【摘要】：高溫深部礦井圍巖與風流間熱交換及熱狀態(tài)預測是一個極其復雜的傳熱、傳質(zhì)過程,對研究礦井熱害問題的治理起著至關重要的作用。本文開展了高溫深部礦井圍巖與風流間熱交換及數(shù)值模擬計算方法研究,目的是立足國內(nèi)外眾多研究結果的基礎上,結合流體力學、熱力學和傳熱學等理論,通過模擬實驗、數(shù)學分析和數(shù)值模擬等方法對上述問題開展深入系統(tǒng)的分析工作,并將研究成果應用于礦井熱害的預防與治理工程實踐中,為解決高溫礦井熱害問題提供理論依據(jù)和實用方法手段。在礦井的熱環(huán)境中,圍巖散熱是引起礦井熱環(huán)境惡化的重要影響因素,當原巖溫度與巷道內(nèi)流動的風流溫度存在溫差時就會進行傳熱。圍巖是以熱傳導方式將熱量傳遞給壁面,再通過圍巖壁面?zhèn)鬟f給周圍環(huán)境。圍巖的原巖溫度隨著開采深度的增加而逐漸升高。深部礦井中圍巖散發(fā)的熱量值很大,甚至會大于其他種類物質(zhì)的熱流量之和。因此,治理高溫礦井熱害問題首先要研究高溫礦井圍巖散熱問題。在解決工程及科學問題時,常用的研究手段大都分為理論分析,數(shù)值求解以及實驗室實驗等。隨著計算科學的發(fā)展,應用數(shù)學物理方法求解工程實踐問題已經(jīng)取得了很大的發(fā)展。但是,由于受到工程問題復雜性的影響,一般只能得到幾種少數(shù)簡單情況下的解析解。為滿足現(xiàn)實實踐中的需要,應運計算機進行數(shù)值模擬計算已經(jīng)成為解決工程實際中復雜問題的有效手段。采用區(qū)域劃分理論的離散方法正成為強有力的工具,它能夠解決上述復雜問題并進行大規(guī)模的高能運算。本文首先以巷道風流熱交換及熱狀態(tài)預測類問題為依托,開展數(shù)值模擬計算方法的選擇工作,并分析高溫礦井巷道圍巖散熱規(guī)律。根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律,建立了巷道圍巖溫度場數(shù)學模型,運用有限體積計算方法對其進行離散分析,并采用消元法求解出非穩(wěn)態(tài)巷道圍巖溫度場。重點闡述了有限體積計算方法的基本思想和基本原理,以圍巖溫度場導熱問題為例說明了有限體積計算方法的具體求解過程。建立了非均質(zhì)巷道圍巖與風流間熱交換的相似模擬實驗模型,利用實驗結果對文中非均質(zhì)巷道圍巖溫度場數(shù)學模型進行實驗驗證,通過對比分析,發(fā)現(xiàn)有限體積法計算結果和相似模擬實驗結果吻合,兩者得到的巷道圍巖溫度場時空曲線變化趨勢一致,驗證了文中有限體積計算方法對傳熱問題研究的科學性與準確性。同時又進行理論分析,并使用有限體積計算方法解算了巷道同圍巖間的不穩(wěn)定換熱準數(shù),計算結果同理論曲線一致。另外,使用有限體積計算方法和相似模擬實驗平臺得到了巷道圍巖溫度場的分布規(guī)律,以及不同位置處溫度隨時間的變化規(guī)律。對巷道壁面處溫度分析后發(fā)現(xiàn),同等外界條件下,導熱系數(shù)、導溫系數(shù)大處溫度值略高。實例計算分析了巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)溫度場變化過程,形象給出了巷道圍巖溫度場冷卻圈的變化規(guī)律,利用牛頓冷卻公式和解算得到的巷道壁面溫度求出了非穩(wěn)態(tài)過程中巷道圍巖散熱量及其變化趨勢。由此說明,本文所提出的有限體積計算方法對研究圍巖溫度場問題具有一定的指導意義,同時為本文后面建立采煤工作面圍巖散熱模型、采空區(qū)熱風防治模型奠定了基礎。