一种冻结壁交圈时间判断方法
【专利摘要】一种冻结壁交圈时间判断方法，首先查看盐水状态和冻结管最大散热期的盐水温度，从而确定冻结管最大散热系数Kt，测量冻结管的外径de、查看立井井筒处的围岩土的种类，根据取芯实验室确定比热容m和密度ρ，该围岩土形成的岩层的温度扩散系数和测量岩层的原始温度t0,测量每个层位的最大成孔间距为LC，然后分别通过计算计算单根冻结管第一天冻土发展半径、计算单根冻结管第n天冻土发展半径、计算冻结交圈第二时间T2，最后计算冻结交圈时间,冻结交圈时间T等于第二时间T2加上冻结站前期盐水温度没达到设计值的准备时间T1，该方法可以从大量的客观数据得到冻结交圈的时间，避免了经验法和工程类比法的苛刻条件。
【专利说明】
-种冻结壁交圈时间判断方法
技术领域
[0001] 本发明设及立井井筒领域，尤其设及一种冻结壁交圈时间判断方法。
【背景技术】
[0002] 冻结法施工立井井筒，冻结壁溫度场发展的预测是非常重要的，预测的准确与否 直接影响到井筒掘搁的速度和下一阶段的施工安排，甚至影响到井筒施工安全和冻结管安 全。W往冻结法施工立井井筒，经常会发生断管和淹井事故，在总结血的教训的同时，广大 技术科技人员都在努力研究更加准确可靠的立井冻结溫度场计算与预测理论，期望能够更 加准确的掌握冻结壁发展状况。
[0003] 如果在工程设计方案之前就做好预测工作，可W更好的指导冻结方案设计工作， 从技术源头抓好掘搁和冻结的协调关系。保证立井掘搁安全最根本、也是最有效的方法就 是制定一个好的冻结方案，也是避免安全问题的最好的"预防针"。因此，在冻结方案设计完 成后应根据该方案首先进行预测，再根据预测的结果进一步优化方案，才能最大程度地保 证掘搁的安全、连续进行。
[0004] 目前施工单位和科研单位都在积极研究冻结计算和模拟技术，其中就包括了冻结 预测技术，但大多都处在完善和实验阶段，有的还一直在使用经验法，虽然运些技术对冻结 的预测有很大帮助，但有时误差太大，仍然不能作为可靠的井筒施工依据。因此，急需一种 准确地获得冻结情况的预测的方法，首先我们需要解决冻结壁交圈时间判断问题，为掘搁 施工提供重要指导，及时采取最为合适的措施，创造最优的施工条件。
【发明内容】
[0005] 本发明的所要解决的技术问题在于不能准确的判断冻结壁交圈时间，本发明采用 W下技术方案解决上述技术问题的：
[0006] -种冻结壁交圈时间判断方法，其特征在于，包括W下步骤：
[0007] (1)查看盐水状态和冻结管最大散热期的盐水溫度，从而确定冻结管最大散热系 数Kt,测量冻结管的外径de、查看立井在该处的围岩±的种类，确定相应的±比热容m和密 度P，该围岩±形成的岩层的溫度扩散系数和测量岩层的原始溫度to,测量每个层位的最大 成孔间距为Lc，统计冻结站前期盐水溫度没达到设计值的准备时间Tl;
[000引（2)计算单根冻结管第一天冻±发展半径，计算公式如下：
[0009]
[0010]其中Ri为第一天冻±发展半径(从to降到(TC的圆柱区域）；
[0011] (3)计算单根冻结管第n天冻±发展半径，计算公式如下：
[0012]
[001引其中：日为溫度扩散系数;n为冻结天数；
[0014] (4)计算冻结交圈第二时间T2的计算公式如下：
[0015]
[0016] 其中：n为冻结天数，取等于号就是交圈第二时间T2;
[0017] (5)计算冻结交圈时间，冻结交圈时间T等于第二时间T2加上冻结站前期盐水溫度 没达到设计值的准备时间Tl,
[0018] 进一步地，步骤(1)之前还包括W下步骤：
[0019] 首先假设原岩溫度从to降到(TC为一个循环，盐水和岩层热能交换可W用如下公 式表不：
[0020]
[0021] 其中he为岩层厚度；
[0022] 然后，从上述公式推导出权利要求1中的单根冻结管第一天冻±发展半径的公式。
[0023] 进一步地，步骤(2)之前还包括W下步骤：
[0024] 首先假设第一天发展半径化，第二天发展到化?? ?第n天发展到Rn。
[0025] 冻结管每天送冷量近似相等，故有：
[0026]
[0027]式中Q表示冻结管每天的送冷量，At = t〇-〇表示每天发展的冻结壁的溫度差为常 数，根据上式可得到：
[002引
[0029] 然后，由上式可得单根冻结管第n天冻±发展半径 O
[0030] 进一步地，步骤(3)之前还包括W下步骤：
[0031] 首先因为冻结壁交圈受该层位最大冻结孔间距控制，相邻冻结孔的冻±相交后即 为冻结交圈，故获得公式：
