混凝土水化热对白垩系地层冻结壁温度场影响的实测分析.pdf

第4 6 卷 第9 期 2 0 l 4年 第9 期 煤炭工程 CO AL ENG I NE ER I N G Vo 1 4 6， No 9 No 9，2 01 4 d o i ： 1 0 1 l 79 9 c e 2 O1 4 O 9 00 2 混凝 土水化热对 白垩系地层冻结壁 温度场影 响的实测分析 杨更社，孙永 岗，屈永龙，李庆平，李博融 ( 西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安7 1 0 0 5 4 ) 摘要 ：为 了了解外井壁混凝土水化热对白垩系地层冻结壁温度场的影响规律 ，通过对新庄 煤矿 回风立井冻结壁的两个地层进行温度的现场监测 ，分析监测数据得到 ：外 井壁混凝土浇筑 后 。两个地层 的冻结壁 内侧温度迅速升 高，监测点处的温度最 高点达到 1 5 8 C；随着深度 的增 加 ，混凝土水化热对冻结壁的影响范围增大，但冻结壁维持正温的时间减少；在混凝土水化热的 作用下，冻结壁的融化深度介于 2 5 0 6 0 0 m m之间；水化热的减 少及融化 区的水热在温度梯度的 作用下大量向冻结区迁移 ，致使 冻结壁 内侧 高温部分的温度迅速下降。 关键 词 ：冻结壁 ；温度场 ；实测 ；混凝 土 水化 热 中图分类号 ：T D 2 6 5 3 文献标识码 ：A 文章编号：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 4 ) 0 9 - 0 0 0 5 - 0 4 S i t e M e a s ur e me nt An a l y s i s o n Co nc r e t e Hy d r a t i o n He a t Affe c t e d t o Te mp e r a t u r e F i e l d o f Fr e e z i n g W a l l i n Cr e t a C e O H S S t r a t u m Y A N G G e n g s h e ，S U N Y o n g g a n g ，Q U Y o n g l o n g ，L I Q i n g p i n g ，L I B or o n g ( S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ，X i ，柚 Un 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 ，x i ，柚 7 1 O 0 5 4，C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o u n d e r s t a n d a n i n f l u e n c e I a w o f t l e c o n c r e t e h y d r a t i o n h e a t f r o m t h e mi n e s h a f t o u t e r l i n e r t o t h e t e mp e r a t u r e fi e l d o f t h e f r e e z i n g wa l l i n a C r e t a c e o u s s t r a t u m ， a s i t e t e mp e r a t u r e mo n i t o r i n g a n d me a s u r i n g w a s c o n d u c t e d i n t wo s t r a t a o f t h e f r e e z i n g wa l l o f a mi n e a i r r e t u r n i n g s h a f t i n Xi h u an g Mi n e T h