混凝土水化热对深井冻结壁冻融规律影响的实测研究.pdf

煤炭 工程 2 0 1 1年第 l O期 混凝土水化 热对 深井冻结壁冻融 规 律影响 的实测研 究 余波江，汪仁和，李栋伟 ( 安徽理工大学 土木建筑学 院 ，安徽 淮 南2 3 2 0 0 1 ) 摘要 ：文章根据冻结井筒大体积混凝土水化热现场 实测结果，得 出混凝土水化热对冻结壁 的影响 规律 ：井壁 混凝 土水 化 热影响 冻 结壁 融化 0 2 0 4 m，约 为外壁 厚 度 的 0 4 3 0 5倍 ，重 新冻结后 产生回冻冻胀力 0 4 5 0 8 0 MP a 。并结合对 实测数据的分析和 A D I N A有限元程序的数 值模拟 ，得 出了冻结壁融化深度与时间的关系曲线 ，对指导深井冻结壁设计与d_ v - 具有重要的指 导 意义 关键词 ：混凝土水化热；深井冻结壁 ；冻融温度场 ；冻融规律 中图分类号 ：T D 2 6 5 3 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 1 ) 1 0 - 0 0 8 0 - 0 4 S i t e M e a s ur i ng S t ud y o n Hy d r a t e d The r ma l o f Co nc r e t e Affe c t e d t o f r o s t dr a w l a w o f Fr e e z i ng Sh a f t W a l l i n De e p M i ne S ha f t Y U B o j i a n g ，WA N G R e n h e ，L I D o n g w e i ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ，A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t： Ac c o r d i n g t o t h e s i t e me a s u r e d r e s ul t s o f t h e l a r g e vo l u me c o nc r e t e hy d r a t i o n t he r ma l i n t h e mi n e f r e e z i n g s h a f t ， t h e i n fl u e n c e l a w o f t h e c o n c r e t e h y d r a t i o n t h e r ma l t o t h e mi n e f r e e z i n g s h a f t wa s o b t a i n e d T h e h y d r a t i o n t h e r ma l o f t h e mi n e s h a f t c o n c r e t e c o u l d a f f e c t t h e f r e e z i n g w a l l t h a w i n g wi t h 0 2 0 4 m w h i c h wo u l d b e 0 4 3 0 5 t i me s o f t h e t h i c kn e s s o f t h e mi n e s ha f t o ut e r wa l 1 Th e r e f r ee z i ng s we l l i ng f o r c e o c cu r r e d f r o m t h e r e f r e e z i n g wou l d b e 0 45 0 8 0 MP a W i t h t h e a n a l y s i s o n t h e s i t e me a s u r e d d a t a a n d t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f t h e ADI NA fi n i t e e l e me n t p r o g r a m t h e r e l a