深井巷道圍巖溫度場分布規(guī)律研究

黎明鏡

隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，其高溫環(huán)境引起的熱害問題越來越受到國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員的關(guān)注，深井巷道巖體溫度是熱害礦井的最大熱源。巷道圍巖的溫度場分布研究是基礎(chǔ)問題之一，本文基于地質(zhì)學(xué)和熱力學(xué)理論，給出巷道圍巖溫度場受不同的風(fēng)流冷卻時間的無因次解析式，并導(dǎo)出調(diào)熱圈外半徑的近似計算式，針對淮南礦區(qū)深部開采的高地溫(42℃左右)，采用有限元軟件ANSYS9.0對深井巷道圍巖的溫度分布進行了數(shù)值模擬分析。

1 圍巖溫度場分布的解析解

開掘巷道瞬間，巖體內(nèi)各處溫度都等于原始巖溫 Ty，當(dāng)恒定風(fēng)溫為 Tf(Tf＜Ty)的空氣通過后，巖熱就開始流向巷道。在t1時刻內(nèi)，圍巖壁溫度為 Tb，隨著時刻的繼續(xù)增長，圍巖壁溫也不斷接近風(fēng)溫(如圖1所示)，即limTb→Tk，但嚴格地說，Tb永遠不會絕對等于Tk。當(dāng)圍巖壁溫極為接近風(fēng)溫后，調(diào)熱圈抵達相對穩(wěn)定的最大半徑[1]。

新掘進的巷道，圍巖中受風(fēng)流冷卻的調(diào)熱圈不大，這時圍巖可當(dāng)作半無限體來求出溫度場。當(dāng)巷道掘通100 d以上時，圍巖受風(fēng)流冷卻時間較長，調(diào)熱圈就會變大到相當(dāng)程度，這時圍巖的溫度場將受到巷道形狀的影響，就不能把圍巖單純看作是半無限體，要采用其他方法求解[2]。

1.1 受風(fēng)流冷卻時間短的圍巖溫度場

受風(fēng)流冷卻時間短的圍巖可當(dāng)作半無限體來求出溫度場。設(shè)圍巖均質(zhì)、干燥，根據(jù)傳熱學(xué)有[3]:

1.2 受風(fēng)流冷卻時間長的圍巖溫度場的確定

因為受風(fēng)溫冷卻時間長的巷道圍巖與風(fēng)流熱交換是一個復(fù)雜的過程[4]，在熱交換過程中又受到各種因素的影響，為了使條件簡化，便于討論其本質(zhì)，作出如下假設(shè):1)巷道圍巖均質(zhì)且各向同性;2)初始溫度等于原始巖溫;3)巷道圍巖壁面換熱條件一致;4)巷道內(nèi)流動空氣恒溫;5)圍巖傳遞的熱量完全傳給風(fēng)流。

在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上，圍巖與風(fēng)流開始進行熱交換后，圍巖溫度場開始隨時間變化，圍巖的導(dǎo)熱過程是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程。由熱量守恒定律和傅里葉導(dǎo)熱定律，建立三維熱傳導(dǎo)方程，求得無因次溫度的解析解為(求解過程詳見文獻[5][6]):

根據(jù)式(2)即可確定受風(fēng)流冷卻時間長的巷道圍巖溫度場。

2 計算實例

以淮南朱集礦為實例，用式(1)，式(2)計算其-906 m井底車場巷道溫度場的解析解，用有限元軟件ANSYS9.0計算其數(shù)值解。

朱集煤礦-906 m井底車場位置的主要巖性為鋁質(zhì)泥巖、粉砂巖、中砂巖。該礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜、斷層發(fā)育，特別是深部斷層的交匯，形成深部地?zé)嵘闲械牧己猛ǖ?，加之上部的泥巖和泥質(zhì)砂巖構(gòu)成熱儲構(gòu)造的復(fù)合蓋層，形成該礦區(qū)高溫達42℃左右，具有相當(dāng)大程度的熱害。數(shù)據(jù)采集巷道為通風(fēng)巷道，斷面形狀為半圓拱形，直墻高度1.7 m，半圓拱半徑3.7 m，錨噴支護。

2.1 實測熱物性參數(shù)

溫度場計算參數(shù)見表1。

表1 溫度場計算參數(shù)表

2.2 圍巖溫度場的數(shù)值計算

模型的建立取巷道周邊圍巖的溫度場分布，因此，模型的計算范圍根據(jù)對稱性取巷道上半部分圓心的上、下各30 m，左、右各40 m(見圖2)，深為-906 m，在二維平面內(nèi)計算，單元類型為4節(jié)點四邊形實體單元(Plane55)，共劃分2 964個單元，計算幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

建立模型后，進入求解器，設(shè)置分析類型為瞬態(tài)分析，設(shè)定圍巖模型初始溫度分布分別為42℃的均勻溫度場。選取巷道的輪廓線，分別施加20℃的對流荷載，巖壁參考溫度為25℃，將實體模型轉(zhuǎn)換為有限元模型進行求解。

將同一條件下，按公式計算出的溫度場各離散點上溫度隨時間變化而變化的計算值與數(shù)值計算值做對比分析可知，解析解和模擬值基本吻合，解析解的溫度場分布范圍略小于模擬值。

2.3 圍巖溫度場的分布規(guī)律

從ANSYS數(shù)值計算結(jié)果中調(diào)出不同時間、不同徑向深度的溫度分布數(shù)據(jù)制成圖。由圖3，圖4可知，圍巖溫度場一年內(nèi)最大的變溫區(qū)域位于距巷道壁面2.3 m～6 m之間，該處圍巖溫度的變化產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和變形，現(xiàn)場松動圈實測結(jié)果表明該范圍的圍巖破碎嚴重，形成了相當(dāng)大的熱害。

3 結(jié)語

1)本文建立了熱害礦井巷道溫度場的數(shù)學(xué)模型，給出巷道圍巖溫度場受不同的風(fēng)流冷卻時間的無因次解析式，并導(dǎo)出調(diào)熱圈外半徑的近似計算式。2)以淮南地區(qū)某高溫礦井的實測數(shù)據(jù)作為參數(shù)，用有限元軟件ANSYS計算出圍巖溫度場的分布，解析解與數(shù)值模擬解得以相互印證。3)朱集礦-906 m井底車場圍巖溫度場一年內(nèi)最大的變溫區(qū)域位于距巷道壁面2.3 m～6 m之間。該處圍巖溫度的變化產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和變形，現(xiàn)場松動圈實測結(jié)果表明該范圍的圍巖破碎嚴重，形成了相當(dāng)大的熱害，計算結(jié)果可為支護設(shè)計提供參考。

[1] 岑衍強，侯棋棕.礦內(nèi)熱環(huán)境工程[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1989:50-101.

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