)展的凍結(jié)壁厚度遠小于向上發(fā)展的凍結(jié)壁厚度;二是排外遠小于排內(nèi)的發(fā)展速度［3］。

凍結(jié)管的布置方式、含水率、土層的熱物理參數(shù)、鹽水溫度、初始地溫等因素明顯影響著底部凍結(jié)的溫度場。為研究典型參數(shù)下底部凍結(jié)溫度場的發(fā)展情況，下面以管道下部的土層與凍結(jié)段的一半為基礎(chǔ)，在ANSYS環(huán)境中建立模型來分析。

2.1 計算模型的建立

以布置管道所在區(qū)域的下半部分和下部土層為基礎(chǔ)建立模型，建好的幾何模型見圖2［4］。

圖2 幾何模型圖

在ANSYS環(huán)境中運用掃掠命令對模型進行劃分，注意應(yīng)先對模型的頂面以平面單元劃分，直到滿足要求;然后將完成網(wǎng)格劃分的頂面作為“源”面，沿垂線向下劃分成體單元［5］。為提高計算精度應(yīng)將布置凍結(jié)管的地方加密，劃分的整體網(wǎng)格圖見圖3，其局部放大圖見圖4。

圖3 數(shù)值模擬網(wǎng)格整體圖

圖4 數(shù)值模擬網(wǎng)格局部圖

2.2 計算結(jié)果的分析

為了研究底部凍結(jié)溫度場的發(fā)展規(guī)律，在ANSYS軟件的通用后處理命令中定義了9條路徑。路徑具體位置示意圖見圖5。

圖5 路徑的具體位置圖

對得到的結(jié)果從時空兩方面進行分析，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁的發(fā)展是參差不齊的，具體情況如下:

1)在凍結(jié)前期時，凍結(jié)管同一排軸、界面交點下部凍結(jié)壁厚度小于下部凍結(jié)壁厚度，這是因為凍結(jié)初期凍結(jié)壁還來不及交圈，所以軸、界面交點下部凍結(jié)壁厚度為0。

2)在凍結(jié)中期時，同排凍結(jié)管下部凍結(jié)壁發(fā)展較慢，其發(fā)展速度遠小于軸、界面交點下部凍結(jié)壁厚度。

3)由圖5可知，在凍結(jié)中后期中排管軸、界面交點下部凍結(jié)壁厚度小于中排凍結(jié)管下部凍結(jié)壁厚度;同排管軸、界面交點下部凍結(jié)壁厚度大于外1排和最外排管下部凍結(jié)壁厚度。

3 不同凍結(jié)壁厚度的力學(xué)與變形特征模擬

3.1 力學(xué)計算模型的建立

本文根據(jù)凍結(jié)施工的實際條件建立數(shù)學(xué)計算模型，其周圍邊界設(shè)定的條件如下［6］:

1)將煤層上覆巖層的重量μ定義為模型的上邊界，其計算公式如下:

式中:

η—上覆巖層每立方所受力，kN/m3;

L—煤層的厚度，m。

2)將底板定義為模型的下邊界，并將底板簡化為x方向能夠移動;y方向用固定鉸支座固定的形式，即y方向速度為0。

3)將實體煤巖體定義為模型的兩側(cè)邊界，并將實體煤巖體簡化為y方向能夠移動;x方向用固定鉸支座固定的形式，即x方向速度為0。建立的力學(xué)計算模型見圖6。

圖6 力學(xué)計算模型圖

3.2 計算方案分析

本文采用以下三種方案分析了厚度對溫度場的影響，其方案如下［7］:

方案1:無凍結(jié)施工;方案2:凍結(jié)壁的平均凍結(jié)溫度為－9℃，凍結(jié)厚度為3 m;方案3:凍結(jié)壁的平均凍結(jié)溫度為－9℃，凍結(jié)厚度為5 m。

3.3 計算結(jié)果分析

在無凍結(jié)施工情況下，其頂板下沉量為1.4 m左右;當凍結(jié)厚度為3 m，其頂板下沉量為0.94 m左右;當凍結(jié)厚度為5 m，其頂板下沉量為0.73 m左右，凍結(jié)壁厚度與頂板下沉關(guān)系曲線見圖7。

圖7 凍結(jié)壁厚度與頂板下沉關(guān)系曲線示意圖

在無凍結(jié)施工情況下，其圍巖垂直應(yīng)力為0.77 MPa;當凍結(jié)厚度為3 m，其圍巖垂直應(yīng)力為1.52 MPa;當凍結(jié)厚度為5 m，其圍巖垂直應(yīng)力為1.22 MPa，凍結(jié)壁厚度與圍巖垂直應(yīng)力關(guān)系曲線見圖8。

圖8 凍結(jié)壁厚度與圍巖垂直應(yīng)力關(guān)系曲線圖

ANSYS環(huán)境下三種工況下的井筒變形云圖見圖9～11。

圖9 無凍結(jié)壁時井筒變形云圖

圖10 凍結(jié)壁厚度為3 m時井筒變形云圖

圖11 凍結(jié)壁厚度為5 m時井筒變形云圖

4 結(jié)語

本文遵循由簡入繁的研究思路，對影響凍結(jié)溫度場的因素進行了分析，得出了以下主要結(jié)論:

1)底部凍結(jié)溫度場從時空兩方面上來說都是不均勻的，各個位置的凍結(jié)壁平均溫度、凍結(jié)壁向下發(fā)展的厚度都不同。

2)影響凍結(jié)溫度場的三個主要因素分別為:鹽水溫度、凍結(jié)管間距與凍結(jié)時間。

上述針對斜井凍結(jié)施工過程的模擬分析，過程較為詳細，可為今后凍結(jié)施工領(lǐng)域的研究與探索提供一定的幫助。

［1］蘇樂斌.斜井凍結(jié)技術(shù)在龐龐塔礦千萬噸項目部斜井施工中的應(yīng)用［J］.中國煤炭工業(yè)，2012(7):56－59.

［2］李 林，徐兵狀，趙根全，等.凍結(jié)法鑿井中局部凍結(jié)技術(shù)對已成井壁保護的溫度場分析［J］.煤炭工程，2012(2):27－29.

［3］王曉健，程 樺，姚直書，等.特厚沖積層礦井豎向局部保溫凍結(jié)技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.煤炭工程，2009(7):70－80.

［4］薛玉庭，李向陽，陳陽光.井筒凍結(jié)法施工的常見問題及防治措施［J］.中國西部科技，2009(10):56－59.

［5］許舒榮，李長忠，趙根全，等.快速高效凍結(jié)技術(shù)在立井井筒凍結(jié)施工中的應(yīng)用［J］.建井技術(shù)，2007，28(5):17－19.

［6］靳巍巍，陳有亮.隧道凍結(jié)法施工三維有限元溫度場及性狀分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2007(05):35－38.

［7］王祥玉.凍結(jié)法施工的立井井壁結(jié)構(gòu)探討分析［J］.煤炭技術(shù)，2008(07):40－43.