深厚沖積層凍結法鑿井多圈管凍結模型試驗

xx理工大學2011年10月21日國家十一五支撐計劃子課題國家自然科學基金多圈管凍結模型試驗研究匯報人：1緒論凍結法是煤礦井筒穿越深厚沖積層行之有效的施工工法。1.1課題的背景1、表土覆蓋400m以上的凍結井筒。

目前，我國凍結法鑿井的理論與技術，較為成熟的凍結深度在450m以內。當凍結深度超過450m時，凍結法至少存在了三個問題：1.1課題的背景（1）凍結壁的設計無規(guī)范可依。（2）對深表土地層多圈管凍結下凍結壁的形成特性及其力學特性的認識尚不充分。確保凍結壁的強度和穩(wěn)定性，首先需要掌握凍結壁的形成及其發(fā)展性狀、掌握凍結壁材料的力學特性及其本構模型等。（3）凍結融化后、壁后注漿時機的確定和參數(shù)選取。1緒論凍結壁設計是凍結法鑿井的核心，關系到工程的成敗與經濟成本，全面掌握凍結壁凍融規(guī)律，對凍結法鑿井設計和井壁注漿提供科學指導。課題目標是通過相似模型試驗、實測和理論分析，掌握多圈管凍融和凍結壁在三場耦合作用下的形成特性，并在此條件下分析、計算深井凍結壁的力學特性和確定壁后注漿參數(shù)。1.2課題研究意義1緒論一、研究方案及內容1.1試驗研究深部凍土物理、力學性能試驗；多圈管凍結壁形成模型模型試驗。1.2現(xiàn)場實測研究凍融溫度場的發(fā)展規(guī)律、凍結壁內部凍脹應力和位移的變化。1.3理論研究推導人工凍土本構模型、凍土導熱系數(shù)反演、根據模型試驗提出水熱力耦合計算模型；綜合模型試驗、實測結果和數(shù)值模擬，提出井壁合理注漿時機。1.3課題研究內容及技術路線1緒論1.3課題研究內容及技術路線二、技術路線1緒論2多圈管凍結凍融過程多物理場耦合力學基礎2.1基本假定2.2多物理場耦合控制微分方程2.3卸載條件凍土雙屈服面本構模型2.4小結2.2基本假定土體均勻連續(xù)，為各向同性的粘彈塑性材料；認為土體是飽和的多孔介質材料，且為均質和各向同性；水分遷移主要溫度梯度引起的，無溶質遷移；在飽和土中除凍結管提供的熱源外，不存其它熱源或熱匯；土體和冰晶均不可壓縮；忽略未凍含水量的影響(實際土中的未凍含水量很少)。為了便于進行凍結溫度場、水分場以及凍結應力場的理論分析，課題采用如下基本假定：2多場耦合力學基礎2.2耦合微分方程溫度場方程：水分遷移方程：凍融土介質：滿足平衡方程、幾何方程、本構方程和邊界條件等。2多場耦合力學基礎2.3凍土本構模型2.3.1卸載條件凍土的三軸蠕變試驗使試樣在無側限變形條件下進行固結；對固結后的試樣進行迅速凍結到試驗溫度并恒溫24小時以上；對固結并凍結后的試樣進行徑向卸載的三軸蠕變試驗。圖2.11卸載凍土蠕變曲線2多場耦合力學基礎2.3凍土本構模型2.3.2試驗結果分析圖2.12凍土典型蠕變包絡線圖2.13凍土曲線凍土的剪切屈服面可以選D-P屈服函數(shù)。凍土的體積應變較大，占整個蠕變變形的20％左右。2多場耦合力學基礎2.3凍土本構模型2.3.3卸載過程雙屈服面蠕變本構方程（1）剪切屈服面：（2）體積屈服面：（3）凍土雙屈服面流變本構方程

2多場耦合力學基礎2.3凍土本構模型2.3.3卸載過程雙屈服面蠕變本構方程（4）凍土雙屈服面流變本構模型驗證

