周期性风温下围岩温度场模拟实验的可行性研究

为对周期性风流温度下的围岩温度场相似模拟的可行性进行研究,建立了周期性边界条件下的巷道围岩导热微分方程,引入无因次准数对导热微分方程进行了无因次化;然后根据方程分析法和量纲分析法,推导出周期性风温的巷道围岩温度场相似准则。并以某一矿井岩石巷道为例,设计了5组相似模拟实验方案,通过比较,选择几何相似比为20的相似模型。     

巷道围岩温度场有限体积法模拟计算及实验分析

根据巷道围岩温度场的散热特点,基于能量守恒定律和傅里叶定律,建立巷道围岩非稳态温度场数学模型,利用有限体积计算方法编制解算程序并求解出巷道围岩温度场。建立巷道围岩温度场相似模拟实验平台,并利用实验结果对有限体积计算方法的模拟结果进行实验验证,对比后发现有限体积法计算结果同相似模拟实验结果吻合,两者得到的巷道围岩温度场时空曲线变化趋势一致,由此说明了应用该有限体积计算方法所建立数学模型和解算程序的正确性与科学性。利用计算模拟结果和相似模拟实验结果对恒定风流温度下巷道围岩温度场非稳态变化过程中的影响因素进行分析,得到了巷道围岩温度场的变化规律,并以实例分析了巷道围岩温度场的非稳态过程并计算出围岩散热量。     

主动隔热巷道隔热层热物性参数对隔热效果的影响

为得到主动隔热巷道隔热层热物性参数对隔热效果的影响规律,建立了主动隔热巷道风流与围岩的气—固耦合传热模型。选取8种建筑保温材料的热物性参数进行数值模拟,结果表明:不论巷道是否构建有隔热层,巷道围岩的散热量都与通风时间呈正幂指数关系;巷道构建隔热层后,减少的围岩散热量与隔热层的导热系数呈负幂指数关系,同一地点的风流温度降低值与隔热层的导热系数呈负指数关系。隔热层导热系数是影响其隔热效果的主要因素,隔热层的导热系数越小,隔热效果越明显。     

巷道围岩渗流与传热耦合数值模拟研究

为了得到具有地下水渗流的矿井围岩内部传热规律,基于等效连续介质渗流模型,建立矿井巷道裂隙密集性围岩渗流和传热耦合模型,应用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,实现了矿井巷道裂隙围岩温度场的分布模拟,并分析了矿井通风时间、围岩孔隙率、围岩渗透率、固体导热系数、围岩初温和通风温度对温度场分布的影响。结果表明:通风时间增加会使得调热圈半径增大;在孔隙率较大时,孔隙率越大越有利于换热,孔隙率较小时,孔隙率越小越有利于换热;渗透率越大、固体导热系数越大和通风温度越低越有利于换热。固体导热系数、原始岩温及通风温度对围岩调热圈半径影响不明显。     

煤矿井下风流温度周期性变化研究

煤矿井下风流温度受地面大气的周期性变化而变化,但其变化的规律目前没有定量计算方法。通过对圆形巷道导热微分方程及其边界条件的无因次化,将围岩温度场表达成两个温度场的迭加结果,这两个温度场分别受年平均风温和风温波动的影响。重点分析了风温波动微分方程及其定解条件,推导出当地面大气温度周期性波动时,井巷不同地点对应的温度波动的振幅及相位角的表达式,并通过计算分析,得出温度波动的振幅随巷道长度呈负指数曲线下降,相位角随巷道长度线形滞后的结论。     

明月山隧道塑性区边界探讨

隧道围岩塑性区边界是隧道稳定及支护考虑的主要因素,其中巷道塑性边界受围岩岩性、初始应力场、开挖半径的影响.结合明月山隧道围岩赋存条件、现场监测资料,分别运用莫尔-库仑极限准则、德鲁克-普拉格准则、统一强度理论对隧道塑性区边界进行探讨,得出了不同准则下巷道塑性区边界大小及其影响因素,提出了一些工程施工措施.     