研究高溫采煤工作面熱交換及熱狀態(tài)預測方面的問題首先是要開展采煤工作面圍巖溫度場問題的研究。根據(jù)高溫采煤工作面圍巖散熱機理、采煤工作面的推進規(guī)律,基于煤的熱物理性質(zhì)同巖石的熱物理性質(zhì)存在著很大的差異性,以及煤系地層中各層巖石分布的差異性,參考非均質(zhì)巷道圍巖溫度場研究的基礎上,建立了非均質(zhì)采煤工作面圍巖溫度場控制方程。進一步拓展了應用有限體積法模擬計算連續(xù)推進中采煤工作面的圍巖放熱規(guī)律。通過對該控制方程的內(nèi)部單元和邊界單元進行分析,運用有限體積計算方法對其進行了離散,采用了消元法求解并編制相應解算程序解算了非均質(zhì)采煤工作面圍巖溫度場。分析確定了采煤工作面溫度場的邊界條件,并且以實際工程地質(zhì)條件為例,計算得到了持續(xù)推進中的采煤工作面圍巖分布云圖。通過對其變化特點進行分析比較,得到了推進速度和對流換熱強度對采煤工作面溫度場變化的影響,同時對比巷道圍巖溫度場分析了推進中的采煤工作面溫度擾動范圍。最后通過計算的采煤工作面壁面過余溫度和牛頓冷卻公式得到了多種工作條件下的采煤工作面圍巖放熱量。長壁采煤工作面之所以存在采空區(qū)漏風的現(xiàn)象是由于采煤工作面內(nèi)通風壓差的作用引起的。隨著礦井不斷向深部開采,在現(xiàn)代采煤工藝提高的影響下,綜采工作面的產(chǎn)量不斷增加以及工作面推進速度不斷加快,工作面溫度急劇上升。受采煤工作面通風壓差作用的影響,越來越多的新鮮風流進入采空區(qū)內(nèi)。這些進入采空區(qū)內(nèi)的氣體同采空區(qū)內(nèi)的遺煤發(fā)生低溫氧化作用,使得采空區(qū)的熱量慢慢積聚并持續(xù)升高,處于熱狀態(tài)的流體不斷的從流出采空區(qū),涌向采煤工作面,這就必然造成回采工作面溫度急劇升高,尤其是在回風隅角處的熱害問題越來越嚴重,制約著礦井的安全高效生產(chǎn)。煤礦綜采工作面普遍存在著回風側(cè)漏風嚴重且回風隅角處溫度顯著上升的問題,必須針對工作面回風隅角處熱害問題提出具體防治措施。采空區(qū)范圍內(nèi)的煤氧復合作用是一個及其復雜多物理場耦合問題。它涉及到氧氣的擴散、氣體的滲流、固體及氣體間熱交換問題的研究。根據(jù)質(zhì)量守恒定律和Darcy定律,建立了采空區(qū)熱風抽放滲流模型,根據(jù)傳熱學理論和能量守恒定律,建立了采空區(qū)熱風抽放流、固多孔介質(zhì)溫度場模型,根據(jù)質(zhì)量守恒定律和Fick定律,建立了采空區(qū)熱風抽放氧氣擴散模型,基于采空區(qū)滲流場、氣、固多孔介質(zhì)溫度場及氧濃度場的多場耦合,編制了采空區(qū)熱風抽放解算程序,通過對比分析確定了采空區(qū)的熱風抽放方案,為研究采空區(qū)熱風抽放對采煤工作面熱害防治工作的作用奠定了基礎。上述研究內(nèi)容為采煤工作面熱狀態(tài)預測提供了堅實的理論基礎。在采煤工作面內(nèi),各種類型之間的熱源相互影響、相互作用,是一個有機整體。充分分析進風順槽及回采工作面的換熱特征后,基于能量守恒原理,建立了進風順槽及回采工作面熱狀態(tài)預測數(shù)學模型。使用有限差分的方法對上述數(shù)學模型進行離散,并基于采空區(qū)熱風抽放解算程序,編制了進風順槽及回采工作面熱狀態(tài)預測解算程序。根據(jù)巷道圍巖散熱和采煤工作面圍巖散熱的研究內(nèi)容分別計算了進風順槽及回采工作面內(nèi)圍巖同風流間熱交換的不穩(wěn)定換熱系數(shù)。