凍土在卸載狀態(tài)下的蠕變試驗和模擬值吻合較好,數(shù)值模擬和蠕變實測值誤差最大為4％，表明用雙屈服面屈服準則描述凍土蠕變本構是合理的。蠕變體積應變實測和理論值比較2多場耦合力學基礎4多圈管凍結壁形成及融化模型試驗研究4.1概述4.2模型試驗相似準則4.3模型試驗4.4試驗結果4.5試驗分析

4.1相似準則溫度場相似準則傅立葉準則：柯索維奇準則：

溫度準則：幾何準則：水分場和應力場通過量綱法確定。4凍融模型試驗研究

通過相似準則的推導，可以得出凍結壁模型試驗和原型的相似關系。序號物理量相似比（n）1內摩擦角、空隙比、泊松比、凍結溫度、含水量12應力、位移、彈性模量1:n3凍結時間縮比1:n24凍土擴展速度1:n24.1相似準則4凍融模型試驗研究

4.2.1模型設計采用三種凍結方案,模擬凍結壁形成和融化過程的水熱力耦合過程。項目模型1模型2模型3外圈孔/mφ2.67φ2.57φ2.50中圈孔/mφ2.00φ1.86φ1.76內圈孔/mφ1.50φ1.30φ1.30外圈孔間距/m0.2660.2420.226中圈孔間距/m0.1840.1720.162內圈孔間距/m0.3660.3420.326凍結管規(guī)格/mmφ10×7鹽水溫度/℃-324.2模型試驗4凍融模型試驗研究

4.2.2元件布置4.2模型試驗4凍融模型試驗研究

4.2.3模型試驗系統(tǒng)模型試驗臺數(shù)據采集系統(tǒng)4.2模型試驗4凍融模型試驗研究壓力蹤蝶盒埋鉛設水分尖傳感露器埋祥設溫度默感器趣埋設4.祥2.宋3模型漫試驗四系統(tǒng)4多圈屢管凍竊結壁載形成齒及融低化模孫型試潤驗研蜘究4.捧2模型峰試驗4.全2.突4模型默試驗4多圈化管凍預結壁轉形成極及融曬化模片型試故驗研銳究4.辰2模型黎試驗凍結辣過程融化仙過程4.道2.糕4模型冰試驗4多圈蔽管凍眼結壁譯形成字及融腳化模畝型試館驗研斜究4.讀2模型壁試驗水化滿熱模京擬4.直3.效1模型救試驗曬結果-測點電凍融吳溫度凍融寨過程釣測點編溫度襪隨時拐間變壘化4.升3模型規(guī)試驗啦結果4凍融群模型廉試驗話研究4.柴3.位1模型筒試驗襯結果-測點究凍融鍬溫度凍融另過程起測點血溫度說隨時炒間變燦化4.莫3模型案試驗紛結果4凍融茂模型習試驗拒研究4.掌3.懲1模型選試驗偏結果-測點敵凍融流溫度4多圈委管凍陸結壁厭形成酒及融襪化模獎型試濤驗研采究4.刷2模型槍試驗凍融侵過程回測點旦溫度槐隨時葬間變紫化4.拿3.贈1模型雷試驗歇結果-凍融枯溫度襯場主西面分或布主面廊溫度弦隨時隙間分區(qū)布4.古3模型及試驗聾結果4凍融辮模型臘試驗蟲研究4.拍3.黎1模型添試驗逼結果-凍融揪溫度屈場主虜面分建布主面柜溫度戒隨時難間分魄布4.學3模型尼試驗仍結果4凍融洪模型鑼試驗稼研究4.賭3.隙1模型劑試驗這結果-凍融宅溫度皺場主孔面分鴉布主面削溫度隊隨時樹間分后布4.陣3模型下試驗籃結果4凍融籃模型乘試驗婚研究4.怒3.宴1模型莫試驗編結果-凍融增溫度壩場界網面分歇布界面抱溫度勉隨時汁間分孝布4.閃3模型糖試驗張結果4凍融處模型送試驗挨研究4.厘3.拴2模型爪試驗臂結果-凍結務壓力臥分布測點豆凍結孤壓力適隨時毯間分吩布4.訴3模型箱試驗泛結果4凍融云模型拆試驗普研究4.訓3.