高温采煤工作面围岩散热及风温预测数值模拟方法研究

发布时间：2020-07-19 11:53

【摘要】：高温深部矿井围岩与风流间热交换及热状态预测是一个极其复杂的传热、传质过程,对研究矿井热害问题的治理起着至关重要的作用。本文开展了高温深部矿井围岩与风流间热交换及数值模拟计算方法研究,目的是立足国内外众多研究结果的基础上,结合流体力学、热力学和传热学等理论,通过模拟实验、数学分析和数值模拟等方法对上述问题开展深入系统的分析工作,并将研究成果应用于矿井热害的预防与治理工程实践中,为解决高温矿井热害问题提供理论依据和实用方法手段。在矿井的热环境中,围岩散热是引起矿井热环境恶化的重要影响因素,当原岩温度与巷道内流动的风流温度存在温差时就会进行传热。围岩是以热传导方式将热量传递给壁面,再通过围岩壁面传递给周围环境。围岩的原岩温度随着开采深度的增加而逐渐升高。深部矿井中围岩散发的热量值很大,甚至会大于其他种类物质的热流量之和。因此,治理高温矿井热害问题首先要研究高温矿井围岩散热问题。在解决工程及科学问题时,常用的研究手段大都分为理论分析,数值求解以及实验室实验等。随着计算科学的发展,应用数学物理方法求解工程实践问题已经取得了很大的发展。但是,由于受到工程问题复杂性的影响,一般只能得到几种少数简单情况下的解析解。为满足现实实践中的需要,应运计算机进行数值模拟计算已经成为解决工程实际中复杂问题的有效手段。采用区域划分理论的离散方法正成为强有力的工具,它能够解决上述复杂问题并进行大规模的高能运算。本文首先以巷道风流热交换及热状态预测类问题为依托,开展数值模拟计算方法的选择工作,并分析高温矿井巷道围岩散热规律。根据能量守恒定律和傅里叶定律,建立了巷道围岩温度场数学模型,运用有限体积计算方法对其进行离散分析,并采用消元法求解出非稳态巷道围岩温度场。重点阐述了有限体积计算方法的基本思想和基本原理,以围岩温度场导热问题为例说明了有限体积计算方法的具体求解过程。建立了非均质巷道围岩与风流间热交换的相似模拟实验模型,利用实验结果对文中非均质巷道围岩温度场数学模型进行实验验证,通过对比分析,发现有限体积法计算结果和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,验证了文中有限体积计算方法对传热问题研究的科学性与准确性。同时又进行理论分析,并使用有限体积计算方法解算了巷道同围岩间的不稳定换热准数,计算结果同理论曲线一致。另外,使用有限体积计算方法和相似模拟实验平台得到了巷道围岩温度场的分布规律,以及不同位置处温度随时间的变化规律。对巷道壁面处温度分析后发现,同等外界条件下,导热系数、导温系数大处温度值略高。实例计算分析了巷道围岩非稳态温度场变化过程,形象给出了巷道围岩温度场冷却圈的变化规律,利用牛顿冷却公式和解算得到的巷道壁面温度求出了非稳态过程中巷道围岩散热量及其变化趋势。由此说明,本文所提出的有限体积计算方法对研究围岩温度场问题具有一定的指导意义,同时为本文后面建立采煤工作面围岩散热模型、采空区热风防治模型奠定了基础。研究高温采煤工作面热交换及热状态预测方面的问题首先是要开展采煤工作面围岩温度场问题的研究。根据高温采煤工作面围岩散热机理、采煤工作面的推进规律,基于煤的热物理性质同岩石的热物理性质存在着很大的差异性,以及煤系地层中各层岩石分布的差异性,参考非均质巷道围岩温度场研究的基础上,建立了非均质采煤工作面围岩温度场控制方程。进一步拓展了应用有限体积法模拟计算连续推进中采煤工作面的围岩放热规律。通过对该控制方程的内部单元和边界单元进行分析,运用有限体积计算方法对其进行了离散,采用了消元法求解并编制相应解算程序解算了非均质采煤工作面围岩温度场。分析确定了采煤工作面温度场的边界条件,并且以实际工程地质条件为例,计算得到了持续推进中的采煤工作面围岩分布云图。通过对其变化特点进行分析比较,得到了推进速度和对流换热强度对采煤工作面温度场变化的影响,同时对比巷道围岩温度场分析了推进中的采煤工作面温度扰动范围。最后通过计算的采煤工作面壁面过余温度和牛顿冷却公式得到了多种工作条件下的采煤工作面围岩放热量。长壁采煤工作面之所以存在采空区漏风的现象是由于采煤工作面内通风压差的作用引起的。随着矿井不断向深部开采,在现代采煤工艺提高的影响下,综采工作面的产量不断增加以及工作面推进速度不断加快,工作面温度急剧上升。受采煤工作面通风压差作用的影响,越来越多的新鲜风流进入采空区内。这些进入采空区内的气体同采空区内的遗煤发生低温氧化作用,使得采空区的热量慢慢积聚并持续升高,处于热状态的流体不断的从流出采空区,涌向采煤工作面,这就必然造成回采工作面温度急剧升高,尤其是在回风隅角处的热害问题越来越严重,制约着矿井的安全高效生产。煤矿综采工作面普遍存在着回风侧漏风严重且回风隅角处温度显著上升的问题,必须针对工作面回风隅角处热害问题提出具体防治措施。采空区范围内的煤氧复合作用是一个及其复杂多物理场耦合问题。它涉及到氧气的扩散、气体的渗流、固体及气体间热交换问题的研究。根据质量守恒定律和Darcy定律,建立了采空区热风抽放渗流模型,根据传热学理论和能量守恒定律,建立了采空区热风抽放流、固多孔介质温度场模型,根据质量守恒定律和Fick定律,建立了采空区热风抽放氧气扩散模型,基于采空区渗流场、气、固多孔介质温度场及氧浓度场的多场耦合,编制了采空区热风抽放解算程序,通过对比分析确定了采空区的热风抽放方案,为研究采空区热风抽放对采煤工作面热害防治工作的作用奠定了基础。上述研究内容为采煤工作面热状态预测提供了坚实的理论基础。在采煤工作面内,各种类型之间的热源相互影响、相互作用,是一个有机整体。充分分析进风顺槽及回采工作面的换热特征后,基于能量守恒原理,建立了进风顺槽及回采工作面热状态预测数学模型。使用有限差分的方法对上述数学模型进行离散,并基于采空区热风抽放解算程序,编制了进风顺槽及回采工作面热状态预测解算程序。根据巷道围岩散热和采煤工作面围岩散热的研究内容分别计算了进风顺槽及回采工作面内围岩同风流间热交换的不稳定换热系数。以具体的工程实际条件分析对象,求解出风流温度的变化规律及各因素间的相互影响规律,说明了采空区热风抽放对采煤工作面热害治理的作用效果,为矿井热害预防和治理等工程实践提供了理论支撑和实用方法。论文的创新性主要表现在以下几个方面:(1)根据煤矿井下煤系地层大多成层状分布特点,且各层围岩的热物理性质具有一定的差异性。本文使用有限体积计算方法建立了非均质巷道围岩温度场数学模型,解算了非均质巷道围岩温度场。并使用相似模拟使用平台对其进行验证,得到了非均质巷道围岩温度场的散热规律。(2)应用有限体积法模拟计算了持续推进中采煤工作面围岩放热规律。基于煤的热物理性质同岩石的热物理性质存在着很大的差异性且煤系地层中各层岩石分布的差异性,建立了非均质采煤工作面围岩温度场控制方程,并对其进行解算。分析了影响采煤工作面围岩散热的主要因素,并求解了在多种状态下的围岩散热量和推进过程中温度的扰动范围。(3)在采空区多场耦合的基础上编制了采空区热风抽放解算程序,通过对比分析确定了采空区热风抽放方案。分析了几种通风阻力状态下的采空区热风抽放效果。完善了进风顺槽及回采工作面热状态预测理论,以具体实例说明了采空区热风抽放对采煤工作面热害治理的作用效果。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD727.2
【图文】：