以具體的工程實際條件分析對象,求解出風流溫度的變化規(guī)律及各因素間的相互影響規(guī)律,說明了采空區(qū)熱風抽放對采煤工作面熱害治理的作用效果,為礦井熱害預防和治理等工程實踐提供了理論支撐和實用方法。論文的創(chuàng)新性主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)根據(jù)煤礦井下煤系地層大多成層狀分布特點,且各層圍巖的熱物理性質(zhì)具有一定的差異性。本文使用有限體積計算方法建立了非均質(zhì)巷道圍巖溫度場數(shù)學模型,解算了非均質(zhì)巷道圍巖溫度場。并使用相似模擬使用平臺對其進行驗證,得到了非均質(zhì)巷道圍巖溫度場的散熱規(guī)律。(2)應用有限體積法模擬計算了持續(xù)推進中采煤工作面圍巖放熱規(guī)律�；诿旱臒嵛锢硇再|(zhì)同巖石的熱物理性質(zhì)存在著很大的差異性且煤系地層中各層巖石分布的差異性,建立了非均質(zhì)采煤工作面圍巖溫度場控制方程,并對其進行解算。分析了影響采煤工作面圍巖散熱的主要因素,并求解了在多種狀態(tài)下的圍巖散熱量和推進過程中溫度的擾動范圍。(3)在采空區(qū)多場耦合的基礎上編制了采空區(qū)熱風抽放解算程序,通過對比分析確定了采空區(qū)熱風抽放方案。分析了幾種通風阻力狀態(tài)下的采空區(qū)熱風抽放效果。完善了進風順槽及回采工作面熱狀態(tài)預測理論,以具體實例說明了采空區(qū)熱風抽放對采煤工作面熱害治理的作用效果。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD727.2
【圖文】：

巖的原始巖溫；③在巷道軸向方向上熱④巷道內(nèi)風流溫度恒定不變。析，沿通風方向上巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)溫度度上的巷道圍巖散熱問題，根據(jù)傅里葉場非穩(wěn)態(tài)導熱積分方程為：2 22 21( + )d ( )dD DnT T Tx y a ，m；系數(shù)，m2/s；件

設計圍巖溫度場相似模擬實驗平臺，如圖3.6 所示，該平臺由三大系統(tǒng)組成，分別為風流控制系統(tǒng)（圖 3.8）、數(shù)據(jù)監(jiān)控采集系統(tǒng)和模型主體（圖 3.9）。風流參數(shù)控制系統(tǒng)控制風流溫度范圍為-30 ℃～120 ℃，溫度偏差 1 ℃，控制精度為±0.1 ℃。巷道模型主體尺寸為 700 mm×700 mm×300mm，由不銹鋼板焊接而成，其巷道直徑為 100 mm，模型主體內(nèi)鋪設五層熱物理性質(zhì)不同的相似模擬材料，模型外圍表面均鋪設 50 mm 厚的保溫材料。數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)為 Datataker800 數(shù)據(jù)采集器，可以采集相關信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動傳輸。溫度傳感器是整個實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，本文實驗采用鉑熱電阻進行測溫，測溫范圍-50 ℃～300 ℃，測量精度±0.1 ℃

圖 3.7 模型主體中測點布置圖Fig.3.7 Layout of measuring points in model圖.3.8 風流控制系統(tǒng)Fig.3.8 Wind flow control system

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