e an aly s i s o n t h e mo n i t o r i n g a n d me a s u r i n g d a t a s h o we d t h a t aft e r t h e o u t e r l i n e r c o n c r e t e p o u r e d i n p l a c e， i n n e r t e mp e r a t u r e s o f t h e f r e e z i n g w a l l a t the t w o s tra t a we r e r a p i d l y i n c r e a s e d a n d a ma x t e mp e r a t u r e a t t h e mo n i t o r i n g a n d me asu r i n g p o i n t Was r e a c h e d t o 1 5 8 Wi t h t h e d e p t h i n c r e a s e d ， t h e i n fl u e n c e s c o p e o f t h e c o n c r e t e h y d r a t i o n h e a t t o f r e e z i n g w all w a s i n c r e ase d a n d a t i me o f t h e f r e e z i n g wall t o k e e p t h e n o r ma l t e mp e r a t u r e wa s r e d u c e d Un d e r t h e r o l e o f t h e c o n c r e t e h y d r a t i o n h e a t ，a t h a wi n g d e p t h o f t h e f r e e z i n g wa l l w o u l d b e r an g i n g f r o m 2 5 0 6 0 0 mm the h y d r a t i o n h e a t r e d u c e d an d the wa t e r h e a t i n t h e t h a wi n g z o n e wo u l d b e g r e a t l y mi gra t e d t o t h e f r e e z i n g z o n e u n d e r a r o l e o f t e mp e r a t u r e gra d i e n t a n d thu s t h e t e mp e r a t u r e o f t h e h i s h t e mp e r a t u r e s e c t i o n a t t h e i n n e r f r e e z i n g wall w o u l d r a p i d l y red u c e d Ke y wo r d s：f r e e z i n g w a l l ； t e mp e r a t u r e fi e l d；s i t e me a s u r e me n t ；c o n c r e t e h y d r a t i o n h e a t 随着西部矿井的建设 ，人们逐渐认识到如何安全的穿 越强度低 、遇 水软 化 的白垩 系、侏 罗 系地层 ，成为 了矿 井 安全建设的关键点，而冻结凿井法在支护和有效隔绝地下 水方面的优势 ，使其越来越受到人们的重视。 冻结壁内侧需要浇筑井壁以抵抗在冻结壁解冻后的地 压，但是在混凝土浇筑后将会产生大量的水化热，水化热 将会导致冻结壁内侧的升温和融化，这将影响到冻结壁的 安全和稳定。