本文選題：礦井熱害　切入點：巷道圍巖　出處：《太原理工大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：隨著我國礦井逐步進入深部開采,深井開采伴隨的熱害問題日趨嚴重,嚴重制約了礦井的正常生產。深井開采通風路線長,巷道暴露面積大,高地溫圍巖作用效應造成了礦井通風流溫度高。為有效控制深井熱害,有必要開展高溫熱害礦井巷道圍巖溫度場分布特性及其調控研究。采用理論分析、物理實驗、數值模擬和現(xiàn)場測試相結合的方法,在熱害礦井風流溫度預測、深井巷道圍巖溫度場測試、巷道圍巖與風流換熱特性實驗、降溫方案的初步設計及評價等方面開展了相關研究。建立了深井巷道沿程風流溫度預測數學模型,提供了深部開采熱環(huán)境評價依據,給出了“假設-修正”的快速試算解法;開展了高地溫巷道圍巖溫度分布的實測研究,揭示了巷道調熱圈范圍及溫度分布隨時間的演化特征;利用自主設計的巷道圍巖導熱和傳熱相似模擬實驗裝置,對影響巷道調熱圈的熱物理參數進行了系列實驗研究,揭示了這些參數對巷道調熱圈分布特征的影響機制;提出了巷道圍巖調熱圈調熱儲能數學模型,可以計算出冬、夏兩季交替情況下的理論儲冷(熱)量;并由此建立了模擬巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)溫度場的數值模型,進一步探討了季節(jié)性風流溫度作用條件下巷道圍巖溫度場的演化特性;在此基礎上,應用等效空調方法對巷道圍巖調熱圈的溫度調節(jié)能力進行了經濟性評價,證明了其工程應用價值。主要研究成果如下:(1)建立了深井巷道沿程風流溫度預測數學模型。通過研究深部礦井中各種熱源的特點,基于傳熱學的基本理論與方法,總結分析了熱源的放熱計算模型和深井巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)導熱與對流放熱的換熱模型;建立了深部礦井巷道風流溫度預測的數學模型,并提出風溫預測數學模型的“假設-修正”的迭代試算法,可以獲得計算結果的快速收斂;開發(fā)了相應的計算軟件程序;以三河尖礦深部開采的實際應用,驗證了風溫預測模型的準確性。(2)通過礦井巷道調熱圈溫度場的實測,詳細研究了深部開采熱害嚴重的三河尖礦巷道圍巖調熱圈周期性變化的動態(tài)規(guī)律,并揭示了巷道調熱圈物理范圍特性及溫度場分布的演化特征。通過實測結果數據的整理,得到如下結論:總結了五類典型的巷道圍巖調熱圈分布模式;綜合考慮圍巖體的熱物理性質、地層熱環(huán)境條和邊界條件等影響因素,對這五類巷道圍巖調熱圈的發(fā)生和發(fā)展的機理進行了分析與解釋;根據對各種類型巷道圍巖調熱圈的分析,總結出了能夠決定其不同形態(tài)、不同物理范圍、不同變化規(guī)律的關鍵熱物理參數和適宜作為高溫礦井調熱巷道的巷道所具有的基本特征,為未來進行降溫工程設計提供了參考依據。(3)基于相似理論設計制作了巷道圍巖導熱和傳熱相似模擬實驗裝置,并采用該裝置系統(tǒng)定量地分析了不同熱物理參數對巷道圍巖溫度場的影響及其動態(tài)變化規(guī)律。實驗結果分析表明:通風速度對巷道圍巖溫度場進入穩(wěn)定階段具有較強的關聯(lián)性,但是對圍巖溫度分布邊界的影響并不明顯;圍巖的熱擴散系數對圍巖溫度曲線到達穩(wěn)定狀態(tài)具有重要影響,而對于曲線的形態(tài)與趨于穩(wěn)定后的終態(tài)影響不大;改變圍巖含水率對溫度場的范圍大小具有重要影響,但其影響的持續(xù)時間有限;具有阻熱圈結構的巷道對傳熱影響較大,相當于增大介質的總熱阻,致使圍巖到達新熱穩(wěn)定平衡狀態(tài)所需的時間增長;提出了巷道圍巖調熱圈調熱儲能數學模型。(4)建立了巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)溫度場數值計算模型,基于三河尖礦的實際情況,開展了巷道圍巖調熱圈溫度場的數值模擬。具體成果為:對三河尖礦3km長的巷道,聯(lián)合提出的巷道圍巖調熱圈調熱儲能數學模型,基于瞬態(tài)熱傳導理論建立了巷道風流溫度與圍巖非穩(wěn)態(tài)溫度場的數值模型,采用有限元計算方法進行求解,得出了在季節(jié)性風流作用下巷道圍巖內溫度分布的演化規(guī)律,進一步驗證了物理相似模擬實驗結果,同時估算了巷道儲存冷量,最后對調熱圈中冷量的利用進行了經濟性評價,提出了三河尖礦基于巷道調熱圈的礦井自調溫技術。
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【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD727.2

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本文編號：1572509