冻结井外壁温度场的额数值模拟方法.pdf

第24卷 第3期 2007年09月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 2.新汶矿业集团公司,山东 泰安 271233 摘要为了深入研究冻结井外壁水化热温度场的变化规律及其对冻结壁的影响,开展了外壁温 度场数值模拟方法的研究,详细介绍了混凝土水化生热过程、 冻土的融化及再冻结相变过程、 聚 苯乙烯泡沫板压缩过程的数值模拟技术要点,在此基础上,利用ANSYS程序,建立了参数化的 有限元模型,开展了龙固副井深部外壁温度场的数值模拟研究.龙固副井外壁及壁后冻土温度的 现场实测数据证实了本数值模拟方法的可行性.最后,全面分析了影响外壁温度场数值模拟结果 可靠性的各种因素,并提出了提高数值模拟结果可靠性的主要技术措施. 关键词冻结法凿井;外层井壁;温度场;数值模拟 中图分类号 TD 265. 33 文献标识码 A Numerical Simulation About Temperature Field of Outer Shaft Lining During Freezing Sinking WANG Yan2sen1, LI Bing2sheng2, ZHAN G Kai2shun2, SONG Lei1, REN Yan2long1 1. School of Architecture and Civil Engineering , China University of Mining 2. Xinwen Mining Group Co. , Taian , Shandong 271233 , China Abstract In order to investigate the varying rule of hydration heat temperature field of outer shaft lining and it’s influence on the freezing wall during freezing sinking , the numerical simu2 lation techniques of the temperature field of outer shaft lining were studied , essential technique points such as concrete heat generating process , frozen soil thawing and re2freezing , and foam board compressing were introduced in detail. In addition , the finite element model was estab2 lished with ANSYS software. The feasibility of the numerical simulation technique was verified by it’s application in the auxiliary shaft of Longgu Mine. Finally , factors affecting reliability of the numerical simulation were also analyzed and some corresponding s to enhance the reliability of the numerical simulation put forward. Key words freezing sinking; outer shaft lining ; temperature field ; numerical simulation 深厚冲积层冻结井外壁多属于现浇大体积混 凝土结构.外壁水化热温度场与冻结壁温度场相互 影响,一方面,水化热导致壁后冻土升温甚至融化, 影响其强度与变形;另一方面,外部冷量向井壁内 传导,将改变混凝土的养护温度,影响其强度增长. 因此,考虑内部水化热温度场与外部冻结温度场的 相互影响,开展外壁温度场的研究具有重要意义. 研究外壁温度场的数值模拟方法,建立相应的 数值模型,并通过龙固副井外壁温度场的数值模拟 及工程实测,对其可行性与可靠性进行检验. 1 水泥水化生热速率的模拟 井壁温度场数值模拟的技术要点之一是水泥 水化生热过程的模拟.