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高流速富水砂层地铁隧道液氮冻结温度场演化规律研究

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：杨哲蔡海兵王彬李孟凯庞昌强安徽理工大学土木建筑学院河南理工大学河南省地下工程及灾变防控重点实验室

地铁隧道施工常受到地下水渗流的侵扰，常规盐水冻结无法满足大流速下的施工要求，而液氮超低温可使砂层快速冻结以达到砂层稳定和加固效果。因此，进行复杂的水热耦合分析以探究渗流条件下液氮冻结温度场的演化规律至关重要。基于能量... 详细信息

地铁隧道施工常受到地下水渗流的侵扰，常规盐水冻结无法满足大流速下的施工要求，而液氮超低温可使砂层快速冻结以达到砂层稳定和加固效果。因此，进行复杂的水热耦合分析以探究渗流条件下液氮冻结温度场的演化规律至关重要。基于能量，质量守恒定律建立了液氮冻结温度场-渗流场水热耦合数值模型，对不同渗流速度下液氮冻结温度场的演化规律及冻结帷幕的交圈时间进行研究。结果表明：渗流速度为10,12.5,15,17.5和20m/d的冻结帷幕交圈时间分别为：5.76,6.85,8.31,11.43和18.57d，冻结帷幕的交圈时间随渗流速度增大呈指数型增长。通过对模拟数据进行拟合，得出渗流场作用下液氮冻结帷幕交圈时间的预测公式，并计算出极限流速为22.26 m/d。渗流作用会引起冻结帷幕的不均匀性，渗流速度越大，不均匀性越强。各组渗流速度条件下的（Rd/Ru）分别为：1.23,1.35,1.53,1.76和2.12。对液氮冻结过程分析得到，“邻管效应”发生在冻结锋面减小至Lj后，该效应能够促使冻结锋面的扩展进入二次加速阶段，提高冻结锋面的扩展速度，加速冻结帷幕交圈；渗流产生的对流传热会减弱“邻管效应”，因此Lj会随着渗流速度的增加而减小，渗流速度为15.0m/d,17.5m/d和20.0m/d对应的Lj分别为389mm,355mm和254mm。研究成果可为大流速下地铁隧道液氮冻结法施工提供有效的指导和帮助。

关键词：液氮冻结大流速数值模拟水热耦合邻管效应冻结帷幕

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盐水冻结改液氮冻结安全施工技术

中国科技期刊数据库工业A 2024年第6期 0155-0158页

作者：韦存峰中煤隧道工程有限公司上海200000

地下工程暗挖段采用液氮冻结施工,属于有限空间危险性作业,必须严格按照要求做好安全防护工作。本文以上海市轨道交通14号线浦东大道站下穿大连路隧道暗埋段盐水冻结改液氮冻结施工为背景,阐述了超深地铁车站冻结暗挖常规盐水冻结加固... 详细信息

地下工程暗挖段采用液氮冻结施工,属于有限空间危险性作业,必须严格按照要求做好安全防护工作。本文以上海市轨道交通14号线浦东大道站下穿大连路隧道暗埋段盐水冻结改液氮冻结施工为背景,阐述了超深地铁车站冻结暗挖常规盐水冻结加固工艺在不能满足承载和封水的情况下,采用液氮冻结封水、补强冻土强度的工程案例,为类似工程提供一定的借鉴作用,确保地下暗挖通道液氮冻结的安全施工。

关键词：冻结暗挖液氮冻结通风气体检测

液氮冻结加固冻结管内换热机制及对流换热系数研究

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岩土力学 2022年第9期43卷 2624-2633页

作者：黄建华严耿明覃少杰福建工程学院土木工程学院福建福州350118 福建工程学院地下工程福建省高校重点实验室福建福州350118

液氮冻结加固是通过液氮在冻结管内沸腾吸热和对流换热来降低环境土层温度,快速冻结土层中水分形成具有支护效果的冻结帷幕。但相较于传统的盐水冻结技术,液氮冻结温度极低,温度场分布不均匀,影响冻结效果的因素更多,对液氮冻结过程热... 详细信息

