【摘要】：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、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。 論文采用理論分析、物理模擬和數(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)溫度場的數(shù)值解法，進(jìn)行了高地溫巷道圍巖溫度場的數(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的數(shù)值解法，開展了阻熱圈結(jié)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化成一維半無限大單一介質(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的相似準(zhǔn)則，得到了巷道圍巖溫度場物理模擬試驗(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研究的物理模擬試驗(yàn)方法。 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。 3）開展了巷道圍巖溫度場的物理試驗(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，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=1-f_1(F_o, O) exp(f_2(F_o, O) R)）形式逐漸增大；（3）隨著通風(fēng)時(shí)間的延長，巷道圍巖溫度以希爾方程（Θ=A/(F_o~m+B)+C）形式逐漸降低，在初期降低的幅度較大，整個(gè)過程中降幅在逐漸減�。唬�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)果及所建立的巷道圍巖溫度場數(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)中巷道圍巖無量綱溫度與無量綱半徑之間符合指數(shù)函數(shù)、與無量綱時(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)范圍與無因次時(shí)間之間呈冪函數(shù)關(guān)系（R=2.75Fo+1），對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）巷道圍巖無量綱溫度與畢渥數(shù)Bi之間呈指數(shù)函數(shù)（Θ=A exp(BBi)+C）關(guān)系，Bi越大，無量綱溫度越低，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的數(shù)值解法，編寫了阻熱圈溫度場數(shù)值試驗(yàn)的專用計(jì)算機(jī)源程序，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)域是注漿層導(dǎo)熱越好，其溫度越高；靠近深部巖體的其余大部分注漿層區(qū)域是導(dǎo)熱越好，其溫度越低。（5）在阻熱圈的噴漿層和注漿層內(nèi)，其導(dǎo)熱系數(shù)越小，溫度梯度就越大，熱流密度就越小，隔熱效果越明顯；在通風(fēng)初期，相同的導(dǎo)熱系數(shù)降幅，噴漿層隔熱效果優(yōu)于注漿層；通風(fēng)3個(gè)月以后，注漿層的隔熱效果優(yōu)于噴漿層。（6）阻熱圈結(jié)構(gòu)對于減少巷道圍巖散熱效果顯著，巷道服務(wù)期內(nèi)可減排29~40%，且通風(fēng)早期，效果更明顯。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TD322.4;TD727.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2266020