研究表明水泥水化的累计 第3期王衍森等冻结井外壁温度场的数值模拟方法 生热量可采用指数表达式描述[1] Q τ Q01-em τ ,1 式中 Q τ为龄期为τ时的累计水化生热量,kJ/ kg;Q0为最终水化生热量,kJ/ kg;τ为龄期,d; m 为随水泥品种、 比表面积及浇筑温度而变化的常 数. Q0与m可通过绝热温升试验或工程实测资料 反演取值. 将式1对τ求导,可得水化生热速率 Q τ mQ0e- m τ. 2 式2表明τ 0时刻水化生热速率最大.事实 上,混凝土浇筑后存在数小时的 “诱导期”,该期间 水化反应极为缓慢,水化生热速率近似为零;此后 水化反应加速,经一定时间生热速率方才达到最大 值 [2] .换言之,混凝土浇筑初期,实际水化生热速率 曲线与2式函数曲线并不完全一致. 为此,可根据混凝土浇筑后 “第1 d内总生热 量不变” 的原则,按式3将生热速率曲线加以改 进,即把τ0- 1 d之间的生热速率曲线改为 “ τ 0～ τm之间线性增加,τm～1 d之间线性下降的双折 线” 形式 [3] .改进后的水化生热过程更接近实际,有 助于提高混凝土浇筑后早期水化热温度场的模拟 精度见图1 . 图1 水泥水化生热速率曲线 Fig. 1 Heat generation rate curve of cement Q 0,0 ≤ τ 20 2048210 20 A262. 00. 728. 1 2020400820 A362. 8125. 31318428918 A461. 20. 730. 19. 514. 5385814.5 B168. 8125. 3 20 2041010 20 B265. 2131. 6 2020369920 B367. 7127. 21317. 5393917.5 B464. 40. 733. 99. 514. 5353814.5 由计算结果可见,施工至500 m深度以下,井 帮温度为- 20℃ 的条件下 1 外壁浇筑后0. 7～1 d即可达到最高温度, 在泡沫板分别为3 ,5 d压实的条件下,最高温度分 别在61. 2～63. 8℃,64. 4～68. 8℃ 之间,相应地, 井壁内外的最大温差分别在23. 3～30. 1℃,25. 3 ～33. 9℃ 之间. 2 井内温度为0℃ 时,井壁的外表面先降至负 温,全断面正温养护时间至少为20 d ;井内温度为 - 5℃ 时,井壁的内表面先进入负温,全断面正温 养护时间9. 5～13 d. 3 壁后冻土在第8～10 d达到最大融化范围, 在泡沫板分别为3 ,5 d压实的条件下,冻土的最大 融化范围分别为385～482 mm ,353～410 mm.融 土回冻最早在第14. 5 d完成. 由此预测龙固副井深部C70混凝土外壁施 工时,将面临高水化热及由此带来的井壁温度裂缝 控制难题;但是,尽管可能面临- 20℃ 的井帮低温 及泡沫板快速压缩隔热性能下降造成的不利影 响,外壁仍有不少于9. 5～20 d甚至超过20 d的 全断面正温养护时间.鉴于高强混凝土早期强度增 长迅速,因此,外壁浇筑后早期强度增长将不受低 温影响,无冻害危险. 5. 4 现场工程实测 施工至494 ,532 ,550 m时,开展了外壁及壁 后冻土温度的现场实测,其中494 m深度处外壁 采用C65混凝土,但其水泥用量与C70基本相同, 部分实测数据见表5. 表5 现场实测数据 Table 5 Data of in2situ measurement 地层 深度/ m 外 壁 最高温度/ ℃ 最高温度出现 时间/ d 内外最大温差/ ℃ 内表面降至 0℃ 时间/ d 外表面降至 0℃ 时间/ d 壁后冻土 最大融化 范围/ mm 融化停止 时间/ d 回冻完成 时间/ d 49467. 01. 2022. 635. 923. 621512.921.4 53268. 71. 1025. 925. 917. 6--17.6 55062. 41. 1827. 721. 817. 2--17.2 由实测数据可见 1 “井壁最高温度及出现时间、 井壁内外最大 温差、 壁后冻土回冻完成时间” 的实测值与数值计 算值较一致,接近于与数值模拟计算结果. 2 井壁内、 外表面进入负温的时间更接近 “井 内温度为0℃,风速为0. 5 m/ s” 的情形,但内、 外 913 采矿与安全工程学报第24卷 表面进入负温的时间间隔实测值大于计算值,换言 之,井壁外表面进入负温后,冷量向井内方向的扩 展速度比数值模拟显示的情形慢. 3 冻土融化范围,仅494 m深度获得了实测 值,小于数值计算值. 需指出的是,龙固副井冻结凿井期间的监测表 明,施工至494 ,532 ,550 m深度时 1 井帮平均温度分别为- 17. 