笨2模型燥試驗僵結果-凍結居壓力老分布凍結峰壓力室沿徑卷向隨回時間岔分布作用農在井怕壁上金凍結徐壓力代隨時濤間分殼布4.睜3模型統(tǒng)試驗道結果4凍融坐模型捉試驗隔研究4.辜3.詢3模型揉試驗鼻結果-水分衡遷移利分布測點技含水求量隨爪時間覆分布4.蕩3模型扶試驗樂結果4凍融陪模型拆試驗懲研究4.平3.丹2模型注試驗乳結果-水分畜遷移偶分布測點批含水穗量隨蹲時間徒分布4.昂3模型唱試驗不結果4凍融風模型萍試驗迫研究4.奮3.黎2模型尼試驗跪結果-水分蜜遷移惕分布測點靜含水凈量隨拿時間擇分布4.項3模型蜘試驗鑰結果4凍融鞏模型運試驗哨研究4.愿4.攝1模型麻試驗槐結果-凍結抬壁參松數(shù)參數(shù)模型一模型二模型三相似比678交圈時間（h）252322凍結壁厚度（m）0.750.790.83凍結壁平均溫度（℃）-13.0-13.8-15.2凍結時間（h）108108108融化時間（h）180192210地層初始溫度（℃）8.58.58.5融凍時間比1.671.771.944.橡4模型窄試驗稼結果繩分析4凍融茅模型飄試驗兇研究4.殼4.挽2模型賠試驗板結果-融凍求時間另與凍匯結壁惰平均牢溫度尼的關漂系4.俗4模型靜試驗標結果曾分析4凍融煩模型參試驗蘇研究5凍融衛(wèi)過程典現(xiàn)場擁實測先后咱在顧橋斯南區(qū)攝進風哪井、漆謝橋某礦、鏈潘一渴東等8個井近筒開展秘了凍掀結壁殖內外框部水覽平地疤壓和課凍融梯溫度洪場的喜工程浴實測薦。目的踢：研階究凍扛結壁妹形成略和融病化過野程中獄，獲膽得凍陳結壁溫度氏場發(fā)展路變化繳規(guī)律誦；內隸外部水平活壓力的變佳化，窯獲取凍脹啦力增長競與變嗽化規(guī)陳律。叨對井彎壁設納計的豬外荷驗載取發(fā)值和福井壁均注漿級最佳勁時機壟提供禽參考介。5.慘1概錘況5.液2.煤1顧南夫礦測捎點布凈置Fi圖g革Th芹e束di僑st絹ri富bu賓ti踩on炮m帝ap偽o嗓f撇te若st辯h穿ol名e5凍融哪過程乳現(xiàn)場幫實測5.字2測點辰布置5.角2.產2測試破元件Fi草gPr圣es漆su災rebo某xan灑dpo委rewa暈te艷rpr猛es術su蝕re車g干au發(fā)gein盒st數(shù)al隔la鼠ti住oninla鄙bo模ra塵to管ry5凍融紅過程功現(xiàn)場脖實測5.為2測點晃布置5.件2.甜3測試絡元件刑及安宴裝鋼筋匆計及術現(xiàn)場駁安裝碰圖5凍融鈔過程夕現(xiàn)場者實測5.勢2測點降布置5.五3.緒1測試復結果-顧南Th脖ere以la路ti覺on倉sh幕ipofle誤ve捏lpr亮es榜su錢rean陳dfr懂ee膛zi傅ngti寶me5凍融蒸過程懸現(xiàn)場掏實測5.夢3實測正結果夾及分蟻析5.次3.籮1測試爸結果-顧南孔隙階水壓切力壓欣力變羽化曲阿線26合5m測孔毫溫度煤隨時寒間變期化5凍融畢過程放現(xiàn)場抓實測5.粘3實測誓結果趣及分敬析5.稱3.殃2測試頌結果-謝橋資礦-2奮55覺m水平悼凍結休壁溫特度變陪化曲蓋線-2狼55書m水平朱西側團井壁就內部遙溫度私變化蕩曲線5凍融匙過程便現(xiàn)場拼實測5.撫3實測眾結果歇及分筐析5.名3.壟2測試晃結果-謝橋下礦-2似96不m水平貞土壓沃力監(jiān)貢測數(shù)材據及謎曲線-2尾96欣m(xù)水平搬豎向擦應力猾監(jiān)測糟數(shù)據待及曲矩線5凍融洽過程策現(xiàn)場鮮實測5.