深热矿井巷道围岩的热分析

第14卷第2期(总第87期)煤矿开采Vol. 14No 2( Series No. 87)009年4月深热矿井巷道围岩的热分析张习军,姬建虎,陆伟(煤炭科学研究总院重庆研究院,重庆40007[摘要]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[关键词]热審;围岩散热;热传导;调热圈;对流热交换中图分类号]TD727[文献标识码]B[文章编号]1006625(2009)02000509Thermoanalysis of Roadway Surrounding Rock in Deep Mine国内外实践证明,对绝大部分矿井来说,地温为巷道当量半径,m;t为原始岩温℃;a为巷是形成矿井热害的主要原因,而地温对井下环境的道与风流的热交换系数,W/(m2·℃);λ,为岩影响是通过围岩散热的形式表现出来的。巷道围岩石的导热系数,W/(m·℃);tn为巷道壁温,℃散热是一个复杂的不稳定过程210:热量由围4为风流温度℃;r为通风时间。岩深部向巷道壁面传递,这一过程为热传导过程;1.2巷道围岩的调热圈在巷道空间内,围岩壁面潮湿且与风流存在温差,1.21巷道围岩调热圈的定义围岩壁表面要与风流发生热湿交换,这一过程为对￥巷道开掘后,岩石温度受到很多因素的影流过程。响。从巷道开掘后与风流接触的瞬间起,由于围岩因此,从围岩内部的热传导和外部的对流热交与风流存在温差,岩体从深部向巷道壁产生热移换来对矿井巷道围岩进行热分析,并用图形曲线的动,围岩内各点的温度将随风流流动而递减,但距形式表现出来,以便将抽象的问题直观化。巷道中心某一距离的围岩深部,围岩仍保持着原来1围岩内部的热传导的原始岩温,未受到风流的影响。这个未受影响区域的边界,即原始岩温等温线所包围的范围就是巷1.1热传导微分方程道围岩调热圈,调热圈内的温度分布就是围岩调热为简化问题,在分析围岩内部热传导问题之圈温度场,如图1所示。前,需要对巷道及围岩内部温度场作一些假设:巷道断面为圆形、无限扩展、围岩均质且各向同性、不考虑巷道轴向温度的变化、围岩的导温系数和热交换系数与温度无关。因此,巷道围岩温度场可看成二维非稳态温度场2,在不考虑围岩壁面热辐射的情况下可建立如下热传导微分方1)初始条件:t(r,T)=,r>0,了=0;边界条件:t(r,r)=l,r>,T>0;图1巷道围岩调热團1.2.2巷道围岩调热圈的半径h(t-4);h=a/A巷道围岩调热圈的半径可用下式表示(:式中,t为巷道围岩温度,℃;a为巷道围岩导温系中国煤化工U√ar数,m2/;「为围岩内任一点距巷道轴心距离,m;式中CNMHGR为巷道当[收稿日期]2008-10-23[作者简介]张习军(1982-),男,江西九江人,硕士研究生,200年毕业于山东科技大学,主要从事矿井通风和降温方面的研究。总第87期200年第2期量半径,m,R0=2S/U;x为围岩内任意点到巷道导热系数是衡量围岩导热性能的一个重要参壁的距离,m;S为巷道的断面积,m2;U为巷道数,直接影响到岩石内部温度场的分布。岩石导热的周长,m。系数越大,热传导越快,围岩冷却的速度也越快。从巷道中心到调热圈极限边界(原始岩温等另外,导热系数对调热圈半径的影响十分显著,岩温线)的距离就是调热圈半径。调热圈半径的大石导热系数越大,热传导和岩石冷却速度越快,调小是变化的,新掘进的巷道通风时间短,调热圈半热圈半径增大得越快,如图4所示。径小;随着通风时间的增长,巷道围岩受冷却范围扩大,调热圈半径变大;如果通风时间足够长,可以认为围岩与风流已充分完成热交换,调热圈半径接近最大值而达到相对稳定。通风时间与围岩调热圈半径的关系如图2所示。围岩内任意点高巷道壁的距离图4岩石导热系数对围岩温度场的影响1.3.3风流对巷道围岩温度场的影响巷道中的风流对围岩温度场的影响也比较明通风时间显。风流对围岩温度场影响的主要参数是风温和风量。