很长时间以来 ，混凝土水化热对冻结壁的影 响，一直是人们研究的重点 ，但我国有关混凝土水化热对 冻结壁温度场影响的研究 ，大部分集中在第三、四系深厚 冲击层，得到的一些理论成果 是否适用于西部的白垩 系、侏罗系地层，还有待工程实践来验证 ，同时针对混凝 土水化热对白垩系地层冻结壁影响的研究不多。 本文依据甘肃省新庄煤矿回风立井的冻结凿井法工程， 对白垩系地层冻结壁的温度场进行监测 ，得出外井壁混凝 土水化热对冻结壁温度场的影响规律，对该地区矿井的冻 收稿 日期 ：2 0 1 31 01 1 基金项 目：国家自然科学基金资助项 目( 4 1 2 7 2 3 4 0 ) 作者简介：杨更社 ( 1 9 6 2一) ，男，陕西武功人，教授，博士生导师，主要从事岩土力学与工程的教学科研工作， E ma i l ： y an g g s x u s t e du c n。 引用格式 ：杨更社 ，孙永岗，屈永龙，等混凝土水化热对白垩系地层冻结壁温度场影响的实测分析 J 煤炭工程， 2 0 1 4 ，4 6 ( 9 ) ：5- 7，1 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4 年第9期 结法设计 和施 工提供 依据。 l工 程概 况 甘肃省新庄矿位于甘肃省宁县西南部，地貌主要 由黄 土塬、黄土宽梁和河谷阶地组成，海拔 9 O O一1 2 2 0 m，自然 最大冻土深度8 6 e ra。矿井建设规模为8 0 0万 a ，采用主斜 井一副( 风) 立井综合开拓方式，风立井井筒采用双层钢筋 混凝土复合井壁结构。根据井筒检查钻孔地质报告，该矿 风立井穿越的地层自下而上为：侏罗系延安组( J 2 y ) ，厚度 约为 4 6 1 m；侏 罗系直罗组 ( J 2 z ) ，厚度约为 3 1 5 9 m；侏罗 系安定组( J 2 a ) ，厚度约为 3 1 3 2 m；白垩系洛河组( Kl 1 ) ， 厚度约为4 5 6 1 m；自垩系池环河华池组 ( K 1 h ) ，厚度约为 2 0 3 2 7 m和第四系黄土( Q) ，厚度约为 2 1 0 6 1 m。地层倾角 不大于7 。 ，产状呈微倾斜状 ，倾 向东。其中白垩系地层主 要 由泥质泥岩 、砂 质泥 岩、细粒 砂岩 、中粒砂 岩及 粗粒 砂 岩组成，该地层根据岩性的不同，其裂隙发育成度、透水 性等水文性质有些不同，但本质上裂隙不甚发育，透水性 不强，抗压强度 6 5 MP a ，岩体质量差 ，属于不坚固 中等 坚固岩石。针对该煤矿井筒地质条件及风井井筒月综合成 井( 7 0 m 月) 的施工要求，为了保证冻结壁的有效厚度和强 度，实现井筒尽快开挖 ，并使井筒连续掘砌施工，经过对 冻结壁形成及井筒掘进速度情况进行动态分析，以井筒掘 至各水平时，冻结壁能够保证连续安全掘砌施工为原则， 采用单圈孔一次冻全深的冻结方式。在采用冻结法之前， 已采用普通法掘进了9 0 m。该矿风井井筒净直径 7 5 m，最 大掘进荒径 1 1 3 m，从 井 口垂深 9 0 m处 开始 冻结 。冻 结 管 及冻结壁内测温元件布置如图 1所示。 北 西 南 图 1 冻结壁内测温元件布置 冻结壁 东 温度传感器 外层井壁 壁稳定性分析、井帮和外层井壁的稳定性分析，评价井壁的 养护状况、合理确定壁间( 壁后) 注浆时间等提供依据。 根据地层状况和井筒下部地压大、井壁受力条件复杂 等具体情况，结合该煤矿 冲积层埋藏特点和井筒冻结、掘 砌情况分析，风井选择 2个层位进行井壁温度场监测，见 表 1 。 表 1 温度监测层位 2 2测试 方 法和要 求 每个层位沿冻结井筒周边东、南、西、北 4个方向十 字形均匀布置。为了系统掌握新庄煤矿风井井壁筑壁和内 层井壁套壁过程的井壁及壁后冻土融化回冻特性，在每个 监测水平沿着径向布置 6个测点 ：冻结壁 、外层井壁分别 布置 3个 ( 1 、2 、3 ) 、3个 ( 4 、5 、6 ) 测点 ，如 图 2所 示 。