柿3實測替結果樂及分觸析5.臂3.選3測試炎結果-謝橋惑礦箕規(guī)斗井凍結滾溫度簽隨時礎間的什變化5凍融鹿過程映現(xiàn)場請實測5.冒3實測圣結果沃及分華析5.喬3.震4工程頭實測憲研究僻結論-凍結炮壓力1）凍氧結壁唐內、個外部攤水平務地壓旬變化代分為濁以下釀階段凡：初始蹈地壓階段交圈陶期的急劇豈增長階段凍實濫后的緩變壤或趨膝穩(wěn)階段掘砌壓工作趴面逼勇近時扣的急劇印變化階段掘砌疾工作促面遠猛離后州的恢復片及趨尚穩(wěn)階段5凍融櫻過程苦現(xiàn)場分實測5.越3實測格結果蜂及分納析5.際3.坦4工程斯實測董研究犧結論-凍結罰壓力2）凍郵結壁勢形成蓋過程藏中內宰外部鋤將產桑生顯咱著的拍凍脹鴉力；完井筒掛掘砌廚過程閃中，加凍脹逢力將艘發(fā)生駐不同捷程度鐮的超肯前釋趟放。3）凍蹄結壁炎徑向耗殘余孤凍脹誼力與寇最大乒凍脹呼力之心比：役內部腦為0～0.輕02，外犧部徑荒向為0.奶45呆~0良.6。4）凍飾結壁頭的水癢平外簡載并旱非初膠始水子平地匙壓，資而應敏考慮憂徑向固水平恰凍脹孩力的桌疊加些效應獵。5）凍長結壁曲內外秤部凍暫脹力消的積介聚與說釋放時將對古凍結萄壁與淺凍結死管的暗受力姿與變叼形產故生顯其著影宜響。5凍融侍過程某現(xiàn)場搖實測5.針3實測陣結果留及分冒析5.拘3.飛4工程卸實測資研究帳結論-溫度通過則現(xiàn)場玻實測傘、模杠型試垂驗和劃數(shù)值耽模擬逼獲得油了多虹圈管攔凍融界溫度厲分布長特征醋，孔沖隙水溜壓力銀分布稀規(guī)律塵和凍裂脹發(fā)刺展規(guī)龍律;通過默模型皆試驗窮獲得識融化辯溫度躍場非根線性壩數(shù)學新模型籌，并猶建立岸融化嫁過程巴的溫太度、蘭流體替和固賄體耦密合方常程;對于榆土質冒相同泄而言春，一均般埋嬸深淺妖的先榴形成裹凍結絡壁而妄后融臥化，手埋深言深的這土層彼后凍睜結先鈔融化扛，且井凍融糕時間脊比值盜大約塑：1.階3-洗2.蒼0；位于飾相同破層位沖的粗慈粒土洞比細聚粒土厚融化提快。5凍融滿過程桑現(xiàn)場不實測5.另3實測炕結果彩及分慶析6凍土踢導熱剝系數(shù)股反演6.如1凍融纏溫度迷場反嚴分析窯理論扯模型溫度奴場方姿程：溫度禮場反避演目績標函蓄數(shù)：溫度悔場反哥演模沃型方屋程：6凍土鳥導熱夸系數(shù)狹反演6.象2導熱澇系數(shù)痛反演亡結果圖6.荷5凍土遙導熱鑰系數(shù)挺與溫亭度的晉關系用線喇性函懶數(shù)擬盟合：一般長對于有砂土肚：a=勁0.逆19量-0仁.2只2b=重1.飯68退-1刑.7騙5一般滲對于鄭粘土專：a=遠0.滿18彈-0瀉.2騾0b=擦1.陶65是-1榨.7死2計算股模型邊界圓條件7凍融跪多物趨理場傘耦合籍研究7.漁1計算爛模型7.盜2.蠶1溫度速場模便擬結祝果等溫穿線特剛征t=史29繩h凍結40箱h主面嬸溫度躬分布7凍融刷多物督理場配耦合篩研究7.租2數(shù)值遲模擬潛結果凍結10餅h水分幣遷移濫性狀凍結24氧h相鄰瀉凍結濱管水細分遷再移圖7凍融澤多物絞理場井耦合帶研究7.勢2數(shù)值航模擬濟結果7.掠2.贏2水分壺場模后擬結趨果凍結22故h主面蒜水分鋒遷移臟速度凍結50小時贊的主未面水各分遷勸移量7凍融息多物龜理場犧耦合洪研究7.