【摘要】：高溫深部礦井圍巖與風(fēng)流間熱交換及熱狀態(tài)預(yù)測(cè)是一個(gè)極其復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程,對(duì)研究礦井熱害問(wèn)題的治理起著至關(guān)重要的作用。本文開(kāi)展了高溫深部礦井圍巖與風(fēng)流間熱交換及數(shù)值模擬計(jì)算方法研究,目的是立足國(guó)內(nèi)外眾多研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,結(jié)合流體力學(xué)、熱力學(xué)和傳熱學(xué)等理論,通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)分析和數(shù)值模擬等方法對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展深入系統(tǒng)的分析工作,并將研究成果應(yīng)用于礦井熱害的預(yù)防與治理工程實(shí)踐中,為解決高溫礦井熱害問(wèn)題提供理論依據(jù)和實(shí)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(dāng)原巖溫度與巷道內(nèi)流動(dòng)的風(fēng)流溫度存在溫差時(shí)就會(huì)進(jìn)行傳熱。圍巖是以熱傳導(dǎo)方式將熱量傳遞給壁面,再通過(guò)圍巖壁面?zhèn)鬟f給周?chē)h(huán)境。圍巖的原巖溫度隨著開(kāi)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?xí)笥谄渌N類(lèi)物質(zhì)的熱流量之和。因此,治理高溫礦井熱害問(wèn)題首先要研究高溫礦井圍巖散熱問(wèn)題。在解決工程及科學(xué)問(wèn)題時(shí),常用的研究手段大都分為理論分析,數(shù)值求解以及實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)等。隨著計(jì)算科學(xué)的發(fā)展,應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法求解工程實(shí)踐問(wèn)題已經(jīng)取得了很大的發(fā)展。但是,由于受到工程問(wèn)題復(fù)雜性的影響,一般只能得到幾種少數(shù)簡(jiǎn)單情況下的解析解。為滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)實(shí)踐中的需要,應(yīng)運(yùn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算已經(jīng)成為解決工程實(shí)際中復(fù)雜問(wèn)題的有效手段。采用區(qū)域劃分理論的離散方法正成為強(qiáng)有力的工具,它能夠解決上述復(fù)雜問(wèn)題并進(jìn)行大規(guī)模的高能運(yùn)算。本文首先以巷道風(fēng)流熱交換及熱狀態(tài)預(yù)測(cè)類(lèi)問(wèn)題為依托,開(kāi)展數(shù)值模擬計(jì)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(chǎng)數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用有限體積計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)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(chǎng)。重點(diǎn)闡述了有限體積計(jì)算方法的基本思想和基本原理,以圍巖溫度場(chǎng)導(dǎo)熱問(wèn)題為例說(shuō)明了有限體積計(jì)算方法的具體求解過(guò)程。建立了非均質(zhì)巷道圍巖與風(fēng)流間熱交換的相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)文中非均質(zhì)巷道圍巖溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,通過(guò)對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)有限體積法計(jì)算結(jié)果和相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合,兩者得到的巷道圍巖溫度場(chǎng)時(shí)空曲線(xiàn)變化趨勢(shì)一致,驗(yàn)證了文中有限體積計(jì)算方法對(duì)傳熱問(wèn)題研究的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。同時(shí)又進(jìn)行理論分析,并使用有限體積計(jì)算方法解算了巷道同圍巖間的不穩(wěn)定換熱準(zhǔn)數(shù),計(jì)算結(jié)果同理論曲線(xiàn)一致。另外,使用有限體積計(jì)算方法和相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得到了巷道圍巖溫度場(chǎng)的分布規(guī)律,以及不同位置處溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。對(duì)巷道壁面處溫度分析后發(fā)現(xiàn),同等外界條件下,導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)大處溫度值略高。實(shí)例計(jì)算分析了巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)變化過(guò)程,形象給出了巷道圍巖溫度場(chǎng)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(guò)程中巷道圍巖散熱量及其變化趨勢(shì)。由此說(shuō)明,本文所提出的有限體積計(jì)算方法對(duì)研究圍巖溫度場(chǎng)問(wèn)題具有一定的指導(dǎo)意義,同時(shí)為本文后面建立采煤工作面圍巖散熱模型、采空區(qū)熱風(fēng)防治模型奠定了基礎(chǔ)。研究高溫采煤工作面熱交換及熱狀態(tài)預(yù)測(cè)方面的問(wèn)題首先是要開(kāi)展采煤工作面圍巖溫度場(chǎng)問(wèn)題的研究。根據(jù)高溫采煤工作面圍巖散熱機(jī)理、采煤工作面的推進(jìn)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(chǎng)研究的基礎(chǔ)上,建立了非均質(zhì)采煤工作面圍巖溫度場(chǎng)控制方程。進(jìn)一步拓展了應(yīng)用有限體積法模擬計(jì)算連續(xù)推進(jìn)中采煤工作面的圍巖放熱規(guī)律。通過(guò)對(duì)該控制方程的內(nèi)部單元和邊界單元進(jìn)行分析,運(yùn)用有限體積計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行了離散,采用了消元法求解并編制相應(yīng)解算程序解算了非均質(zhì)采煤工作面圍巖溫度場(chǎng)。分析確定了采煤工作面溫度場(chǎng)的邊界條件,并且以實(shí)際工程地質(zhì)條件為例,計(jì)算得到了持續(xù)推進(jìn)中的采煤工作面圍巖分布云圖。通過(guò)對(duì)其變化特點(diǎn)進(jìn)行分析比較,得到了推進(jìn)速度和對(duì)流換熱強(qiáng)度對(duì)采煤工作面溫度場(chǎng)變化的影響,同時(shí)對(duì)比巷道圍巖溫度場(chǎng)分析了推進(jìn)中的采煤工作面溫度擾動(dòng)范圍。最后通過(guò)計(jì)算的采煤工作面壁面過(guò)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(zhǎng)壁采煤工作面之所以存在采空區(qū)漏風(fēng)的現(xiàn)象是由于采煤工作面內(nèi)通風(fēng)壓差的作用引起的。