3 、4 测点均布置在 “ 三壁 ”界面 5 0 m m 处 ，5 、6 测 点分别位于外层井壁的中间部位 ，1 2 测点和 2 3 测 点 的距离分别为 3 5 0 ra m、2 0 0 ra m；4 一 5 测点和 5 一6 测点 的距离相等 。 温度测点结合井筒掘砌实际情况进行埋设：沿井帮表 面向冻结壁内钻进深度6 0 0 m m的钻孔，设置三个测点后回 填碎 土 ；外 层井壁 三个测 点导线 沿径 向绑 扎在 钢筋上 。所 有测点埋设时都采取防护措施，防止绑扎钢筋和浇筑混凝 土过程中被破坏，加强测温电缆穿过冻结壁和外层井壁之 间的保护工作，其径向布置如图2所示。 图 2 测 温元 件埋 设位 置 ( n u n ) 冻结孔 压力传感器 3 监 测数据 及分 析 2 监测方案 2 1测试 目的及测 试层 位 检测外层井壁及壁后软岩的温度，进行温度场分析，随 时掌握冻结壁和外层井壁的厚度、平均温度和强度，为冻结 6 3 1 冻结壁监测数据分析 在 每个 水平 有 四个 监测 点 ，四个 点 的 实测 数 据相 近 ， 本文在两个水平选取同一方 向上的点监测进行分析，两个 水 平冻结壁 内受水化热影响 的曲线图如 图 3 、4所示 。从 图 中可以发现 ，冻结壁的温度变化可 以分为 2个 阶段 ： 1 )温度上升 阶段 ：混凝土浇筑后 ，发 生剧烈 的水化反 应，释放出大量的水化热，水化热的释放导致冻结壁内侧 温度的大幅度升高。第一、第二水平的 3 测点的温度值最 高，分别 达到 了 1 5 8 和 1 2 9 ，其 升温 幅度分 别 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第9 期 煤炭工程 2 7 3 和2 3 6 ；2 测点的温度最高值分别达到了5 8 c c 和 4 9 ，其升温幅度分别为 1 9 7 和 1 8 3 ，说明在两个水 平冻结壁的融化深度均超过了2 5 0 m m；3 测点的在两个水 平的温度最高值均没有达到正温 ，说 明在冻结壁的融化深 度没有超过 6 0 0 m m。 2 )温度下降阶段：随着混凝土内的水化反应逐渐减缓， 所释放的水化热量减少，而冻结管内盐水的持续传递冷能， 使冻结壁的温度重新下降，再次冻结。例如，在第二水平， 2 测点和 3 测点分别在 1 5 6 h和 2 6 1 h后温度从最高值降到 O ，回冻速率分别达到 了0 0 3 1 h和 0 0 4 9 h 。 时间 l l 图 3 第一水平冻结壁受水化热影 响曲线图 图 4 第二水平冻结 壁受水化 热影响 曲线图 对于热量的传递主要有三种方式 ：热传导、热对流、 热辐射，而混凝土水化热对冻结壁的影响主要是热传导。 在两个地层，其组成分别为中粒砂岩和粗粒砂岩 ，通过室 内试验得到，在相同含水率和温度的条件下 ，粗粒砂岩的 热传导系数大于中粒砂岩，这主要是 由于白垩系粗粒砂岩 比中粒砂岩密实，固体颗粒粒径明显大于中粒砂岩，但孔 隙较小，其相对小于中砂岩的那部分孔隙由矿物填充 ，热 导率增长较大，同时，粗砂岩颗粒粒径 的增大，介质的有 效比表面积就减小 ，从而减少了岩石内部的接触热阻，也 引起热导率的增加。第二水平粗粒砂岩热传导系数大于第 一 水平的中粒砂岩的热传导系数，这是造成第二水平冻结 壁在水化热的影响下温度最高值小于第一水平的原因之一。 对比图3和图4 ，看到第二水平各测点的温度最高值均 小于第一水平各测点的温度最高值，这是由于随着开挖深 度的增加，冻结壁井帮的温度和开挖后环境的温度都在降 低 ，第二水平岩石的热传导系数大于第一水平的热传导系 数，所以在混凝土浇筑完成后 ，水化热能很快地散发到温 度很低的冻结壁中，从而导致第二水平各测点处聚集的能 量减少 ，温度低 。 在降温阶段，3 测点和2 测点由于受到水化热的影响 比较大，所以在冷能占据主导地位后 ，而热能的供应不足 ， 导致其温度迅速下降 ，而 1 测点本身受到水化热的影响较 小，当水化热的影响进一步减小时，其降温速度小于 2 、 3 测点。