稠2數(shù)值釘模擬坑結果7.旦2.損2水分媽場模磨擬結部果凍結20霉h主面皇有效長應力胞分布中圈敵孔總犧有效綱應力辣隨時嶼間變抗化7凍融圓多物繭理場房誠耦合膚研究7.除2數(shù)值規(guī)模擬訊結果7.界2.歷3應力過場模鐘擬結漿果內圈湊凍結蛋管之狠間溫凝度比昨較中圈姥凍結刪管之穩(wěn)間溫效度比憐較7凍融撈多物飛理場愿耦合廣研究7.催3數(shù)值朱與模賄型試銹驗比緩較7.還3.值1凍融郊溫度者場比損較CD洋1含水泡量比薪較7凍融授多物籃理場斥耦合社研究7.北3數(shù)值奧與模弄型試垃驗比鳥較7.抽3.立2水分鉛場比豈較CD乒3含水蔬量比虎較CD繁3凍結晶壓力袖比較7凍融飾多物磨理場甜耦合陶研究7.擴3數(shù)值坡與?？眯驮嚬烛灡嚷^7.磚3.重3應力客場比默較CD替6凍結次壓力堅比較顧南26飯5m主面量溫度鹿分布殺曲線顧南26漲5m界面仇溫度六分布姥曲線7凍融眠多物須理場慨耦合跳研究7.吉4顧南倦礦凍格融溫柄度場漿模擬凍結蓮過程持模擬顧南26工5m測孔承溫度依與數(shù)傷值模宮擬比弟較7凍融泊多物徹理場康耦合蠟研究7.件4顧南架礦凍俱融溫坡度場傭模擬凍融像過程望模擬8凍結盆井壁崖注漿今參數(shù)歌及優(yōu)礙化設嗓計礦井名稱井筒名稱井筒直徑（m）凍結壁厚度（m）交圈時間（d）凍結總工期（d）注漿距停機時間（d）注漿距停機時間/凍結時間注漿效果顧橋礦南區(qū)進風井8.66.4652232130.96注漿前4~6方/h水，注漿后2~4方/h水，效果不佳。回風井7.24.3532142060.96注漿前2方/h左右水，注漿后1方/h水左右。謝橋礦改擴建工程中央風井7.55.1511973191.62井筒到底注漿，注漿前3.7方水/h，注漿后1.7方/h。二副井8.25.3801862831.52井筒到底注漿，注漿前1.8方水/h，注漿后0.5方/h。8凍結終井壁屋注漿謙參數(shù)糖及優(yōu)穿化設涂計礦井名稱井筒名稱井筒直徑（m）凍結壁厚度（m）交圈時間（d）凍結總工期（d）注漿距停機時間（d）注漿距停機時間/凍結時間注漿效果箕斗井7.66.1502361340.57井筒施工至680m水平注漿，注漿前1方水/h左右，注漿后0.3方/h。潘一東區(qū)主井7.63.8421733021.75井筒到底后注漿，注漿前4~6方水/h，注漿后1方/h左右。副井8.64.1651852841.54井筒到底后注漿，注漿前3.6方水/h，注漿后0.8方/h左右。風井8.04.3681391641.18井筒施工至791m處注漿，注漿前9.1方水/h，注漿后0.2方/h。8凍結禿井壁女注漿調參數(shù)聲及優(yōu)所化設侵計從表9.嫂1可以越看出辛謝橋禾礦二由副井品，潘餐一東搖區(qū)副苗井、騾風井卻三個蹄井筒命注漿暢效果噸較好扮，而可顧橋遲礦南鄙區(qū)進敢風井青、回父風井拆兩個呈井筒邊注漿糾效果芒偏差晃，分涉析其點原因象為凍困結壁菌并未棒大部族分融在化?？山呑h現(xiàn)貧場注功漿時鄉(xiāng)豐間選油擇為傾注漿賤距停女機時仙間/凍結而時間堡取1.米2~枯1.監(jiān)6。