通风时间对巷道围岩温度场影响规律的研究

通风时间对围岩温度场的影响主要表现在2个方面:一是随着通风时间的增加巷道围岩温度逐渐降低,并且降低的速率随着通风时间的增加逐渐减小;二是随着通风时间的增加巷道围岩内部的温度影响范围逐渐往围岩深部扩展,巷道围岩冷却范围与通风时间的平方根成正比。     

用差分法解算巷道围岩与风流不稳定换热准数

本文分析了巷道围岩不稳定温度场的导热微分方程及其无因次形式，论证了变节距差分法的计算原理和公式，给出了不稳定换热准数随傅立叶数变化曲线，计算结果证明了该方法具有快速准确的特点。     

基于Abaqus的巷道围岩调热圈温度分布数值模拟及经济性评价

为了能够准确掌握矿井巷道在一个完整通风周期内的围岩的温度变化情况并以此为基础对其进行经济性评价研究;首先以傅里叶导热定律为基础,采用Abaqus软件建立数值模型并利用有限元方法对巷道围岩与空气热交换过程以及巷道内部的围岩温度分布进行了求解研究,获得了巷道围岩对冷、热量的存储量大小及存储规律;之后利用等效空调方法对巷道围岩调热能力进行了经济性评价。结果表明:矿井围岩调热圈具有较大的经济优势,未来可以进一步尝试进行工程实践。     

周期性边界下围岩温度场有限体积法分析

为研究矿井风流温度周期性变化对巷道围岩温度场的影响,依据能量守恒定律及围岩散热的特点,建立了周期性变化边界条件下的一维非稳态导热控制方程。引入了无因次准数,对围岩导热控制方程进行了无因次化,并利用变量分离法对控制方程进行了分解,然后运用有限体积法对分解的方程建立了热平衡方程,最后编写VB程序进行了求解。结果表明:在周期性边界条件下,围岩体各处的温度随时间周期性地波动,并且温度波动的振幅随围岩深度的延伸呈负指数规律变化,围岩体不同层面上的温度波具有振幅衰减和波动延迟的特点。综合以上分析,推导了巷道围岩体温度随深度和时间变化的函数关系式,并得到了巷道壁面热流波的计算公式,该研究加深了对周期性边界下围岩温度场变化规律的认识。     

水分蒸发引起巷道局部壁温低于风温的理论分析

现场实测发现高温矿井井下巷道壁面温度低于风流干球温度现象.通过对巷道围岩与风流间热湿交换分析,建立了巷道围岩内部温度场数学模型;将潜热交换量表示成巷道壁面温度、风流温度及对流换热系数的函数,得出了求解巷道壁面温度的计算式;对此巷道壁面温度计算式进行数学变换、整理,得出二次曲线.经理论和图解法分析得出了湿润巷道壁面温度低于风流干球温度的临界条件,从理论上解释了"高温矿井湿润巷道壁面局部温度低于风流干球温度"这一现象.     

考虑中间主应力的非均匀应力场圆形巷道围岩塑性区分析

基于Drucker-Prager准则,引入中间主应力系数,推导出不同侧压系数下巷道围岩塑性区边界线方程,用于预测不同侧压系数下巷道围岩塑性区的大小和形状。用单因素分析法,考虑不同中间主应力下,巷道围岩塑性区半径的变化规律。在侧压系数λ=1的时候,对在D-P准则下和在Mohr-Coulomb准则下巷道围岩塑性区的大小进行比较。侧压系数越偏离于1,巷道围岩塑性区水平方向和垂直应力侧差异增加,对围岩塑性区的大小和形状影响也越大;随中间主应力增大,塑性区范围越小。     

基于光纤测温技术的矿井围岩调热圈研究

分布式光纤测温具有测温连续、分布式测量等优点,在巷道围岩钻孔中敷设测温光纤可准确测地量出围岩调热圈温度场,并通过有限差分法进行数值模拟。在龙固矿辅二大巷和三采煤仓通道的联络巷围岩布置3个钻孔来测量围岩温度。测试结果表明,巷道围岩调热圈温度场为相似的同心圆,距离巷道壁面越远则围岩温度越高,相同温差之间的等温线之间距离越大,围岩调热圈半径最大为33 m,测试结果与计算结果基本相符。     

基于稳态导热的矿井调热圈半径与温度的计算方法

为获得矿井调热圈导热规律,基于传热学稳态导热理论,简化调热圈导热模型,将其以最终要达到的稳态温度场考虑,并将调热圈导热过程以圆筒壁导热模型展开分析,将岩石导热系数和巷道表面传热系数视为定值,得出调热圈半径与温度的计算公式,揭示调热圈导热受到岩石导热系数、表面传热系数、巷道半径、原岩温度等多因素影响。通过实测数据和FLUENT软件数值模拟实验,检验调热圈半径与温度的计算公式,结果表明该计算公式基本符合调热圈导热规律,具有理论和实用价值。     