3 , - 17. 6 , - 18. 9℃. 2 掘进迎头井心空气温度分别为- 2. 45 , - 4. 25 , - 4. 55℃. 3 外壁浇筑后6～7 d以内,吊盘上的环境温 度分别为11～7. 6 ,5. 6～4. 5 ,3. 6～3. 3℃;7～ 20 d之间,井壁上仪表箱内的温度分别为20. 3～ 5. 3 ,20. 5～2. 1 ,16. 6～0. 3℃,此温度值应基本接 近于 “外壁内表面附近的环境温度”. 由此可见,外壁浇筑后0～20 d内,其内表面 附近的空气温度基本以正温为主,只有532 m深 度处,后期接近或略低于0℃.因此,井内环境空气 温度取值较实际工程偏低,应是数值计算结果中, “井内温度为- 5℃ 时,井壁的内表面先进入负温” 的原因所在. 总体对比分析表明,考虑外壁水化热温度场与 冻结壁温度场的相互影响,采用本文方法开展冻结 井外壁温度场的数值模拟研究是可行的,结果较为 可靠. 6 数值模拟可靠性的影响因素分析 影响外壁温度场数值模拟可靠性的主要因素 如下 1 混凝土水化热释放过程的模拟方法及参数 取值; 2 壁后冻土相变过程的模拟方法及冻土参数 取值; 3 泡沫板压缩过程中导热性能的模拟方法及 参数取值; 4 混凝土热物理参数的取值; 5 初始、 边界条件的设置及参数取值. 上述 1 ～ 4 项中,数值模拟的技术难点已解 决,关键在于参数的取值. 考虑到水泥水化生热参数、 泡沫板与混凝土的 热物理参数可通过试验测定;深部原状冻土的热物 理参数可基于地层冻结测温数据,通过反演提高取 值精度[10],因此,采取适当措施,可以有效地消除 上述因素对数值模拟可靠性的不利影响. 模型的初始及边界条件是影响数值模拟可靠 性的关键因素. “初始温度场近似为稳态温度场” 的合理性决 定了数值模拟的可靠性.显然,冻结时间越久,冻结 壁温度场越趋近于稳态,相应地,内圈管轴面上温 度越均匀.此时,“初始温度场视为稳态温度场,内 圈管轴面视为恒温边界” 越合理;否则将影响数值 模拟结果的可靠性,而将早期的非稳态冻结壁温度 场视为稳态将造成严重错误. “模型的上、 下端部边界视为绝热边界” 对数值 模拟可靠度的影响程度随着模拟段高数增多而减 小,因此,应尽量取较多的段数、 较大的模型高度开 展计算,并取高度方向的中间截面开展研究.此外, 作为对流散热边界,外壁内表面的散热效果取决于 环境温度、 风速及表面粗糙度,其中后两者不难确 定,而井内环境温度变化也可结合工程实测资料进 行模拟. 综上所述,本文所述外壁温度场的数值模拟技 术是可行的.尤其是对于深厚冲积层冻结井外壁, 采用上述初始及边界条件较为合理,通过采取适当 措施,有效地提高模型参数的取值精度,将能显著 地提高数值模拟结果的可靠度与精度. 7 结 论 1 水泥水化生热、 冻土融化及冻结相变、 泡沫 板压缩过程的模拟是外壁温度场数值模拟的关键 环节,采用本文阐述的方法,能够成功地完成上述 关键过程的模拟,为外壁温度场的数值模拟的开展 提供了技术保障. 2 模型的初始及边界条件是影响数值模拟可 靠性的关键.对于深厚冲积层冻结井外壁,按文中 方法设置初始及边界条件较合理,同时,通过试验、 数值反演等手段提高计算参数的取值精度,将能够 有效地提高数值模拟结果的可靠性. 3 龙固副井深部外壁温度场的数值模拟结果 与现场实测数据的对比研究,证实了本文提出的外 壁温度场数值模拟方法的可行性与可靠性. 参考文献 [1] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北 京中国电力出版社,1999. [2] 穆红英.关于外加剂、 混合材料对硅酸盐水泥的水化 热影响研究[D].大连大连理工大学,2000. [3] 王衍森.特厚冲积层中冻结井外壁强度增长及受力 与变形规律研究[D].徐州中国矿业大学建筑工程 学院, 2005.下转第325页 023 第3期尚 涛等白音华露天煤矿合理开采规模和工艺研究 Coal Mining Technology , 20014 829. [4] 张幼蒂,李克民,尚 涛,等.露天矿倒堆剥离工艺的 发展及其应用前景露天矿倒堆剥离开采方法系列论 文之一[J ].