9主要覆結論人工煩凍結略地層寬三場異耦合劑基本喂理論萄研究爸：考慮仇凍土址形成深過程巷水發(fā)瓜生相所變問礎題，午即考廁慮巖欣土在斑凍結暗過程搬中水悅結凝冰所爹吸收魔的潛猾熱。稻因此爛，溫膝度場棄微分牧方程腿中耦狂合了唇水分叉變量毯。認為不人工零凍結閱地層附中的狐水分捷遷移功動力捧是由凡溫度悟梯度箱變化舅引起爛的。侮因此繳，水勤分場逝中耦花合了漫溫度豪變量蒜，這夠給水錯分場訪數(shù)值較計算獸帶來儀方便宿，且旅容易翅在有白限元慮程序當中實蛛現(xiàn)數(shù)乖值模視擬。雙屈癢服面絨人工干凍土帽蠕變渾本構在模型猾能更射好的丙描述線深井高凍土駛第Ⅲ階段塘蠕變密特性見，可借以更屯好的楊解決歌深井討凍土以及其死結構灰物的下變形骨計算貿。利用D-全P材料道的屈宗服準心則推碌導出備應用念于數(shù)非值計禽算的嫌柔度向矩陣女，開癥發(fā)了捕相關峰的本架構計這算程筑序，絨并成份功地槽嵌入午非線繪性有講限元烘程序AD石IN往A中。9主要捏結論多場當耦合減模型絡試驗閑研究流：模型業(yè)試驗恨中凍唉土擴失展速殖度4.栗1～5.呼5m鼻m/涌h，原揪型凍舒土擴頃展速最度為16嚇.5～22帖.8充mm宴/d。內圈助凍結鐮管以尼內和悶外圈爬凍結惑管以碗外區(qū)脖域，膝土體或的含寒水量嶼比凍廢結前守增加華，約榴為：6～10％；香內、既中圈威和中圓、外莊圈之主間區(qū)植域，擦土體隆凍結君后的儲含水噸量比字凍結哄前減商小，暫約為6～10％。才而靠婦近凍睡結管槐位置攪土體擦的含火水量雷比凍貪結前壟增加良，約摘為8～11％。得出訴了中旗圈凍亞結管浸位置緩的凍榴結應站力最樂大，臥約為0.憂8M良Pa；而襪內圈獎管的字內側趁和外魄圈凍首結管落的外印側凍掙結應正力相知對較政小，包為0.喚2M潔Pa以下迎，且看發(fā)展奮速度該相對臂緩慢渡。試驗科獲得昌了凍齒結壁內的凍維結和碧融化判時間茫比值蔬可以包用一燭次函棗數(shù)來吃擬合忍，該剛值介武于1.貧6-嚴2.舞0之間罩，且菠與環(huán)僑境溫阿度、汽土層擠性質軋、凍禽結壁棟厚度捕和平櫻均溫監(jiān)度有年關。9主要憑結論多場藍耦合較模型匹試驗幅研究孟：模型總試驗粒中凍尚土擴仁展速怎度4.聚1～5.復5m妥m/侄h，原惱型凍現(xiàn)土擴抵展速并度為16型.5～22華.8留mm態(tài)/d。內圈予凍結搏管以貝內和歉外圈拾凍結襲管以槽外區(qū)樸域，美土體化的含煉水量繼比凍梨結前煙增加停，約勝為：6～10％；悲內、著中圈火和中位、外逐圈之囑間區(qū)演域，土土體濾凍結錢后的馬含水罵量比令凍結帥前減綱小，誕約為6～10％?？喽縿?chuàng)近凍兇結管虹位置旬土體礎的含輪水量既比凍移結前鞏增加豬，約摟為8～11％。得出逆了中篩圈凍巴結管影位置毛的凍鏟結應訓力最辟大，滋約為0.轉8M碗Pa；而晚內圈撐管的寧內側四和外哈圈凍扔結管剖的外戰(zhàn)側凍券結應渠力相五對較津小，梯為0.拴2M厘Pa以下今，且堤發(fā)展償速度董相對叮緩慢嚼。試驗色獲得粗了凍處結壁廉的凍真結和東融化健時間常比值額可以桌用一提次函躲數(shù)來燙擬合無，該苦值介券于1.鋸6-侮2.裳0之間盤，且污與環(huán)徒境溫棗度、閥土層崖性質栗、凍月結壁釣厚度途和平叨均溫理度有唯關。9主要河結論實測刷了顧忌橋礦機南區(qū)感井筒花、潘保一東傻礦井稀筒和若謝橋脊礦改椒擴建