高地溫巷道圍巖非穩態溫度場及隔熱降溫機理研究.pdf

1、熱害已經成為繼頂板、瓦斯、水、火、粉塵后的第六大礦井自然災害。對于深部礦井,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線路長、暴露面積大、通風系統復雜等原因,最有可能在較大區域范圍內影響到井下的氣象環境。它不僅直接向風流傳熱使風溫上升,還會對空調降溫產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。
　　論文采用理論分析、物理

2、模擬和數值試驗相結合的方法,提出了適用于巷道圍巖溫度場研究的物理相似試驗方法;利用自主設計研制的高地溫巷道熱濕環境相似模擬試驗系統,開展了巷道圍巖溫度場的物理試驗研究,揭示了高地溫巷道圍巖溫度分布特征及其演化規律;建立了巷道圍巖非穩態溫度場的數值解法,進行了高地溫巷道圍巖溫度場的數值試驗,進一步探討了巷道圍巖溫度時空分布的演化規律;建立了具有阻熱圈結構的高地溫巷道圍巖非穩態導熱的數學模型,首次給出了阻熱圈溫度場的數值解法,開展了阻熱圈結

3、構隔熱機理的研究,進一步完善了阻熱圈概念的內涵。主要研究結論如下:
　　1)提出了適用于高地溫巷道圍巖溫度場研究的物理相似試驗方法?；谀芰渴睾愣珊透道锶~定律,把高地溫巷道圍巖傳熱簡化成一維半無限大單一介質空心圓薄片的導熱問題,建立了巷道圍巖非穩態導熱的數學模型;依據相似理論,推導出了巷道圍巖溫度場的相似準則,得到了巷道圍巖溫度場物理模擬試驗的相似常數關系式,在此基礎上,提出了適合于高地溫巷道圍巖溫度場研究的物理模擬試驗方法。<

4、br>　　2)自主設計研制了高地溫巷道熱濕環境相似模擬試驗系統?；谙锏绹鷰r溫度場相似準則及物理相似試驗方法,自主設計研制了用于高地溫巷道圍巖溫度場研究的試驗系統。該系統能夠進行井巷常規通風降溫、空調降溫、隔熱降溫等物理模擬試驗,是目前國內外已知尺寸最大、功能最全的用于礦井高地溫井巷熱濕環境相似模擬的專用試驗平臺。
　　3)開展了巷道圍巖溫度場的物理試驗研究,揭示了高地溫巷道圍巖溫度分布特征及其演化規律。采用自主設計研制的高地溫巷

5、道熱濕環境相似模擬試驗系統,研究了高地溫巷道圍巖溫度分布特征及其動態變化規律,主要成果:(1)巷道通風以后,壁面溫度急劇降低,很快就接近風溫;隨著通風時間的延長,溫度擾動范圍由淺到深逐漸擴展到巷道圍巖深部;(2)巷道通風后,從巷道壁面到圍巖深處,溫度按指數函數(Θ=121?f(Fo,O)exp(f(Fo,O)R))形式逐漸增大;(3)隨著通風時間的延長,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階段,在圍巖溫度未被擾動時,溫度梯度、熱流密度和熱流量均維持在很低水平;在圍巖剛進入溫度擾動范圍到被充分擾動階段,溫度梯度、熱流密度和熱流量逐漸增加,直至到達峰值;圍巖溫度被充分擾動以后,溫度梯度、熱流密度和熱流量逐漸降低,逐漸重新恢復到較低水平。
　　4)進行了高地溫巷道圍巖溫度場的數值試驗研究,驗證了物理相似試驗結果及所建立的巷道

7、圍巖溫度場數學模型的合理性,進一步探討了巷道圍巖溫度時空分布的演化規律,主要成果:(1)利用數值方法,驗證了物理試驗中巷道圍巖無量綱溫度與無量綱半徑之間符合指數函數、與無量綱時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論;(2)巷道圍巖溫度擾動范圍與無因次時間之間呈冪函數關系(2.751RFo=+),對于與模擬條件接近的巷道圍巖,其通風4年后進入準穩態,最大溫度擾動范圍25m左右;(3)巷道圍巖無量綱溫度與

8、畢渥數Bi之間呈指數函數(Θ=Aexp(BBi)+C)關系,Bi越大,無量綱溫度越低,說明增大風速有助于加大排熱量;當Bi達到極值以后,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)研究了具阻熱圈結構巷道圍巖溫度分布特征及阻熱圈隔熱機理。建立了具有阻熱圈結構的巷道圍巖導熱數學模型;采用熱平衡法,建立了高地溫巷道圍巖阻熱圈溫度場的數值解法,編寫了阻熱圈溫度場數值試驗的專用計算機源程序

9、,開展了阻熱圈隔熱結構隔熱機理的研究,主要成果:(1)阻熱圈內溫度分布具有明顯的分區域特點,區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)與無阻熱圈的巷道圍巖相比,有阻熱圈結構的巷道圍巖的溫度場具有壁面溫度低、內部溫度高的總體特點;壁面溫度在通風初期降低的速率更快,且噴漿層導熱系數越小,壁面溫度越低;(3)阻熱圈內噴漿層和注漿層的導熱系數越小,巖體內的溫度就越高;(4)注漿層內溫度分布分為兩部分:靠近噴漿層的一小段區域