计算机仿真在巷道围岩与风流热交换研究中的应用

<正> 巷道围岩与风流热交换的理论研究是矿内空气热力学的基础。这一工作的开展对深井降温技术实践和地热能源的利用都有指导意义。本文的主要目的在于给出求算非稳态热交换过程中,任一时刻水平巷道围岩内岩温径向分布及巷道中风温沿轴向分布的方法。为解决工程实际问题(诸如:冷却方式的选择,地温利用中预热暴露面积的确定等)提供理论依据。水平巷道围岩与风流热交换的研究内容     

巷道围岩调热圈半径及温度场分布规律研究

巷道围岩散热是一个复杂的非稳态过程,包括围岩内部的热传导和围岩与巷道风流的热交换。随着矿井开采深度的增加,巷道围岩与空气热交换所占比重增大。研究围岩与空气热交换规律对井下风流温度预测及制定矿井降温措施有着重要的意义。利用数值模拟软件模拟了淮南某矿-965 m轨道大巷不同通风时间围岩的温度场,研究了通风时间对巷道围岩温度的影响,并用实测数据对模型进行了分析验证。     

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。     

基于Morris法的巷道围岩变形全局敏感性模拟分析

利用3DEC离散元数值模拟软件建立深部巷道围岩热力耦合模型,并结合Morris全局敏感性分析法,通过一次只改变一个参数的取值方法轮流计算各参数的“基本影响”,并根据其均值μ和方差σ的大小判断围岩热传导率、围岩比热容、巷道壁面热交换系数、洞内空气温度、围岩温度、线热膨胀系数等参数对围岩变形输出值的影响程度,以及与其他参数相互作用大小。模拟结果表明：线热膨胀系数、围岩温度和洞内空气温度对巷道变形的影响最为敏感;围岩热传导率、围岩比热容、巷道壁面热交换系数对巷道变形的影响较为不敏感;各参数对变形输出值影响时,线热膨胀系数与其他参数相互作用最大,并且某个参数与其他参数间相互作用越大,其对变形输出值的影响不一定也大;在所选取的3个位置,对热力学参数敏感性大小顺序依次为顶帮、底帮、两帮。     

矿井巷道淋湿蒸发换热系数构建及风流温度计算

针对全矿井网域系统巷道围岩与风流热-湿交换计算复杂的问题,提出构建淋湿巷道风流换热系数模型,根据现场实测风流相对湿度,掌握矿井(进风侧)风流湿度变化规律,反向推演确定井巷水蒸发影响下风流与巷道围岩热交换的模型,修正围岩与风流的换热系数;用风量加权距离描述实际矿井网域风流相对湿度变化规律。结合九道岭矿实例,将算法纳入到矿井网络系统中,在MATLAB平台上运用TF1M3D对全矿井网域系统风流温度进行仿真求解。研究表明,巷道淋水蒸发吸热对井巷风流温度影响很大,主进风井段风流温度增加0.97℃,变化幅度不大,随着湿度增大风流温度递增变化幅度增大,与九道岭矿进风大巷测定结果吻合。将该算法纳入网络体系计算中,可解决3D矿井模型通风系统热害防治温度分布仿真及自然风压自动计算问题。     

深热矿井巷道围岩的热分析

巷道围岩散热是一个复杂的非稳态过程,包括围岩内部的热传导和围岩与风流的对流热交换,着重从这两个方面对巷道围岩进行热分析。分析了巷道围岩调热圈和围岩内部温度场及其影响因素,以及围岩与风流热湿交换的显热和潜热。     

巷道入口风温季节性变化下围岩温度场及其影响因素分析

为了研究巷道入口风温季节性变化下围岩温度场的变化规律,以及不同物理参数对围岩温度场的影响,根据能量守恒和傅里叶定律,建立围岩温度场导热方程,沿巷道轴向和围岩径向进行离散单元划分,应用有限差分法建立巷道入口风温季节性变化下围岩温度场数值解法,编制C#程序并以济宁三号煤矿为例进行模拟研究。结果表明：巷道入口风温季节性变化下围岩温度随与巷道中心距离的变化具有两区分布特征;径向上不同深度处围岩温度呈季节性变化且变化幅度随深度的延伸逐渐减小,深部围岩温度最大值或最小值出现的时间滞后于浅部围岩;地面气温年较差、采深及岩体导温系数对围岩温度场有着重要影响,风量对围岩温度场的影响主要表现在径向浅部围岩。     