[0032] 2Rn>Lc
[0033]
[0034] 然后由上式可得冻结交圈第二时间T2。
[0035] 本发明的优点在于：
[0036] (1)本发明所得出的冻结壁溫度场计算公式中只有一两个主观参数，其他全部为 冻±试验所得到的客观参数，大大减少人为主观所造成的误差，计算得到的结果与实际结 果非常接近。
[0037] (2)本发明可W满足立井冻结施工所需的绝大多数的工程数据。
[0038] (3)本发明可W优化冻结方案，在冻结方案讨论过程中，提供可靠的预测数据，进 而根据预测数据发现方案的缺陷和不足，从而提前改进冻结方案。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明的立井冻结溫度场发展与分布计算模型图；
[0040] 图2为本发明的冻结冻结孔布置图。
【具体实施方式】
[0041] W下结合附图对本发明进行详细的描述。
[0042] 冻结是经过电能将氨或者二氧化碳等材料液化冷却，和盐水循环系统进行热能交 换，低溫盐水再和岩层进行热能交换，从而达到降低岩±溫度的目的，最后形成完整的冻结 壁。W下结合附图对本发明进行详细的描述。
[0043] 如附图1-2所示，图中，1为冻结管；2的区间范围代表第一天冻结壁发展位置;3的 区间范围代表冻结影响范围;4的区间范围代表冻结壁计算半径Rn。
[0044] -、冻结管单孔冻结管热能交换公式
[0045] 假设原岩溫度从to降到(TC为一个循环，盐水和岩层热能交换可W用如下公式表 示：
[0046]
(1)
[0047] 通过上式可W推演出冻结第一天的冻结壁发展半径化：
[004引
（2)
[0049] 二、单根冻结管第n天冻±发展半径
[0050] 假设第一天发展半径化，第二天发展到化?? ?第n天发展到Rn。
[0051] 冻结管每天送冷量近似相等，故有：
[00对
巧)
[0053] 式中Q表示冻结管每天的送冷量，At = t〇-〇表示每天发展的冻结壁的溫度差为常 数，根据上式可得到：
[0054] (4)
[0化5]
[0化6]
[0057]冻结壁发展是从冻结管外壁开始，逐渐向四周发展，岩±溫度也是从冻结管外壁 开始慢慢降溫，但降溫的幅度与离冻结管距离的远近有关，离冻结管越远的地方，溫度下降 的越慢，运是由冷量在冻结管周围分部不均造成的，绝大多数冷量被冻结管附近的冻±吸 收了，只有少量冷量扩散到较远的地方。通过模拟可知，在冻结扩散半径W内的冷量占总送 冷量的60%左右，运和±的导热能力密切相关(导热能力越大，溫度扩散范围越大，反之亦 然），也有一小部分冷量扩散到影响范围W外的地方，还有一部分是地热影响，被消耗掉了 (运就是为何在冻结立井开机前，要弄清楚周围地下水流情况和水源井使用情况的原因）， 所^冻±扩散半径计算公式应做相应调整：
[005引
（6)
[0059] 其中：a为溫度扩散系数，n为冻结天数。
[0060] 不同岩层的溫度扩散速度不一样，且能量损失大小不一样，故不同岩层溫度扩散 系数见下表：
[0062] 溫度扩散系数取值表
[0063 ] S、计算冻结交圈时间公式；
[0064] 根据W上分析可知，n为冻结天数，单个冻结孔冻±发展速度为Rn，冻结层位的冻 结孔成孔最大间距假设为Lc,显然冻结壁交圈受此最大间距控制，相邻冻结孔的冻±相交 后即为冻结交圈，故：
[0065] 巧）
[0066] 导出冻结交圈第二时间T2的计算公式：
[0067] (8)
[0068] 取等于号就是交圈时间。由于计算式（2)中kt基于盐水溫度取值是-20度，同时公 式(4)也是在假设冻结站送冷量稳定的基础上，所W根据W上公式计算出的冻结交圈时间 不包括冻结站前期盐水溫度没达到设计值的时间。通常冻结站盐水溫度从20度降到-20度 需要一段时间，根据公式(8)计算出的冻结交圈时间应加上运个准备时间，盐水降溫阶段时 间为Tl;
[0069] 即祐结方關时巧T的A宵公古责. (9)
[0070]
[0071] 具体实施例如下：
[0072] 3个水文孔分别为Sl孔、S2孔、S3孔，Sl孔、S2孔、S3孔深度分别为92m，153m、338m， 所对应的层位的最大钻孔间距分别为1.816m，2.026m，2.269m，岩性分别是粘质粉砂、粗砂、 碱石层，统计出Sl孔、S2孔、S3孔盐水降溫阶段时间Tl均为9天。
[0073] 第一步，根据溫度扩散系数取值表和Sl孔、S2孔、S3孔的岩性特质，a取值分别为 0.53、0.58、0.63.
