高地溫巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)及隔熱降溫機(jī)理研究.pdf

1、熱害已經(jīng)成為繼頂板、瓦斯、水、火、粉塵后的第六大礦井自然災(zāi)害。對(duì)于深部礦井,高地溫因素在礦井熱害的形成過程中起著決定性的作用,其中,高地溫巷道以其通風(fēng)線路長(zhǎng)、暴露面積大、通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜等原因,最有可能在較大區(qū)域范圍內(nèi)影響到井下的氣象環(huán)境。它不僅直接向風(fēng)流傳熱使風(fēng)溫上升,還會(huì)對(duì)空調(diào)降溫產(chǎn)生的冷空氣造成熱污染,降低人工制冷降溫的效果。因此,需要研究高地溫巷道圍巖的傳熱問題,而其基本問題之一是巷道圍巖的溫度場(chǎng)。
　　論文采用理論分析、物理

2、模擬和數(shù)值試驗(yàn)相結(jié)合的方法,提出了適用于巷道圍巖溫度場(chǎng)研究的物理相似試驗(yàn)方法;利用自主設(shè)計(jì)研制的高地溫巷道熱濕環(huán)境相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng),開展了巷道圍巖溫度場(chǎng)的物理試驗(yàn)研究,揭示了高地溫巷道圍巖溫度分布特征及其演化規(guī)律;建立了巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)值解法,進(jìn)行了高地溫巷道圍巖溫度場(chǎng)的數(shù)值試驗(yàn),進(jìn)一步探討了巷道圍巖溫度時(shí)空分布的演化規(guī)律;建立了具有阻熱圈結(jié)構(gòu)的高地溫巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的數(shù)學(xué)模型,首次給出了阻熱圈溫度場(chǎng)的數(shù)值解法,開展了阻熱圈結(jié)

3、構(gòu)隔熱機(jī)理的研究,進(jìn)一步完善了阻熱圈概念的內(nèi)涵。主要研究結(jié)論如下:
　　1)提出了適用于高地溫巷道圍巖溫度場(chǎng)研究的物理相似試驗(yàn)方法?；谀芰渴睾愣珊透道锶~定律,把高地溫巷道圍巖傳熱簡(jiǎn)化成一維半無(wú)限大單一介質(zhì)空心圓薄片的導(dǎo)熱問題,建立了巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的數(shù)學(xué)模型;依據(jù)相似理論,推導(dǎo)出了巷道圍巖溫度場(chǎng)的相似準(zhǔn)則,得到了巷道圍巖溫度場(chǎng)物理模擬試驗(yàn)的相似常數(shù)關(guān)系式,在此基礎(chǔ)上,提出了適合于高地溫巷道圍巖溫度場(chǎng)研究的物理模擬試驗(yàn)方法。<

4、br>　　2)自主設(shè)計(jì)研制了高地溫巷道熱濕環(huán)境相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)?；谙锏绹鷰r溫度場(chǎng)相似準(zhǔn)則及物理相似試驗(yàn)方法,自主設(shè)計(jì)研制了用于高地溫巷道圍巖溫度場(chǎng)研究的試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠進(jìn)行井巷常規(guī)通風(fēng)降溫、空調(diào)降溫、隔熱降溫等物理模擬試驗(yàn),是目前國(guó)內(nèi)外已知尺寸最大、功能最全的用于礦井高地溫井巷熱濕環(huán)境相似模擬的專用試驗(yàn)平臺(tái)。
　　3)開展了巷道圍巖溫度場(chǎng)的物理試驗(yàn)研究,揭示了高地溫巷道圍巖溫度分布特征及其演化規(guī)律。采用自主設(shè)計(jì)研制的高地溫巷