测点处温度迅速下降的一个原因是混凝土水化热 的减少，另一个原因是水热迁移，因为当冻结壁内侧的温 度急剧升高后 ，从冻 结管 外壁 到井帮 之 间产生 了很大 的温 度梯度，在温度梯度的作用下，融化区的水分大量的向冻 结区迁移，同时带过去大量的热量，这就是 3 测点温度迅 速下降的原因。这同时能够解释，2 和 1 测点的温度最高 值均落后于 3 测点，因为热传导使得处于里面的 1 和 2 测 点 的温度迅速 的升高 ，但是 当 3 测 点 的热 能积 聚到最 高值 的时候，即其温度升到最高点的时候，仅热传导传到 内侧 的2 和 1 测点的部分热量和冻结管供应的冷能相互抵消， 没有使 2 和 l 测点的温度达到最高，但是当 3 测点的温度 下降时，其温度还很高，在热传导和迁移过来的热量共同 作用下 ，使 2 测点的温度达到最高点 ，之后 3 测点温度下 降，温度梯度的作用减小，所 以其后降温的速率也减小， 最后趋 于稳 定 ，2 和 1 测点也是如此 。 对 比图3和图4 ，可以发现第一水平 3 测点的正温的持 续 时 间是 3 6 8 h ，而 第 二 水 平 3 测 点 的正 温 持 续 时 间 是 2 8 3 h ，这也验证 了上面对 第二 水平 升温 幅度及 降温 速率 大 于第一水平分析的正确性，同时也说明了，第一水平外井 壁混凝土相对于第二水平的外井壁混凝土有更多的时间进 行正温养护。 3 2 水化热对冻结壁影响范围的计算 由于在每个水平的每个方向仅埋设了三个测点，没法 直 接确 定冻结壁受水 化热 影 响的深度 及融 化深 度 。本 文依 据三个测点的升温幅度和温度最高值，采用线性 回归的处 理方法，来估算冻结壁受水化热影响的深度和融化深度。 以第一水平的数值为例，其具体值见表 2 。 表2 第一水平冻结壁内部 3个测点的 温度相关值 根据 3个测点在冻结壁中的位置和受水化热影响达到 的最高温度值，作出曲线图， 通过图中回归的曲线，可以确 ( 下转第 1 1页) 7 加 m 0 枷 珈 、 赠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第9期 煤炭工程 6 )由于该地区冻结地层大多为岩石 ，冻结段放炮掘进 是不可避免的。根据在东部地区冻结井井筒基岩段放炮的 实验研究成果表 明 ，雷管延期 时间大于 3 r ( T为地层 的振 动 周期) 时 ，两次相邻的爆破彼此的振动是独立的。根据实验 对于岩石这个时间约为 51 1 5 m s 。因此，建议在设计爆破 图表时应尽量满 足这个 条件。 4结论 1 )针对大海则地层与井筒冻结的特点对冻结壁承载能 力进行了研究 ，认为该地区冻结壁厚度计算的控制层应选 在白垩系底部、冻结壁外荷载数值应小于东部地区常用的 重液公式所计算的值、根据地层特点和 目前凿井的施工工 艺，冻结壁厚度计算公式采用多姆克公式计算 比较符合地 层的特点。 2 )针对近年钻孔施工技术的进步，本文中四个井筒均 采用小孑 L 间距设计增加了冻结壁交圈的可靠性，有效避免 由于地下水流速过大、地层温度异常等原因造成冻结壁局 部 不交 圈而开天窗产生 的淹井事故 。 3 )针对西部地区含水软岩原始状态强度相对东部地区 表土强度较高的特点，冻结设计时应适当提高盐水温度 ， 加大冻结器的盐水流量，这样既保证了冻结壁的强度又提 高冻结系统的制冷效率。 4 )由于大海则矿区地层的特点 ，该矿区冻结井筒浅部 不 宜设计水 文孔 。 