液氮冻结加固是通过液氮在冻结管内沸腾吸热和对流换热来降低环境土层温度,快速冻结土层中水分形成具有支护效果的冻结帷幕。但相较于传统的盐水冻结技术,液氮冻结温度极低,温度场分布不均匀,影响冻结效果的因素更多,对液氮冻结过程热交换的研究较少。依据对流换热理论,分析了管内冻结能量交换过程,计算了液氮吸热的对流换热系数,模拟了液氮冻结温度场特征,并结合现场实测数据对液氮对流换热系数进行反传热分析,降低了对流换热系数计算误差。研究结果表明:液氮吸收热量的方式主要是液氮沸腾吸热以及低温氮气对流换热;以对流换热理论及其换热系数为基础的液氮冻结温度场模拟需要考虑换热系数随冻结时间和冻结深度变化,常量换热系数无法精确反映对流换热全过程,将导致积极冻结期与维护冻结期内温度下降趋势与实测情况、模拟温度与实测温度均产生差异,计算的温度场整体温度偏低;将冻结时间划分为16个时间段,冻结空间划分为4个区域,对换热系数进行非均匀性修正,使换热系数成为随冻结时间与空间变化的变量,不仅符合实际而且减小了误差,更契合工程实测数据。研究成果可为类似液氮冻结工程提供理论依据和技术参考。

关键词：液氮冻结冻结管温度场对流换热反传热分析

液氮冻结和冻融循环作用下煤样力学特性试验研究

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煤炭科学技术 2023年第5期51卷 82-92页

作者：楚亚培张东明杨瀚刘恒吴旭阳申通翟攀攀河南城建学院土木与交通工程学院河南平顶山467000 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044 炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室河南平顶山467000

我国煤储层渗透率普遍较低,如何提高煤储层渗透率是煤层气开发的重点和难点。近年来液氮致裂增渗煤体技术作为一种无水致裂增渗技术受到广泛关注。为揭示液氮冻结和冻融循环对煤体力学特性的影响,采用红外热成像技术对液氮冻结后煤样的... 详细信息

我国煤储层渗透率普遍较低,如何提高煤储层渗透率是煤层气开发的重点和难点。近年来液氮致裂增渗煤体技术作为一种无水致裂增渗技术受到广泛关注。为揭示液氮冻结和冻融循环对煤体力学特性的影响,采用红外热成像技术对液氮冻结后煤样的温度分布特征进行研究,并对液氮冻结和冻融循环后的煤样进行单轴压缩和声发射测试,对比分析了液氮冻结和冻融循环前后煤样的波速、孔隙率、声发射和能量演化特征,并对液氮冻结煤体损伤作用机理进行了讨论。结果显示:①经过360 min和12次冻融循环后,煤样的波速分别下降了58.2%和64.7%,波速在最初的冻结和冻融循环阶段中下降并不明显,随着冻结时间和冻融循环次数增加,波速逐渐下降。②随着冻结时间的增加,煤样的温度逐渐下降,液氮冻结180 s后,煤样的表面温度下降至−60℃以下,由于煤颗粒的热传导系数不同,导致煤样中心处的温度呈波动分布。③液氮冻结和冻融循环后,煤样的弹性模量呈指数函数降低的趋势,而煤样的孔隙率则逐渐增加,液氮冻融后煤样的孔隙率增量大于液氮冻结后煤样的孔隙率增量。④单轴加载过程中煤样的声发射活动分为发展阶段、活跃阶段和剧烈阶段,煤样的最大声发射振铃计数和累积声发射振铃计数随着冻结时间和冻融循环次数的增加而减小。⑤液氮冻结和冻融循环会削弱煤样的储能极限,造成在单轴加载过程中峰值点处的总能量、弹性能和耗散能的减少。

关键词：液氮冻结红外热成像冻融循环煤层增透岩石力学

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多冷媒联合冻结技术在盾构抢险中的应用

隧道建设(中英文) 2024年

作者：董涛廖先斌广东中煤江南工程勘测设计有限公司广东华隧高科建设有限公司

为解决地层冻结加固工程加固时间长、加固效果不足的问题，提出多冷媒联合制冷的新型技术，并以珠江三角洲水资源配置某盾构刀盘更换工程为案例背景，对液氮+盐水双冷媒联合冻结方案进行介绍。从地质条件、方案设计、数值计算验证和应... 详细信息

