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高地温巷道围岩非稳态温度场及隔热降温机理研究

张源  
【摘要】:热害已经成为继顶板、瓦斯、水、火、粉尘后的第六大矿井自然灾害。对于深部矿井,高地温因素在矿井热害的形成过程中起着决定性的作用,其中,高地温巷道以其通风线路长、暴露面积大、通风系统复杂等原因,最有可能在较大区域范围内影响到井下的气象环境。它不仅直接向风流传热使风温上升,还会对空调降温产生的冷空气造成热污染,降低人工制冷降温的效果。因此,需要研究高地温巷道围岩的传热问题,而其基本问题之一是巷道围岩的温度场。 论文采用理论分析、物理模拟和数值试验相结合的方法,提出了适用于巷道围岩温度场研究的物理相似试验方法;利用自主设计研制的高地温巷道热湿环境相似模拟试验系统,开展了巷道围岩温度场的物理试验研究,揭示了高地温巷道围岩温度分布特征及其演化规律;建立了巷道围岩非稳态温度场的数值解法,进行了高地温巷道围岩温度场的数值试验,进一步探讨了巷道围岩温度时空分布的演化规律;建立了具有阻热圈结构的高地温巷道围岩非稳态导热的数学模型,首次给出了阻热圈温度场的数值解法,开展了阻热圈结构隔热机理的研究,进一步完善了阻热圈概念的内涵。主要研究结论如下: 1)提出了适用于高地温巷道围岩温度场研究的物理相似试验方法。基于能量守恒定律和傅里叶定律,把高地温巷道围岩传热简化成一维半无限大单一介质空心圆薄片的导热问题,建立了巷道围岩非稳态导热的数学模型;依据相似理论,推导出了巷道围岩温度场的相似准则,得到了巷道围岩温度场物理模拟试验的相似常数关系式,在此基础上,提出了适合于高地温巷道围岩温度场研究的物理模拟试验方法。 2)自主设计研制了高地温巷道热湿环境相似模拟试验系统。基于巷道围岩温度场相似准则及物理相似试验方法,自主设计研制了用于高地温巷道围岩温度场研究的试验系统。该系统能够进行井巷常规通风降温、空调降温、隔热降温等物理模拟试验,是目前国内外已知尺寸最大、功能最全的用于矿井高地温井巷热湿环境相似模拟的专用试验平台。 3)开展了巷道围岩温度场的物理试验研究,揭示了高地温巷道围岩温度分布特征及其演化规律。采用自主设计研制的高地温巷道热湿环境相似模拟试验系统,研究了高地温巷道围岩温度分布特征及其动态变化规律,主要成果:(1)巷道通风以后,壁面温度急剧降低,很快就接近风温;随着通风时间的延长,温度扰动范围由浅到深逐渐扩展到巷道围岩深部;(2)巷道通风后,从巷道壁面到围岩深处,温度按指数函数(Θ=1-f_1(F_o, O) exp(f_2(F_o, O) R))形式逐渐增大;(3)随着通风时间的延长,巷道围岩温度以希尔方程(Θ=A/(F_o~m+B)+C)形式逐渐降低,在初期降低的幅度较大,整个过程中降幅在逐渐减小;(4)巷道围岩的温度梯度、热流密度和热流量的变化过程大致可以分成三个阶段,在围岩温度未被扰动时,温度梯度、热流密度和热流量均维持在很低水平;在围岩刚进入温度扰动范围到被充分扰动阶段,温度梯度、热流密度和热流量逐渐增加,直至到达峰值;围岩温度被充分扰动以后,温度梯度、热流密度和热流量逐渐降低,逐渐重新恢复到较低水平。 4)进行了高地温巷道围岩温度场的数值试验研究,验证了物理相似试验结果及所建立的巷道围岩温度场数学模型的合理性,进一步探讨了巷道围岩温度时空分布的演化规律,主要成果:(1)利用数值方法,验证了物理试验中巷道围岩无量纲温度与无量纲半径之间符合指数函数、与无量纲时间之间符合希尔方程,以及温度梯度、热流密度和热流量具有三阶段分布特征等结论;(2)巷道围岩温度扰动范围与无因次时间之间呈幂函数关系(R=2.75Fo+1),对于与模拟条件接近的巷道围岩,其通风4年后进入准稳态,最大温度扰动范围25m左右;(3)巷道围岩无量纲温度与毕渥数Bi之间呈指数函数(Θ=A exp(BBi)+C)关系,Bi越大,无量纲温度越低,说明增大风速有助于加大排热量;当Bi达到极值以后,巷道围岩的温度并不随着Bi的增大而显著降低,说明风速增大到一定值后,降温效果不再明显。 5)研究了具阻热圈结构巷道围岩温度分布特征及阻热圈隔热机理。建立了具有阻热圈结构的巷道围岩导热数学模型;采用热平衡法,建立了高地温巷道围岩阻热圈温度场的数值解法,编写了阻热圈温度场数值试验的专用计算机源程序,开展了阻热圈隔热结构隔热机理的研究,主要成果:(1)阻热圈内温度分布具有明显的分区域特点,区域界线处在喷浆层与注浆层,以及注浆层与深部岩体的交界面。(2)与无阻热圈的巷道围岩相比,有阻热圈结构的巷道围岩的温度场具有壁面温度低、内部温度高的总体特点;壁面温度在通风初期降低的速率更快,且喷浆层导热系数越小,壁面温度越低;(3)阻热圈内喷浆层和注浆层的导热系数越小,岩体内的温度就越高;(4)注浆层内温度分布分为两部分:靠近喷浆层的一小段区域是注浆层导热越好,其温度越高;靠近深部岩体的其余大部分注浆层区域是导热越好,其温度越低。(5)在阻热圈的喷浆层和注浆层内,其导热系数越小,温度梯度就越大,热流密度就越小,隔热效果越明显;在通风初期,相同的导热系数降幅,喷浆层隔热效果优于注浆层;通风3个月以后,注浆层的隔热效果优于喷浆层。(6)阻热圈结构对于减少巷道围岩散热效果显著,巷道服务期内可减排29~40%,且通风早期,效果更明显。


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