当进入巷道的风流温度较低、风量较大时,风图2通风时间与围岩调热图半径的关系流与围岩热交换比较剧烈,围岩内部的温度场变化1.3巷道围岩温度场的影响因素也较大,反之则变化较小。风温和风量对围岩温度巷道围岩温度场也是不断变化的,主要受通风场的影响在巷道掘进后暴露在风流中的时间越短,时间、岩石的热物理性质、巷道形状以及风流等因影响越明显;当通风足够时间后,风流对围岩温度素的影响。场的影响可忽略不计。如图5、图6所示L.3.Ⅰ通风时间对巷道围岩温度场的影响巷道围岩温度场在巷道掘进后暴露在风流中的瞬间开始发生变化,当巷道暴露在风流中的时间极短时,巷壁与风流换热剧烈,温度随时间变化大,但降温范围小。资料表明:当通风时间不超过1d时,降温范围只限于靠近壁面3m以内的围岩;通h>t2风1个月后降温范围超过10m,随着通风时间的增长,降温范围逐渐增加,但温度下降量逐渐减小;围岩内任意点离巷道壁的距离通风约1a后,围岩温度随时间的变化不太明显了图5风流温度对巷道围岩温度场的影响基本可看成稳态温度场,如图3所示。中国煤化工距离團岩内任意点距壁面的距离/CNMHG场的影响图3巷道围岩温度场随时间的变化1.3.4巷道形状对围岩温度场的影响13.2岩石热物理性质对围岩温度场的影响巷道断面形状对围岩温度场也有一定的影张习军等:深热矿井巷道围岩的热分析2009年第2期响,但是影响较小。在4种等值面积的巷道断面水蒸气含量,kg/s;m为风流的平均水蒸气含量,形状中,对巷道围岩调热圈的影响程度依次为:梯kg/s;a为壁表面的质量交换系数,可以根据局部形>半圆形>圆形>矩形。如图7所示。换热系数α,按照 Lewis公式计算出来,(5)Cp (Sc/P,)其中,Cm为空气的定压比热,k/(kg·K);Sc为空气的Shmd数;P,为空气的 Prandtl数。1一矩形2一阙形空气的饱和水蒸气含量是温度的单值函数,与3-半网形温度的关系近似为线性的,所以风流的饱和水蒸气含量近似为高巷道壁的距高图7巷道形状对围岩温度场的影响式中,b,b1为常数。相对湿度为d的风流中水蒸气含量为:2囤岩与风流的对流换热m= (bo+ b,t)在井下实际巷道中,一般都存在水分的蒸发,如果壁面完全被液态水覆盖,可以假设非常接当巷道壁面有水分蒸发时,从围岩放出的热量一部近巷道壁面的地方的空气是饱和的,所以完全湿润分用于消耗于水分蒸发所需的潜热q,一部分用壁面的水蒸气含量m就等于壁面温度为t时的饱于风流温度升高所需的显热q即=+q,如和水蒸气含量图8所示。通常巷道壁面并不是完全被水覆盖。对于部分湿润的巷道壁面,通常用湿度系数∫来表示巷道壁显热q面的湿润程度。湿度系数∫被定义为从部分湿润巷道比表面蒸发的水蒸气量与假设巷道壁面完全湿润全部热量q时蒸发的水蒸气量的比值。则从部分湿润巷道壁面单位面积向风流传递的水蒸气质量为:潜热qfo(故单位巷道壁表面散发到风流的潜热热流密度为q1 =fo L, (m, - m)(10)式中,L,为水的蒸发潜热,Js图8潮湿巷道的热交换在定常状态下,当巷道壁面温度设定为常数21显热分析时,可以直接由以上公式求出围岩与风流之间的显根据对流换热定律,巷道壁面进入风流的显热热和潜热的交换量。非定常条件下巷道壁面的温度热流密度可按下式计算不是常数,可以根据能量守恒原理,建立壁面能量9. =a(4-t(3)守恒方程,求解围岩与风流之间的热交换量,巷道式中,q为从巷道壁面进入风流的显热热流密度,壁面温度值及围岩内部各点的温度。(W/m2);t为巷道壁面温度,℃;t为巷道内风流3结论的平均温度,℃。