t i o n s h i p c u r v e b e t we e n t h e t h a wi n g d e p t h a n d t i me o f t h e f r e e z i n g wa l l wa s o b t a i n e d a n d w o u l d h a v e g r e a t g u i d a n c e t o t he d e s i g n a nd c o ns t r uc t i o n o f t h e de e p mi ne f r e e z i n g s h a ft wa l 1 Ke y wo r d s ： h y d r a t e d t h e r ma l o f c o n c r e t e；f r e e z i n g s h aft wa l l i n d e e p mi n e s h a f t ；f r e e z i n g a n d t h a wi n g t e mp e r a t u r e fi e l d； F r e e z i n g a n d t h a w i n g l a w 冻结法 是在 深厚不 稳定 含水 地层矿 区的一种 特殊 凿井 厅法 随着岩土T程的发展，冻结法施T以其独特的优越 性越来越受到重视。冻结壁的主要功能是封堵地下水和承 受临时荷载 ，以保证凿井施 丁安全和顺利的进行。冻结壁 的 内侧需要浇 注混凝 土形 成井 壁。而浇 注混 凝土 会产 牛大 的水化热 ，水 化热会 促使 一 一 部分 冻结壁 融化 ，这将严 重 削弱冻结壁 的强度 和稳 定性 ；水化 热散 失后 ，融 化 的冻结 壁重新 刚冻 ，将 产牛 一定 的 回冻冻胀 力 ，将 对新 形成 的井 肇构成威胁 。 此 ，冻 结法 施 二 需要 进行 温度 、应 力的监 测，以便实时控制施工状况，保证凿井施工的顺利进行。 丈章针对谢桥矿冻结法施 ： 中温度场的监测，对监测数据 进行分析 ，并结合数值模拟方法，得出水化热对冻结壁的 8 0 影 响规 律及 程度 ，对煤矿冻结法设计 和施 1 二 起 指导作用。 l 混凝土 水 化热 测试 1 1 测试 方 案 淮 南矿业集 团谢桥矿箕斗 井井筒净 直径 为 7 6 m，深度 为 9 8 6 2 m，其 中表土段厚为 3 3 1 9 m，井筒穿越土层性质 主 要 有粘 土层和细砂 层。冻结 法采用 “ 两圈管 +辅助 孑 L ，差 异 冻结 ，设 计冻结壁厚度为 6 1 in ，冻结深度为 3 9 5 m。 为了对冻结壁温度及其冻结压力进行监测 ，设汁表土 段 两个 监测层位 ：第 一水平 是 2 4 9 72 6 0 3 m细砂 层 ，选 2 5 5 m作为第一监测水平；第二水平是 2 8 7 9 5 3 1 1 3 m粘 土层 ，选2 9 6 m作为第二监测水平 在每个层位各埋设四组 收稿 日期 ：2 0 1 01 22 4 基金项 目 ：高等学校博十学科点专项科研 基金 ( 2 0 0 8 0 3 6 1 0 0 0 4 ) 作者简介：余波江( 1 9 8 6一) ，男 ，安徽六安人，2 0 0 9年毕业于安徽理工大学土木工程专业，主要从事岩土与地下 r ： 程 研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 1 0期 煤炭 工程 温度传感器和 四个压力盒 ，监测元 件布置参 数见表 1 ，监测 元件 布置图如图 1所示。 表 1 监测水平 与监测 元件 图 1 监测 元件 布置图 ( mi l 1 ) 1 2测试 结果 分析 1 2 1 水 化热 对冻结壁的影响规律 根据现场实测数据和相关处理得到不同水平受水化热 影响其冻结壁内的温度变化曲线如图2所示。从图 2中可 以看出，水化热影响冻结壁的温度变化可以大致分为以下 两个 阶段 ： 1 )快速升温阶段。混凝土入模后，受水化热影响，释 放出大量能量，导致冻结壁内部温度快速上升。