风流温度周期性变化的围岩传热数学模型研究

针对深井围岩传热问题,建立了风流温度周期性变化的围岩传热模型。通过对巷道进行特性优化,构建了巷道围岩传热的物理模型,基于物理模型建立了径向一维非稳态传热模型,在此基础上对风流温度的周期性变化与围岩散热的数学关系进行了研究。通过求解得出受风流温度周期性变化的巷道壁面温度以及围岩散热量的表达式,为深井降温提供了技术支撑。     

深井油页岩伴生条件下第三系煤层巷道围岩控制技术研究与应用

为解决深井油页岩伴生条件下第三系煤层巷道围岩节理裂隙发育、煤岩体强度低、围岩初期变形量大且长期蠕变的支护难题,针对矿井煤系地层断层数量多落差大、地应力水平高、巷道频繁穿越不同岩层等复杂地质条件,在系统地质力学测试、围岩可锚性试验、断面形式与支护参数选取原则确定的基础上,采用"强力锚网喷支护与破碎围岩注浆加固于一体"的围岩控制方法,实现了对深井油页岩伴生条件下巷道围岩的有效控制,改变了传统深部复杂巷道变形持续时间长、变形量大、维护难度高的特征,显著改善了巷道围岩控制效果。     

高温矿井风流温度和湿度预测及其程序编制

分析了不同外界条件下巷道围岩与风流的不稳定换热系数的理论计算方法.讨论了存在不同壁面粗糙程度的巷道中围岩或煤壁氧化散热及其对风流温度的影响.然后以热力学中热质交换理论为基础,建立了单风路矿井巷道沿程风流温度、湿度的预测计算的理论以及数学模型,并编制了井下巷道风温分段计算的计算机程序.最后将该计算机程序应用于实际现场中,得到的计算结果与实测结果吻合,检验了该计算机程序的可靠性.     

模拟矿井空气与岩体之间不固定热交换的一些过程

提出了用相连装置数学解算矿井空气与岩体之间不固定热交换过程的课题。用拉普拉斯变换法取得计算空气和周围岩体温度的积分关系式。该关系式能分析和研究冬季在发生事故状态下主通风机逆转时的会聚性。在计算非连接热交换过程时，应当采用短时间的近似值。文章介绍了22个计算关系式。并用图示出冬季（T0=-20℃）主通风机逆转后在不同时间内井筒不同深度空气温度的计算变化曲线，     

利用浅部地层调温降低深井入风温度的试验研究

根据空气与岩体的热交换原理，探讨了利用浅部地层调温作用来降低深井入风温度的可行性。现场试验研究结果表明，对于我国北方深矿井。浅部地层调温作用可使入风温度大幅度降低，可改善深部作业面的热环境状态；而且在一定的开采深度范围内，该方法最为经济。     

软岩应力集中区巷道锚注组合支护技术

煤矿锚杆支护技术是煤炭开采的一项关键技术。针对深部复杂地质条件下采动动压影响区内的矿井、采区主要巷道支护,采用高预应力锚杆、锚索和注浆联合加固支护技术,可实现有效控制围岩变形与破坏,避免巷道多次维修。并通过高压注浆技术实现锚杆、锚索全长锚固支护和对松散破碎岩体进行充填、固化、加固,能更好地发挥岩层与锚杆杆体共同抗剪切作用,抑制围岩离层与错动,充分发挥锚固岩体的自承、自稳能力。解决深井高地压复杂地质条件下采动动压影响区内的主要巷道支护技术难题,为矿井实现高产高效创造了条件。     

干燥巷道围岩传热对平巷风流温度影响研究

井下巷道中的风流温度受到多种因素的影响,如原岩温度、围岩传热性能、风流与围岩的热交换时间、其他热源等,其中围岩传热起主要作用。为分析围岩传热对风温的影响,以干燥巷道为例,根据巷道围岩与风流热交换规律,通过理论计算,分析水平巷道围岩与风流热交换对风温变化的基本影响规律,为矿井通风设计提供较精确的预测值,使矿井通风设计更精细。     