[0074] 测得Sl孔盐水状态为层流，冻结管最大散热期的盐水溫度零下26/°C;
[0075] 测得S2孔盐水状态为层流，冻结管最大散热期的盐水溫度零下28/°C;
[0076] 测得S3孔盐水状态为层流，冻结管最大散热期的盐水溫度零下30/°C;
[0077] 根据下表Kt取值范围均为kt= (882000~1080000)J/(m2 ? h);
[007引
[0079] 测得Sl层位其他参数分别为：to= 19°C，m= 1200J/kg ? °C ,P = 2300kg/m3，de = 0?159m，Lc二I.816m;
[0080] 测得52层位其他参数分别为：切=2〇.4°(：，111=12〇(^/1^.°(：，0 = 22〇〇1^/1113，(16 = 0.159m，Lc = 2.026m;
[0081] 测得53层位其他参数分别为：切=25.8°(：，111=12〇(^/1^-°(：，0 = 26〇〇1^/1113，、(16 = 0.159m，Lc = 2.269m;
[0082] 第二步，根据公式i
.可W得出公式：
[0083]
[0084] 第S步，将Sl孔、S2孔、S3孔的参数分别带入上述计算交圈第二时间T2.
[00化]将Sl的参数带入上式得:T2 = 28天；
[00化]将S2的参数带入上式得:T2 = 30天；
[0087] 将S3的参数带入上式得:T2 = 42天；
[0088] 第四步，计算分别Sl孔、S2孔、S3孔的交圈时间，分别将将Sl孔、S2孔、S3孔的交圈 第二时间T2加上盐水降溫阶段时间Tl的时间，可得：
[0089] Sl孔的交圈时间：T = 37天；
[0090] S2孔的交圈时间：T = 39天；
[0091] S3孔的交圈时间：T = 51天。
[0092] 实际的Sl孔、S2孔、S3孔的实际交圈时间为35、38、48天。
[0093] 由上式计算出来的交圈时间和水文孔实际冒水时间相差很小。有误差时间是由于 在测试过程中有参数的范围的选择，该误差也在正常范围内。
[0094] W上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用W限制本发明创造，凡在本 发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种冻结壁交圈时间判断方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 查看盐水状态和冻结管最大散热期的盐水温度，从而确定冻结管最大散热系数Kt， 测量冻结管的外径de和查看立井在该处的围岩土的种类，确定相应的土比热容m和密度P， 该处的围岩土形成的岩层的温度扩散系数和测量岩层的原始温度to,测量每个层位的最大 成孔间距为U，统计冻结站前期盐水温度没达到设计值的准备时间T 1; (2) 计算单根冻结管第一天冻土发展半径，计算公式如下：其中办为第一天冻土发展半径(从to降到(TC的圆柱区域）； (3) 计算单根冻结管第η天冻土发展半径，计算公式如下：其中:α为温度扩散系数;η为冻结天数； (4) 计算冻结交圈第二时间Τ2的计算公式如下：其中:η为冻结天数，取等于号就是交圈第二时间T2; (5) 计算冻结交圈时间，冻结交圈时间T等于第二时间T2W上冻结站前期盐水温度没达 到设计值的准备时间Tu2. 根据权利要求1所述的一种冻结壁交圈时间判断方法，其特征在于，步骤（1)之前还 包括以下步骤： 首先假设原岩温度从to降到(TC为一个循环，盐水和岩层热能交换用如下公式表示： 共Tneyi/石;云序没；然后，从上述公式推导出单根冻结管第一天冻土发展半径的公式。3. 根据权利要求1所述的一种冻结壁交圈时间判断方法，其特征在于，步骤(2)之前还 包括以下步骤： 首先假设第一天发展半径R1，第二天发展到R2· ··第η天发展到Rn; 冻结管每天送冷量近似相等，故有：式中Q表示冻结管每天的送冷量，At = t〇-〇表示每天发展的冻结壁的温度差为常数，根 据上式可得到：4. 根据权利要求1所述的一种冻结壁交圈时间判断方法，其特征在于，步骤(3)之前还 包括以下步骤： 首先因为冻结壁交圈受该层位最大冻结孔间距控制，相邻冻结孔的冻土相交后即为冻 结交圈，故获得公式： 2Rn^Lc然后由上式可得冻结交圈第二时间T2。
【文档编号】G06F19/00GK106021867SQ201610305519
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】张海骄, 姚直书, 王成博, 魏玮, 潘辉, 杨海若, 李世辉
【申请人】淮南矿业(集团)有限责任公司