两水平在 距离井壁2 5 0 mm处温度最高 ，均达到了正温，而5 0 0 m m处 的冻结壁温度最高时仍为负温，可见受水化热影响 ，冻结 壁已经融化到2 5 0 ra m和 5 0 0 m i l l 之间的某一位置。 2 )较快降温阶段。各处温度达到最大值后开始下降。 下降前段较陕，其速率与温度快速回升阶段相当；后段温度 下降稍慢，大约距混凝土入模 2 0 d左右，紧贴井壁处的温度 回冻至零度以下。可见，井壁在正温状态下的养护时间至少 2 0 d ，混凝土不会受冻害作用而影响井壁强度的形成。 1 ， 2 2 水化热 对冻结壁的影响程度 混凝 土水化热对 冻结 壁影 响 的范 围 ，可 以按下 列 思路 来求出：在冻结壁内部两个监测水平都设 了三个温度测点， 当确定了刚浇注前各点的温度初始值 以及当水化热量达 到最大时各点的温度值 ，则温度上升值 =T一7 0 ；当 L I T= 0时 ，所对应的就是冻结壁被影响的最大范 围，但水 化热达 到最 大 与冻 结壁 达 到最 大影 响 范 围不具 有 同时性 。 J 2 0 一 f l I + 紧 贴井壁 l5 = ： = 1喜 鬻 l O 。 j 5 螬 n 一 1 O一 3 o 4 o 5 l 一5 _ ： ： 1 O 一 一 一1 一 时间 d ( a 一 2 5 5 m层位( 细砂) V 15 三 _ 1O j 5 i 0 5 、 L - 、 一1l # 、-1 1# I I 1 ( b ) 一 2 9 6 m 水下( 粘土) 图 2 两水平受水化热影响其冻结壁 内的 温度变化 曲线 以第一水平为例，相关参数见表 2 。由表 2中的数据可以得 到各点温度 升值 与冻 结壁 深度 的关 系如 图 3所 示 ，从 图 3 中得出各点温度升值与冻结壁深度的线性关系曲线，可以 计算出水化热影响冻结壁的最大范围约为 7 9 4 m m。同理可 得第二水平水化热影响冻结壁的最大范围约为6 7 5 m m。 表 2 冻结壁 内部温度数据处理结果 为方便计算 ，以0 作为冻融的零界状态。当混凝土水 化热达到最大影响程度时 ，距井帮 2 5 0 ra m测点值为 7 4 ， 81 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1年 第 1 O期 导 一 廷 冻结 簪深度 mm 图 3 各 点温度升值与冻结壁深度 的关系 为正温 ，说 明 冻结 壁 已 经 融化 ；而 距井 帮 5 0 0 ra m 测 点 值 为 一 5 0 ，说明冻结壁还未融化，所以最大融化范围就在 间 I 2 5 0 m m，5 0 0 m ml里。 按J 述的关系可 以得 出第一水平面冻结壁融化最大范 围为 3 9 9 mm，约为外壁厚度 ( 8 0 0 ra m) 的 0 5倍；同理可得 第二水平面冻结壁融化最大范围为 3 4 3 mm，约为外壁厚度 的 0 4 3倍 。受水化热 的影 响下 ，冻结砂 土层较冻 结粘 土层 要先融化完 。 1 2 3 冻结压力 的发展规律 根据现场实测数据得到两水平冻结压力的发展规律 曲 线如图 4所示。从图 4可以得出，两水平冻结压力具有各 向异性 ，其发展规律 可以大致 分为以下两个 阶段 ： 2 5 20 5 蚕 n5 O O 0 l 0 2 O 3 O 4 0 5 0 时 日 J d ( a ) 第 水平 4 O 3 5 3 O 2 5 至2 o 】 ， 5 l 0 0 5 OO 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 tl ,j fH l d ( b ) 第 水 时外井壁承受的压力主要由一部分未冻土蠕变产生的压力 引起，由于未冻土蠕变速率快，所以导致冻结压力迅速增 长 。此 时外井 壁的强度相对较小 ，应注意井 壁的安全问题 。 2 )缓 慢增长阶段 。两水 平基本 都在 混凝 土浇注后 l O d 左右进入 冻结 压力缓 慢增 长 阶段 ，此 阶段 也是 融土 回冻 的 时期 。从 图 4可 以看 出 ，此 阶段两 水平 的 曲线 中都 产 生 了 一 个比较明显的台阶，且台阶的发牛时间基本吻合于冻结 壁由融 回冻的时间，可得冻结壁 回冻产生的冻结压力约 0 450 8 0MPa 、 2冻 融规 律分 析 结 合 实 际 工 程 的 相 关 参 数 ，运 用 大 型 有 限 元 软 件 A D I N A，模拟 了混凝土水化 热对 冻结壁 冻融温度 场 的影 响。 