深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论

与浅部相比,深部巷道特别是千米深井采动巷道,地应力高、采动影响强烈,导致巷道围岩变形大、持续时间长、破坏严重,目前的理论不能科学解释深井采动巷道的围岩劣化、大变形与破坏机理。深部开采条件下的巷道围岩大变形破坏理论已经成为煤炭深部开采面临的重大课题之一。为此,采用现场调研与试验、实验室实验、数值模拟和理论分析等方法,从应力强度比出发,并考虑偏应力和梯度应力,提出了采动系数的概念;从力学本质和工程应用的角度明确了巷道强采动和大变形的概念,探讨了其科学内涵,并初步提出确定了强采动和大变形的量化的评价方法;在此基础上,基于深井强采动巷道围岩所处应力环境及其大变形特征,初步提出了深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论框架。其核心思想是巷道围岩结构运动、围岩劣化、梯度应力和偏应力诱导围岩裂隙扩展、软岩流变与结构性流变大变形、破裂岩体长时扩容;基本问题包括深井采动巷道围岩应力路径、考虑应力路径的偏应力和梯度应力对巷道围岩的作用机理、巷道围岩锚固承载结构流变大变形、巷道围岩结构失稳大变形等。偏应力和梯度应力导致巷道浅部围岩张拉劈裂扩容和承载区围岩剪切滑动,且承载区围岩剪切滑动对浅部张拉劈裂围岩产生向巷道内的推力,扩容与推力导致浅部锚固体出现结构体滑移流变和整体性的挤入。由传统的软岩流变上升至软岩流变与锚固体结构性流变大变形。巷道围岩结构失稳大变形包括上覆岩层大结构失稳导致的整体移动大变形和松动圈内破裂岩体运动失稳大变形。提出的深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论从深部环境、深部岩体及强烈施工扰动相互作用出发,揭示深部巷道围岩应力场时空演变规律和大变形与破坏机理。     

深井高地压软岩应力集中区巷道锚注组合支护技术

针对深部复杂地质条件下采动动压影响区内的矿井、采区主要巷道,采用高预应力锚杆、锚索和注浆联合加固支护技术,可实现有效控制围岩变形与破坏,避免巷道多次维修。并通过高压注浆技术实现锚杆、锚索全长锚固支护和对松散破碎岩体的充填、固化和加固,能更好地发挥岩层与锚杆杆体共同抗剪切作用,抑制围岩离层与错动,充分发挥锚固岩体的自承、自稳能力。解决深井高地压复杂地质条件下采动动压影响区内的主要巷道支护技术难题,从支护效果、支护成本、安全可靠等方面为矿井实现高产高效创造了前提条件。     

岩体剪胀对巷道围岩塑性区位移的影响分析

为研究巷道围岩塑性区的力学性质,考虑岩体剪胀特性及巷道塑性区的弹性变形,采用H-B准则和非关联的流动准则对圆形巷道进行理论分析,通过在弹塑性交界处的应力连续条件,得到了塑性区半径和位移的H-B新解;结合算例分析了剪胀特性对围岩塑性区位移的影响,并与M-C准则解作对比。分析结果表明:岩体剪胀系数越小,M-C与H-B准则计算出的塑性区位移吻合度越好;随着剪胀系数的增大,吻合度下降,围岩塑性区的位移也会增大,在弹塑性交界处,文中H-B准则解在不同剪胀系数条件下塑性区位移相等,而M-C准则解不等,理论上证明了本文解的准确性。     

动压条件下深井孤岛面顺槽煤柱合理宽度确定

针对丁集煤矿1412(1)综采面实际地层情况,分析了沿空巷道煤柱的作用机理,建立了动压条件下深井孤岛面顺槽煤柱合理宽度的计算数值模型。通过分析煤柱宽度分别为6,8,10m 3种条件下覆岩层稳定阶段和动压影响阶段的围岩应力分布,煤柱采场及巷道围岩塑性区分布情况,得出当煤柱宽度为6 m时,煤柱上的应力峰值及应力集中系数最小。     

深井高应力软岩巷道的支护实践

通过对白集煤矿深部巷道围岩的破坏规律与岩性分析,根据巷道支护原理,提出巷道围岩卸压后采用锚网索喷支护+注浆加固进行二次支护,有效地控制了复杂地质条件下深井巷道的围岩变形,为矿井的安全生产创造了条件。     

深部硬岩巷道围岩变形特征及其控制技术

为探究深部硬岩巷道在复杂地质条件下的变形特性,本文以纱岭金矿-1 465 m深部主巷为工程背景,通过现场工程地质调查获取了围岩的结构面信息,并计算岩体中的优势节理组和RQD值,对其地质环境和岩体条件进行概述。采用振弦式微应变传感器对调查点巷道的围岩进行监测,提取巷道顶板和两帮距离揭露面不同深度围岩随时间的变形数据,总结和分析深部硬岩巷道在高应力和复杂地质条件下围岩的变形特征。基于岩体条件和围岩变形规律提出该巷道宜采用“树脂锚杆+金属网+喷射混凝土”支护,并应用有限元数值模拟软件Phase 2对该支护方式进行有效性检验,结果表明,采用该支护方式可有效降低围岩的变形量。