5、道熱濕環(huán)境相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng),研究了高地溫巷道圍巖溫度分布特征及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,主要成果:(1)巷道通風(fēng)以后,壁面溫度急劇降低,很快就接近風(fēng)溫;隨著通風(fēng)時(shí)間的延長(zhǎng),溫度擾動(dòng)范圍由淺到深逐漸擴(kuò)展到巷道圍巖深部;(2)巷道通風(fēng)后,從巷道壁面到圍巖深處,溫度按指數(shù)函數(shù)(Θ=121?f(Fo,O)exp(f(Fo,O)R))形式逐漸增大;(3)隨著通風(fēng)時(shí)間的延長(zhǎng),巷道圍巖溫度以希爾方程(()/mACFoB+Θ=+)形式逐漸降低,在初期降低的幅度較

6、大,整個(gè)過程中降幅在逐漸減小;(4)巷道圍巖的溫度梯度、熱流密度和熱流量的變化過程大致可以分成三個(gè)階段,在圍巖溫度未被擾動(dòng)時(shí),溫度梯度、熱流密度和熱流量均維持在很低水平;在圍巖剛進(jìn)入溫度擾動(dòng)范圍到被充分?jǐn)_動(dòng)階段,溫度梯度、熱流密度和熱流量逐漸增加,直至到達(dá)峰值;圍巖溫度被充分?jǐn)_動(dòng)以后,溫度梯度、熱流密度和熱流量逐漸降低,逐漸重新恢復(fù)到較低水平。
　　4)進(jìn)行了高地溫巷道圍巖溫度場(chǎng)的數(shù)值試驗(yàn)研究,驗(yàn)證了物理相似試驗(yàn)結(jié)果及所建立的巷道

7、圍巖溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的合理性,進(jìn)一步探討了巷道圍巖溫度時(shí)空分布的演化規(guī)律,主要成果:(1)利用數(shù)值方法,驗(yàn)證了物理試驗(yàn)中巷道圍巖無(wú)量綱溫度與無(wú)量綱半徑之間符合指數(shù)函數(shù)、與無(wú)量綱時(shí)間之間符合希爾方程,以及溫度梯度、熱流密度和熱流量具有三階段分布特征等結(jié)論;(2)巷道圍巖溫度擾動(dòng)范圍與無(wú)因次時(shí)間之間呈冪函數(shù)關(guān)系(2.751RFo=+),對(duì)于與模擬條件接近的巷道圍巖,其通風(fēng)4年后進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài),最大溫度擾動(dòng)范圍25m左右;(3)巷道圍巖無(wú)量綱溫度與

8、畢渥數(shù)Bi之間呈指數(shù)函數(shù)(Θ=Aexp(BBi)+C)關(guān)系,Bi越大,無(wú)量綱溫度越低,說明增大風(fēng)速有助于加大排熱量;當(dāng)Bi達(dá)到極值以后,巷道圍巖的溫度并不隨著Bi的增大而顯著降低,說明風(fēng)速增大到一定值后,降溫效果不再明顯。
　　5)研究了具阻熱圈結(jié)構(gòu)巷道圍巖溫度分布特征及阻熱圈隔熱機(jī)理。建立了具有阻熱圈結(jié)構(gòu)的巷道圍巖導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型;采用熱平衡法,建立了高地溫巷道圍巖阻熱圈溫度場(chǎng)的數(shù)值解法,編寫了阻熱圈溫度場(chǎng)數(shù)值試驗(yàn)的專用計(jì)算機(jī)源程序

9、,開展了阻熱圈隔熱結(jié)構(gòu)隔熱機(jī)理的研究,主要成果:(1)阻熱圈內(nèi)溫度分布具有明顯的分區(qū)域特點(diǎn),區(qū)域界線處在噴漿層與注漿層,以及注漿層與深部巖體的交界面。(2)與無(wú)阻熱圈的巷道圍巖相比,有阻熱圈結(jié)構(gòu)的巷道圍巖的溫度場(chǎng)具有壁面溫度低、內(nèi)部溫度高的總體特點(diǎn);壁面溫度在通風(fēng)初期降低的速率更快,且噴漿層導(dǎo)熱系數(shù)越小,壁面溫度越低;(3)阻熱圈內(nèi)噴漿層和注漿層的導(dǎo)熱系數(shù)越小,巖體內(nèi)的溫度就越高;(4)注漿層內(nèi)溫度分布分為兩部分:靠近噴漿層的一小段區(qū)域