将数值模拟的数据导出，经分析得出融化深度与时间的关 系曲线如图 5所示，它与实测曲线基本吻合。将该曲线分 两段进行拟合，得出拟合曲线 ，其拟合方程分别是： g 量 谴 髭 图 5 融化深度与时 间曲线 1 )融化阶段 ：y =a b i n( +c ) ，R = 0 9 9 7 。其中， a 与土性及其混凝土浇筑前的初始温度有关，b与土性有 关 ，c与水化热影响时间有关。从图 5可以看出，受水化热 影 响 ，在 刚开 始 两 天 融 化 速 率 较 高 ，平 均 融 化 速 率 达 到 5 4 1 mm h ，约融化 了最 大融化深度的 8 0 ；之后 速率便 大 幅度降低，并渐渐趋于稳定 ；大约在混凝土人模 5 d左右， 数值模拟得 出的最 大融 化深 度约 为 3 2 0 mm， 与实测 分析 得 出的最大融化深度 3 4 3 m m相差不大 。 2 ) 回冻 阶段 ：Y 2=A e x p (x B) +C，R =0 9 9 6 。 其 中，A与土性有 关 ，B与冻 结 站制 冷量 及水 化热 量大 小 有关 ，C与土 性及 其 水 化热 影 响 下 达到 的最高 温 度 有关 。 从图 5可 以看 出 ，冻结 壁 达到最 大融 化深 度后 ，冻结 站 制 冷开始重新影响 融化 的冻 结壁 产生 回冻 ；刚开始 两天 回冻 速率较快 ，平均 达 到 4 7 5 m m h ，之 后约 2 5 d冻结 壁 回冻 完毕 ；从 图 5可 以看 出，融 化 时 间 约 1 2 0 h ，回冻 时 间约 1 1 0 h ，相差不多 。 图4 两水平冻结压力发展规律曲线图 3 结 论 1 )快速增长阶段。由于浇入的混凝土产生的水化热导 致井帮温度较高，冻结壁部分融化使蠕变变形量增大，此 82 1 ) 两层 位受混 凝 土水 化热 影响 的规 律基 本 相 同 ， 入模 ( 下转 第 8 6页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭 工程 2 0 1 1年第 1 O期 图 8 冲击地压 能量递减 防治模型 从冲击事件发生时期来看，有 5次冲击事件都处于划 分的冲击危险时期内。其 中，“ 1 1 1 5事件” 、“ 1 2 7事件” 和 “ 1 2 1 6事件”发生时 ，2 1 1 4 1工作面开采至距本工作面 见方 4 0 0 5 m、1 0 5 m和 一9 7 m位置 处 ，均处 于见方影响 区 域 而 “ 2 9事件” 、 “ 2 1 3事件”发生时，2 1 1 4 1工作面 距双T作 面 见方 的距离 分别 为 3 3 8 m和 3 3 1 IT I ，距 断层 的 距离为 7 5 m和 1 8 m，处于双工作面见方和断层共同影响 区域 。 从冲击事件发生时间来看，回采期间 7次冲击事件中， 零点班发生 1次 ，中班 发生 4次 ，晚班 发生 2次 ；从 统 计 结果来看 ，冲击事件 发生 在检修班 的概 率明显大 于生产班 ； 从统计能级大于 1 0 J的微震事件频次分布同样可以看出， 大能量微震事件在工 作 面停产 检修 阶段 发生频 率 比生产 阶 段大 。究其原 因 ，是 因为检修 班运输 巷进 入人 员进 行煤 层 卸载爆破与断底爆破。通过人为爆破诱发冲击事件，并且 小冲击安全发生，从而避免能量长期积聚造成灾害性冲 击事故发生。而生产班，运输巷实行封闭管理，因此运输 巷冲击不会造成 灾难发 生。 4 3经 济效 益提 高 截止 2 0 1 0年 4月 1 0日，2 1 1 4 1工作 面安全顺 利掘进 巷 道 、切眼共 3 2 0 9 m，产 出煤 炭约 8万 t 。工 作 面顺 利 进 尺 3 2 0 m，产 出煤炭 约为 1 1 4 7万 t 。回采加掘进共产 出煤 炭约 为 1 2 2 7万 t ，吨煤单价按 5 0 0元 t 计算，实现产值约 6 1 4 亿人民币。