2.2潜热分析对巷道围岩的热分析,可得出如下结论:在壁面完全湿润的条件下(假设巷道壁面完(1)对巷道围岩的空间结构模型提出假设,全被水膜覆盖),从巷道壁面进入风流的水蒸气质建立的二维非稳杰温度场;量可按下式计算中国煤化工通风时间的增长而(4)逐CNMHG逐渐减缓,当通风式中,m,为单位时间内从单位面积壁表面蒸发的时间足够长时,可以认为调热圈半径接近最大值而水分质量,kg/s;m为完全湿润壁面近旁空气的(下转13页)冒云等:无煤柱开采技术在盘江的实践2009年第2期(2)局部瓦斯管理施工过程中若施工前方修,二次投入按4000元/m的支护成本计算,全面有空洞,就将压风管接入空洞内稀释瓦斯,现场瓦维修需投入资金4000元/mx850m=340万元。采检员必须加强瓦斯检查工作。只有瓦斯浓度小于用沿空掘进,不需进行巷道维修,从而可节约支护1%时,方可进行一切工作。成本340万(3)顶板控制施工过程中,工作面后方备3.3煤柱方面有足够的木撞楔和铁撞楔,采取打撞楔的方法控采用无煤柱沿空掘进,可将区段煤柱进行回收顶、控帮,然后进行刷掘、挖腿窝、立腿架棚等工利用。21123工作面走向长790m,煤厚3.2m、体作;迎头用前探梁支护顶板后,使用护壁网护住迎积密度1.45t/m3,按最小煤柱宽度15m计算,可头煤壁,防止巷道上帮采空区和迎头片帮伤人。多采出煤炭54984t,精煤回收率40%,精煤价格2巷道变形控制效果按1200元/t计算,可增加收人2639万元。在采取留设煤柱掘巷时,工作面还没有安装回4结束语采,就需对巷道进行修复。21123回风巷采用沿空火铺矿中煤组顶板压力较大,随工作面回采掘进,只釆取了一次性U型棚进行支护,就保证顶板能完全垮落,采空区充填较好,矿山压力随顶了采面的正常回采,掘进时巷道宽度4.6m,通过板垮落卸压并重新分布,此时布置下区段回采工作观测,在回采过程中,巷道最大变形处巷道宽度仍面时采取沿空掘巷,掘进工作面完全处于卸压安全有3.8m,巷道只收敛0.8m,月平均收敛量为区,防突煤层掘进可按非突出工作面管理,减少防100mm,仍能满足工作面回采的需要。突工序,增加有效进尺时间,加快了掘进进度,缩3效益分析短巷道掘进时间,保证矿井的正常生产接续。无煤柱沿空掘巷,可降低巷道维修量,大大减3.1生产接续方面少巷道支护成本。同时避免了区段煤柱的损失,增12"煤层为突出煤层,在釆取留设煤柱掘巷时,加煤炭资源采出率,为煤炭资源的精采、细采创造按“四位一体”的防突措施进行施工,21121工作了较好的条件。面掘进期间月最高掘进进尺60m左右;采取沿空在今后的工作面布置过程中应大力推广无煤柱掘巷时掘进工作面完全处于卸压安全区,可不按防开采技术,在生产过程中不断总结经验,对回采工突工作面管理,月平均掘进进尺为170m左右;作面各种资料进行认真分析总结,使无煤柱开采技21123回风巷掘进长度850m,按留设煤柱掘巷需术在盘江矿区得到普遍应用要14个月以上,而采取沿空掘巷只需要5个月,提前9个月构成回采工作面,回采工作面月产量考文献80kt,精煤回收率40%,精煤价格按1200元/t计算,可增加收入34560万元,为全矿井的正常生产[]邢福康,刘玉堂,等,煤矿支护手册[M】.北京:煤炭工业出版社,1993奠定了坚实的基础。[2]金连生,煤矿总工程师工作指南[M].北京:煤炭工业出版3.2支护成本方面留设煤柱掘进需要对回风巷进行1次全面维责任编辑:王兴库](上接7页)[1]高建良,杨明.巷道围岩温度分布及调热圜半径的彩响因达到稳定状态;素分析[J,中国安全科学学报,2005,15(2):73-76(3)巷道围岩的温度场沿着巷道径向方向[2]吴强,秦跃平,等.巷道围岩非稳态温度场有限元分析[J].辽宁工程技术大学学报,2002,21(5):604607围岩温度的变化受通风时间、围岩的导热系数、巷(3]苏昭桂,巷道開岩与风流热交换量的反演算法及其应用D]道中的风流、巷道断面形状等因素的影响;青岛:山东科技大学,2004(4)在实际巷道条件下,围岩与风流的热交[4]换包括热交换(表现为显热)和湿交换(表现为中国煤化工21(),26426潜热)。CNMH〔可视化模拟研究[J[参考文献]岩土力学,2005,10(26增刊):22226贵任编辑:邹正立