隨著礦井不斷向深部開(kāi)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(jìn)速度不斷加快,工作面溫度急劇上升。受采煤工作面通風(fēng)壓差作用的影響,越來(lái)越多的新鮮風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)。這些進(jìn)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(fēng)隅角處的熱害問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)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(fēng)側(cè)漏風(fēng)嚴(yán)重且回風(fēng)隅角處溫度顯著上升的問(wèn)題,必須針對(duì)工作面回風(fēng)隅角處熱害問(wèn)題提出具體防治措施。采空區(qū)范圍內(nèi)的煤氧復(fù)合作用是一個(gè)及其復(fù)雜多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題。它涉及到氧氣的擴(kuò)散、氣體的滲流、固體及氣體間熱交換問(wèn)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(fēng)抽放滲流模型,根據(jù)傳熱學(xué)理論和能量守恒定律,建立了采空區(qū)熱風(fēng)抽放流、固多孔介質(zhì)溫度場(chǎng)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(fēng)抽放氧氣擴(kuò)散模型,基于采空區(qū)滲流場(chǎng)、氣、固多孔介質(zhì)溫度場(chǎng)及氧濃度場(chǎng)的多場(chǎng)耦合,編制了采空區(qū)熱風(fēng)抽放解算程序,通過(guò)對(duì)比分析確定了采空區(qū)的熱風(fēng)抽放方案,為研究采空區(qū)熱風(fēng)抽放對(duì)采煤工作面熱害防治工作的作用奠定了基礎(chǔ)。上述研究?jī)?nèi)容為采煤工作面熱狀態(tài)預(yù)測(cè)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在采煤工作面內(nèi),各種類(lèi)型之間的熱源相互影響、相互作用,是一個(gè)有機(jī)整體。充分分析進(jìn)風(fēng)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(jìn)風(fēng)順槽及回采工作面熱狀態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型。使用有限差分的方法對(duì)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散,并基于采空區(qū)熱風(fēng)抽放解算程序,編制了進(jìn)風(fēng)順槽及回采工作面熱狀態(tài)預(yù)測(cè)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?jī)?nèi)容分別計(jì)算了進(jìn)風(fēng)順槽及回采工作面內(nèi)圍巖同風(fēng)流間熱交換的不穩(wěn)定換熱系數(shù)。以具體的工程實(shí)際條件分析對(duì)象,求解出風(fēng)流溫度的變化規(guī)律及各因素間的相互影響規(guī)律,說(shuō)明了采空區(qū)熱風(fēng)抽放對(duì)采煤工作面熱害治理的作用效果,為礦井熱害預(yù)防和治理等工程實(shí)踐提供了理論支撐和實(shí)用方法。論文的創(chuàng)新性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)根據(jù)煤礦井下煤系地層大多成層狀分布特點(diǎn),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(jì)算方法建立了非均質(zhì)巷道圍巖溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,解算了非均質(zhì)巷道圍巖溫度場(chǎng)。并使用相似模擬使用平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證,得到了非均質(zhì)巷道圍巖溫度場(chǎng)的散熱規(guī)律。(2)應(yīng)用有限體積法模擬計(jì)算了持續(xù)推進(jìn)中采煤工作面圍巖放熱規(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(chǎng)控制方程,并對(duì)其進(jìn)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(jìn)過(guò)程中溫度的擾動(dòng)范圍。(3)在采空區(qū)多場(chǎng)耦合的基礎(chǔ)上編制了采空區(qū)熱風(fēng)抽放解算程序,通過(guò)對(duì)比分析確定了采空區(qū)熱風(fēng)抽放方案。分析了幾種通風(fēng)阻力狀態(tài)下的采空區(qū)熱風(fēng)抽放效果。完善了進(jìn)風(fēng)順槽及回采工作面熱狀態(tài)預(yù)測(cè)理論,以具體實(shí)例說(shuō)明了采空區(qū)熱風(fēng)抽放對(duì)采煤工作面熱害治理的作用效果。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：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(fēng)流溫度恒定不變。析，沿通風(fēng)方向上巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)溫度度上的巷道圍巖散熱問(wèn)題，根據(jù)傅里葉場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱積分方程為：2 22 21( + )d ( )dD DnT T Tx y a ，m；系數(shù)，m2/s；件

設(shè)計(jì)圍巖溫度場(chǎng)相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3.6 所示，該平臺(tái)由三大系統(tǒng)組成，分別為風(fēng)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(fēng)流參數(shù)控制系統(tǒng)控制風(fēng)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(shè)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(shè) 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(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸。溫度傳感器是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，本文實(shí)驗(yàn)采用鉑熱電阻進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)溫范圍-50 ℃～300 ℃，測(cè)量精度±0.1 ℃

圖 3.7 模型主體中測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3.7 Layout of measuring points in model圖.3.8 風(fēng)流控制系統(tǒng)Fig.3.8 Wind flow control system

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本文編號(hào)：2762383