中国矿业大学学报,2002 ,31 4 3312 334. ZHANG You2di , LI Ke2min , SHANG Tao , et al. Open cast and its application prospect in sur2 face mines in China technical paper series for open cast in surface mines Ⅰ [J ]. Journal of China University of Mining Technology , 2002 ,31 4 3312334. [5] 张幼蒂,郭昭华,杨云浩,等.倒堆剥离拉斗铲规格选 择露天矿倒堆剥离开采方法系列论文之二[J ].中 国矿业大学学报,2002 ,315 3412343. ZHANG You2di , GUO Zhao2hua , YANG Yun2hao , et al.Selection of draglines for open cast mining technical paper series for open cast in surface minesⅡ [J ]. Journal of China University of Min2 ing Technology , 2002 ,315 3412343. [6] 张幼蒂,傅洪贤,王启瑞,等.抛掷爆破与剥离台阶开 采参数分析露天矿倒堆剥离开采方法系列论文之四 [J ].中国矿业大学学报,2003 ,321 27230. ZHANG You2di , FU Hong2xian , WANG Qi2rui , et al. Casting blast and analysis of mining parameters of stripping bench technical paper series for open cast in surface mines Ⅳ [J ]. Journal of China University of Mining Technology , 2003 ,32 1 27230. [7] 尚 涛,张幼蒂,李克民,等.露天煤矿拉斗铲倒堆剥 离工艺运煤系统优化选择露天矿倒堆剥离开采方法 系列论文之三[J ].中国矿业大学学报,2002 ,316 5712574. SHANG Tao , ZHANG You2di , LI Ke2min , et al. Optimal selection of coal haulage system in open cast miningtechnical paper series for open cast in surface minesⅢ [J ]. Journal of China University of Mining Technology , 2002 ,316 5712574. 上接第320页 [4] 崔广心,杨维好,吕恒林.深厚表土中的冻结壁与井 壁[M].徐州中国矿业大学出版社,1999. [5] 杨世铭,陶文铨.传热学[ M].北京高等教育出版 社,1998. [6] 龚曙光,谢桂兰. ANSYS操作命令与参数化编程 [M].北京机械工业出版社,2004. [7] 叶琳昌,沈 义.大体积混凝土施工[M].北京中国 建筑工业出版社,1987. [8] 李 东,潘育耕.混凝土水化放热瞬态温度场数值计 算过程中的水化放热规律及水化速率问题[J ].西安 建筑科技大学学报,1999 ,313 2772279. LI Dong , PAN Yu2geng. Law and velocity of hydro2 thermo dissipation in the calculation of concrete tran2 sient temperature field[J ]. Journal of Xi’an Univer2 sity of Architecture Technology , 1999 , 31 3 2772279. [9] 徐学祖,王家澄,张立新.冻土热物理学[ M].北京 科学出版社,2001. [10] 王衍森,杨维好,任彦龙.冻结法凿井冻结温度场的 反演与模拟[J ].中国矿业大学学报, 2005 ,345 6262629. WANG Yan2sen , YANG Wei2hao , REN Yan2long. Numerical back analysis and simulation of tempera2 ture field for shaft sinking with artificial ground freezing [J ]. Journal of China University of Mining Technology , 2005 ,345 6262629. 523