吨煤销 售利 润为 2 8 6 tt ，则 实现销售利 润 3 5 1 亿人民币。 5 结论 1 )冲击地压 危险 区域 划分 结果 表 明 ，2 l采 区近 似充 分采动 ，高位巨厚坚硬岩层趋于活动；2 1 1 4 1工作面及下一 步开采 的 2 1 1 6 1工作面始 终处于高集 中应力带 中开采； 2 1 1 4 1 工作面运输巷两帮应力集 中程度相对 明显，因此 2 1 1 4 1 运输巷 在采 区、工作 面大环境 下 ，其冲击危险程度最 大 。 2 )冲击地压危险时期 研究 表明 ，2 1 1 4 1 工 作面 回采期 间将经历七 次冲击危 险时 期 ，其 中五次 为工作 面与邻 近 已 采工作 面 “ 见方 ”时期 ；一次为工作面顶板初次来压 时期 ； 一 次为工作面过 F 3 一 。 断层时期。第六危险期为特别危险期。 3 )实践表明，对冲击地压煤层预先进行冲击危险区 域、危险时期划分可以有效指导回采期间冲击地压监测与 防治工作开展 ，使得 回采期间冲击地压监测与防治_T作效 率化、节约化、条理化，帮助企业实现了安全高效开采。 参考文献 ： 1 邹德蕴 ，姜福兴，煤岩体 中储存能量与冲击地 压孕 育机理及 预测方 法 的研 究 J 煤炭 学 报 ，2 0 0 4 ，2 9( 2) ：1 5 9 1 6 3 2 逢焕东 ，姜福兴 ，张兴 民微地震监 测技术在 矿井 灾害防治 中的应用 J 金属矿山 ，2 0 0 4，( 1 2 ) ：5 8 6 1 3 唐 巨鹏 ，潘一 山，徐方军根据地表下沉预测 冲击地压 的研 究 J 矿山压力与顶板 管理 ，2 0 0 2，( 3 ) ：1 0 71 1 0 4 万志军 ，朱传章 ，朱世学用统计推理 改进煤矿 冲击地压危 险性评价 J 世界采矿快报 ，1 9 9 9 ，( 7 ) ：1 92 0 5 毛德 兵 冲击 矿 压发 生危 险性评 价方 法 J 煤 矿开 采 ， 2 0 0 0，( 1 2 ) ：5 2 5 3 6 尹光志 ，鲜学福 ，金立平 ，刘成明地应 力对 冲击地压 的影 响及 冲 击 危 险 区 域 评 价 的研 究 J 煤 炭 学 报 ， 1 9 9 7， ( 4 ) ：1 3 2 1 3 7 ( 责任 编辑郭继圣 ) 、 、 、 席 、 、 蓐 、 、 e 矗 、 、 e 盆 、 、 、 ( 上接 第 8 2页) 2 5 d 左右，混凝土内部温度达到最高；之后随着热量 的传 导和散失，冻结壁开始回冻 ，约 2 0 d左右降到零下。可见， 混凝 土正温养护时间至少 2 0 d ，不受冻害影响 。 2 )水化热对冻结壁影响的最大深度约 6 0 0 8 0 0 m m之 问，最大融化深度约 3 0 04 0 0 m m之 间，约为外壁厚度的 0 4 30 5倍 左 右；回冻 产 生 的冻 结 压 力 约 0 4 5 0 8 0 MP a ；受土质而异 ，一 般砂 土 比粘 土 的影响 程度要 大 。 对于后期冻结壁自然融化阶段，为防止井壁出水，应该重 点放在砂土层，做好提前注浆的准备。 3 )对实测数据的分析与数值模拟得出的融化深度与时 间的关系曲线基本吻合。从关系曲线上得出，融化速率与 回冻速率都先快后慢，融化与回冻时间相差不大。 8 6 参考文献 1 刘为 国冻结井筒 高强 混凝土 水化热规 律研究 J 煤 炭 科学技术 ，2 0 0 8 ，( 3 ) ：5 1 5 2 2 汪仁和 ，曹荣斌双排管冻结下 冻结壁 温度场形成特征的数 值分析 J 冰川冻土 ，2 0 0 2，( 2 ) ：1 8 11 8 5 3 江 向阳，程桦混凝土水化热对 冻结温度场影 响的测试与数 值分析 J 中国矿业 ，2 0 0 7，( 6 ) ：1 0 31 0 5 4 陈军浩 ，汪仁和多圈管冻结 下冻结壁温度场融化特性的实 测研究 J 中国煤炭 ，2 0 0 9，( 1 2 ) ：4 8 5 O 5 姚直书 ，邓昕特厚冲积层冻结法凿 井外层井 壁关键技术分 析 J 煤炭工程 ，2 0 0 5 ，( 1 ) ：79 ( 责任 编辑张 宝优 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m