为解决地层冻结加固工程加固时间长、加固效果不足的问题，提出多冷媒联合制冷的新型技术，并以珠江三角洲水资源配置某盾构刀盘更换工程为案例背景，对液氮+盐水双冷媒联合冻结方案进行介绍。从地质条件、方案设计、数值计算验证和应用效果4个方面入手，对多冷媒联合冻结技术的可行性进行分析，并得出如下结论：1)液氮冻结速度快但均匀性欠佳、盐水冻结速度慢，但均匀性较好，二者联合冻结可以有效完成高风险地层中的盾构开舱换刀；2)液氮冻结会造成掌子面工作环境温度偏低，本案例中开挖掌子面温度低于-40℃，环境温度约-13℃，作业人员应注意低温防护；3)为保证施工效率，盾构换刀冻结工程施工应在冻结壁交圈后及时清空土舱泥浆，防止泥浆冻结。

关键词：多冷媒联合冻结盾构开舱盾构刀盘液氮冻结盐水冻结

冻结方式对黑斑蛙后腿肌肉持水性及肌原纤维蛋白结构特性的影响

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食品科学 2024年第13期45卷 264-274页

作者：劳梦甜曾璐瑶吴孟钊王海滨彭利娟王琦路洪艳曹能焦楚壹武汉轻工大学食品科学与工程学院湖北武汉430023 农产品加工与转化湖北省重点实验室(武汉轻工大学) 湖北武汉430023 湖北晓韵食品有限公司湖北黄冈438000 湖北和远气体股份有限公司湖北宜昌443000

本研究采用-20℃冰柜冻结、-50℃冰柜冻结、-50℃液氮冻结、-80℃液氮冻结处理黑斑蛙后腿,探究不同冻结方式及冻结温度对黑斑蛙后腿肌肉持水性及肌原纤维蛋白结构的影响。结果表明:-20℃冰柜冻结、-50℃冰柜冻结、-50℃液氮冻结、-80℃... 详细信息

本研究采用-20℃冰柜冻结、-50℃冰柜冻结、-50℃液氮冻结、-80℃液氮冻结处理黑斑蛙后腿,探究不同冻结方式及冻结温度对黑斑蛙后腿肌肉持水性及肌原纤维蛋白结构的影响。结果表明:-20℃冰柜冻结、-50℃冰柜冻结、-50℃液氮冻结、-80℃液氮冻结组通过最大冰晶生成带(-1~-5℃)的时间分别为91.5、57.0、1.5、0.5 min。相比两组冰柜冻结组,两组液氮冻结组的解冻损失率降低,不易流动水含量升高,自由水含量下降;相比新鲜样品,冷冻后黑斑蛙后腿的肌原纤维持水性、蛋白溶解度、总巯基含量、内源荧光强度显著下降,蛋白粒径、表面疏水性、无规卷曲相对含量呈现升高趋势。其中-50℃液氮冻结组的肌原纤维持水性、蛋白溶解度、总巯基含量、内源荧光强度分别下降了8.10%、9.57%、10.50%、67.36%,体积平均粒径、表面疏水性、无规卷曲相对含量分别增加了100.05%、82.24%、13.65%,变化幅度显著低于其他实验组(P液氮冻结组黑斑蛙后腿肌原纤维蛋白变性程度显著低于-20℃冰柜冻结组,但高于-50℃液氮冻结组(P冻结和-50℃液氮冻结组肌纤维排列较为紧密规则,-80℃液氮冻结的黑斑蛙肌纤维排列规整但有轻微裂隙,-20℃冰柜冻结组肌纤维出现明显破裂。综上,液氮冻结可减缓黑斑蛙后腿肌肉冷冻过程中水分迁移,有效抑制黑斑蛙肌原纤维蛋白的冷冻变性,其中-50℃液氮冻结效果优于-80℃液氮冻结。

关键词：黑斑蛙冻结方式液氮冻结肌原纤维蛋白微观结构

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液氮冻结对岩石抗拉及抗压强度影响试验研究

岩土力学 2016年第3期37卷 694-700,834页

作者：黄中伟位江巍李根生蔡承政中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点试验室北京102249 中国石油塔里木油田公司油气工程研究院新疆库尔勒841000

液氮温度极低(-195.8℃),当与储层岩石接触时,能够改变岩石物性并对岩石结构产生损伤致裂,因此,可用于储层压裂改造。为了研究液氮压裂时低温对岩石力学性能的影响,分别对不同含水状态(干燥与饱和)的不同类型(大理岩、砂岩和花岗岩)岩... 详细信息