参考文献 ： 王建平 ，李长忠，许舒荣，等地层冻结技 术新进展 J 建井技术 ，2 0 1 1 ( 2 ) ：9 4 9 8 洪伯潜迅速发展的我国特殊凿井技术 c 全国煤炭 学会第六次全国体 表大会暨学术 论坛文 集北京 ：中国煤 炭学会 ，2 0 0 7 张文我 国冻结法凿井技术 的现状与成就 J 】 建 井技 术 ，2 0 1 2 ( 3 ) ：41 3 王建平 ，刘晓敏 ，陈红蕾 深大井筒 近千米 冻结设计 的探 讨 J 冰J 1 I 冻土 ，2 0 1 2 ，3 4 ( 6 ) ：1 3 5 81 3 6 3 李连华 ，刘冠军 ，王辉冻结法 在处理事 故井 中的应 用 及遇到 的 问题 J 山东 科技 大 学学 报 (自然科 学 版 ) ， 2 0 1 0 ( 8 ) ：1 8 31 8 5 王建平 ，李高 ，谭玉峰 ，等西 部地 区软 岩冻结设 计 比 较 J 建井技术 ，2 0 1 2 ( 2 ) ：3 73 9 ( 责任编辑郭继圣) ( 上接 第 7页 ) 定 曲线 和 x轴交点处 就是冻 结壁受 水化热 影响 的最大深 度 ( 以0 为冻融的临界温度) ，通过对方程的求解 ，可以确 定其值为4 0 9 m m，同理可以确定第二水平冻结壁的最大融 化深度 为 4 2 6 m m。对于混凝土水化热对冻结壁 的影响深度 ， 同样可以利用上述方法进行计算，根据 3个测点的升温幅 度和在冻结壁中的位置，计算 出第一水平和第二水平冻结 壁受水化热影响的深度分别为 1 1 2 9 m、1 6 4 4 m。通过以上 的计算 ，可以看出混凝土水化热对第二水平冻结壁的影响 范围及融化深度更大，造成这种现象的原因：一是 因为第 二水平粗粒砂岩热传导系数大于第一水平中粒砂岩的热传 导 系数 ；二是因为 随着 深度 的增加 地层 温度在 增加 ，井 筒 内风流 热量 交换 在减小 ，热量 损失在 减少 ；三是 因为冻 结 管内的盐水到达第二水平时，已吸收了上部地层热量，温 度升高，从而传递到岩石中的冷能量少。 4结论 1 ) 两个水 平的冻结壁在混凝土浇筑后温度 变化趋势 基 本相同，均出现了温度的升高和下降。随着混凝土水化热 的减少，冻结壁被融化的部分开始回冻，第一水平的 3 测 点的正温持续时间为3 6 8 h ，第二水平的 3 测点的正温持续 时间为 2 8 3 h ，所 以外井 壁至 少有 1 1 7 d的时 间不受 冻害 的 影响 。 2 )粗粒砂岩的热传导系数大于中粒砂岩的热传导系 数，是导致第二水平各测点温度低于第一水平各测点温度 的原因之一。在降温阶段，冻结壁内融化区域内水分向冻 峥虑 国 结区的迁移，致使大量的水化热流向了冻结区，使得各测 点 出现 了温度迅速下 降阶段 。 3 )通过对混凝土对冻结壁融化深度和影响深度的估 算，得出混凝土水化热对冻结壁最大融化深度约为 4 0 9 4 2 6 m m；混凝 土 水 化 热 对 冻 结 壁 的 最 大 影 响 深 度 约 为 1 1 2 91 6 4 4 m。第二水平受水化热的影响大于第一水平的 原因是热传导系数变大、地温增加、冻结冷能量减少及热 量损失减小 。 4 )通过以上分析 ，为了保证冻结壁的安全和稳定，应 在冻结壁与外井壁之间设置保温板，以减少外井壁混凝土 水化热对冻结壁 的影 响 ，同时 可 以增 加外 井壁混 凝土 的正 温养护时间。 参考文献 ： 1 杨更社 ，奚家米煤矿立井冻结设计 理论的研 究现状 与展望 J 地下空间与工程学报 ，2 0 1 0 ，3 ( 6 ) ：6 2 7 6 3 5 2 余波江 ，汪仁和 ，李栋伟混凝土水化热对 深井冻结壁冻融 规律影响的实测研究 J 煤炭工程 ，2 0 1 1 ( 1 O ) ：8 O一 8 6 3 胡坤 ，周国庆 ，荆留杰 ，等深厚 表土多圈管冻结温度场 演变规律研究 J 采矿 与安全 工程 学报 ，2 0 1 0 ，2 7( 2 ) ： 1 4 9 1 5 4 4 王渭明 ，吴克新 ，路林海深厚膨胀粘 土中冻结凿井 的温度 场测试与分布规律研究 J 岩土 力学 ，2 0 0 6，2 7 ( 增刊 ) ： 1 1 6 6一 l 1 6 9 5 刘建国深井裂 隙岩体 冻结温度 场数值 模拟 研究 J 科 技信息 ，2 0 1 1 ( 1 9) ：4 8 74 8 9 ( 责任编辑郭继圣) 1 1 二| 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m