网格划分,温度场,边界条件,巷道围岩散热

岩的原始岩温；③在巷道轴向方向上热④巷道内风流温度恒定不变。析，沿通风方向上巷道围岩非稳态温度度上的巷道围岩散热问题，根据傅里叶场非稳态导热积分方程为：2 22 21( + )d ( )dD DnT T Tx y a ，m；系数，m2/s；件

实验系统

设计围岩温度场相似模拟实验平台，如图3.6 所示，该平台由三大系统组成，分别为风流控制系统（图 3.8）、数据监控采集系统和模型主体（图 3.9）。风流参数控制系统控制风流温度范围为-30 ℃～120 ℃，温度偏差 1 ℃，控制精度为±0.1 ℃。巷道模型主体尺寸为 700 mm×700 mm×300mm，由不锈钢板焊接而成，其巷道直径为 100 mm，模型主体内铺设五层热物理性质不同的相似模拟材料，模型外围表面均铺设 50 mm 厚的保温材料。数据监控系统为 Datataker800 数据采集器，可以采集相关信号，实现数据自动传输。温度传感器是整个实验系统的数据采集模块，本文实验采用铂热电阻进行测温，测温范围-50 ℃～300 ℃，测量精度±0.1 ℃

风流控制,测点布置

图 3.7 模型主体中测点布置图Fig.3.7 Layout of measuring points in model图.3.8 风流控制系统Fig.3.8 Wind flow control system

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