液氮温度极低(-195.8℃),当与储层岩石接触时,能够改变岩石物性并对岩石结构产生损伤致裂,因此,可用于储层压裂改造。为了研究液氮压裂时低温对岩石力学性能的影响,分别对不同含水状态(干燥与饱和)的不同类型(大理岩、砂岩和花岗岩)岩石进行液氮冻结处理,并对冻结前、后岩样进行抗拉及单轴抗压强度对比测试。结果表明,经液氮冻结后,岩石的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量都降低;岩石在干燥状态下,液氮冻结对大理石强度的影响大于对红砂岩的影响;岩石饱和水状态下,液氮冻结对红砂岩强度的影响大于对大理岩的影响;饱和水状态岩石经液氮冻结后,其应力-轴应变曲线在弹性变形阶段出现一个拐点;对于同种类型岩石,饱和水状态能加剧液氮冻结并对岩石损伤,岩石强度影响显著;对3种岩样微观结构进行了电镜扫描(以大理岩为例进行分析),发现经液氮冻结后在矿物颗粒之间生成了微裂隙。研究结果可为进一步研究液氮压裂机制提供试验依据。

关键词：液氮冻结抗压强度抗拉强度含水状态岩石损伤

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液氮冻结条件下岩石孔隙结构损伤试验研究

岩土力学 2014年第4期35卷 965-971页

作者：蔡承政李根生黄中伟沈忠厚王海柱田守嶒位江巍中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室北京102249

液氮温度极低,约在-195.56^-180.44℃之间,当与岩石接触时会对岩石孔隙结构产生损伤。根据这一特点,低温液氮有望作为压裂流体对储层进行压裂改造。为了研究液氮冻结对岩石孔隙结构损伤的影响,选取两种不同砂岩岩样,分别在不同初始含水... 详细信息

液氮温度极低,约在-195.56^-180.44℃之间,当与岩石接触时会对岩石孔隙结构产生损伤。根据这一特点,低温液氮有望作为压裂流体对储层进行压裂改造。为了研究液氮冻结对岩石孔隙结构损伤的影响,选取两种不同砂岩岩样,分别在不同初始含水饱和度条件下进行液氮冻结处理。对冻结前、后的岩样进行孔隙度以及核磁共振测试,得到岩样在冻结前、后的孔隙度、横向弛豫时间T2分布以及T2谱面积变化情况。试验结果表明:液氮冻结会对岩石的孔隙结构产生损伤,损伤程度受到岩性、孔隙度和岩石含水饱和度等因素影响;岩石含水饱和度越大,损伤就越严重,当岩石含水饱和度达到100%时,岩石表面产生了明显裂纹;岩石在液氮冻结下损伤形式主要是微孔隙的发育和扩展,微孔隙的增加会使岩石孔隙结构的连通性增强,甚至会产生新的大尺寸孔隙,从而对孔隙结构造成严重损伤。

关键词：液氮冻结孔隙结构岩石损伤核磁共振液氮压裂

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液氮冻结管内沸腾段分布特征的试验研究

煤炭学报 2013年第7期38卷 1143-1148页

作者：石荣剑岳丰田张勇陆路中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学力学与建筑工程学院江苏徐州221116

为获得液氮冻结管内沸腾段的分布特征,采用在供液管上开孔的冻结管结构,进行了现场冻结试验,通过布置在冻结管内的测温管,测试了液氮冻结过程中冻结管内的温度,获得了冻结管内沸腾段的分布特征,得出以下基本结论:采用供液管上开孔的冻... 详细信息

为获得液氮冻结管内沸腾段的分布特征,采用在供液管上开孔的冻结管结构,进行了现场冻结试验,通过布置在冻结管内的测温管,测试了液氮冻结过程中冻结管内的温度,获得了冻结管内沸腾段的分布特征,得出以下基本结论:采用供液管上开孔的冻结管结构,冻结管内出现液氮沸腾状态时,冻结管出口氮气温度较传统液氮冻结的出口温度低。随着液氮灌注量的增加,在供液管开孔段上部位置首先出现液氮沸腾段,并逐渐向下延伸,直至下部冻结管全部进入沸腾段,而上部未开孔的范围内较难获得液氮沸腾状态。由于不同位置液氮气化量的差异,造成液氮沸腾段内形成的冻结壁均匀性较差。研究结果表明,调节供液管上的开孔范围和液氮供应量,可以有效控制冻结管内沸腾段分布范围,提高液氮利用效率,发挥液氮快速冻结的优势。

关键词：液氮冻结液氮沸腾段冻结管结构温度分布原型试验