基于D-P准则的巷道围岩稳定性分析

基于以D-P准则为屈服函数建立的弹塑性本构模型,利用有限元数值模拟软件COMSOL Multiphysics对巷道围岩的稳定性进行了数值模拟,分析了巷道围岩的应力、位移分布情况,对比了以Mohr-Coulomb准则和D-P准则为屈服函数时巷道围岩的塑性区分布,探讨了巷道围岩的失稳破坏形式。研究表明,以Mohr-Coulomb准则为屈服函数时可能会低估巷道围岩塑性区分布范围;巷道两帮首先发生拉伸破坏,随后发生剪切破坏,最终形成X状共轭剪切破坏。     

基于有限体积法的巷道围岩散热无因次分析

根据巷道围岩散热的特点, 建立了非稳态围岩导热微分方程, 运用有限体积法对方程进行了处理。引入无因次准数, 对导热微分方程及运用有限体积法进行离散处理后的方程进行无因次分析。通过编写Visual Basic计算机程序对方程进行解算, 得到巷道围岩内部在不同时间点下不同节点处的温度变化曲线、不同毕渥数时不同时间点下的巷道壁面温度和不稳定换热准数曲线。通过查图得到不稳定换热准数, 进而可以计算一定长度的巷道围岩散热量。     

热害矿井巷道围岩冷水截流降温技术北大核心

为了缓解矿井热害问题,提出了向巷道围岩中置入冷水管,通过冷水管截流高温的方法来降低围岩温度。根据相似性原理搭建了高温围岩冷水截流降温实验系统,改变冷水流速、通入时长和围岩温度等进行实验;结合COMSOL模拟分析了冷水管不同管径、不同间距布局对巷道围岩冷水截流降温效果的影响。结果表明:其他条件不变时,围岩降温幅度随着冷水流速,通入时长以及围岩与冷水的温差的增大而增大;模拟实际巷道围岩冷水截流降温,在冷水管管径为10 cm,竖直方向间距为2.5 m时,降温后巷道壁面的平均温度为23.4℃。     

裂隙水作用下巷道围岩体温度场的数值模拟

基于等效连续介质渗流模型及多孔介质多场耦合理论,建立裂隙水作用下的巷道围岩体温度场计算的物理模型,建立裂隙水渗流场、裂隙水温度场、岩体温度场耦合控制方程,辅以边界条件参数,以FLUENT软件进行数值模拟,研究了裂隙水渗流作用下的矿井巷道围岩体温度场分布.结果表明,裂隙水的迁移伴随着热量的交换,裂隙水的作用改变了巷道围岩体的温度场分布;定量分析了裂隙水渗流速度对两者温度场分布的影响,在裂隙水流动方向上,渗流速度愈小,则裂隙水流温升愈大,围岩温度温升愈大;当裂隙水渗流速度大于2×10-8m/s时,其变化对巷道围岩体温度场分布有着显著的影响;但渗流速度小于2×10-8m/s时,影响是微小的.     

考虑软化和扩容的圆形巷道围岩Z-P准则弹塑性解

巷道围岩受应力作用表现出的软化、扩容行为对巷道的变形和破环有重大影响。为了研究软化、扩容特性对巷道围岩稳定性的影响,根据岩体的软化特性,建立理想的弹性软化模型,将围岩分为弹性区、塑性软化区和破裂区;基于Zienkiewicz-Pande准则和非关联流动法则,考虑围岩的软化、扩容特性,推导出含中间主应力的圆形巷道弹塑性解析解;将Z-P准则与M-C、D-P等准则进行比较,分析了软化模量、扩容等因素对巷道围岩的影响。结果表明:Z-P准则可良好地适用于发生软化、扩容的巷道;中间主应力系数为0.4时,围岩塑性区范围最小,围岩位移最小,塑性区内应力最大;软化模量越大,围岩破裂区半径越大;剪胀角越大,塑性区位移越大,破裂区半径越大;支护阻力越大,巷道塑性区范围越小,且提高支护阻力能有效控制巷道围岩的变形。     

深部矿井注水对巷道内温度分布的影响

为了研究深部矿井煤岩体注水对巷道温度场的影响,采用每隔3～5m设置一个注水口、低流量中压缓慢注水的方法对煤岩体实施注水降温。建立巷道壁面与巷道环境之间的热湿交换模型,利用Fluent软件进行数值求解,获得了深部矿井煤岩体注水时温度场分布。结果表明:巷道内温度场呈阶梯分布,在采用注水降温时越往深处环境的温度越低;含湿量是影响巷道温度变化的主要因素;当注水口靠近巷道分布、注水间距为5m且注水速度为1.1m/s时,巷道降温效果最好,巷道环境温度约降低2℃。