巷道围岩温度分布及调热圈半径的影响因素分析

分析了巷道壁面水分蒸发情况下通风时间、岩石的热物理性质、巷道几何尺寸、巷道风流与围岩壁面的对流换热系数、壁面湿度系数与风流相对湿度的变化对围岩温度分布及调热圈半径的影响。随着通风时间的延长 ,围岩冷却范围逐渐向围岩内部推移 ,推移速度逐渐降低 ;巷道壁面水分蒸发和风流相对湿度对靠近壁面处围岩温度分布影响很大 ,但对深部围岩温度分布的影响逐渐变小 ,所以对调热圈半径的影响很小 ;岩石导温系数对调热圈半径及其内部的温度分布影响较大。巷道壁面风流与围岩的换热系数和巷道的几何尺寸对巷道围岩的冷却范围影响非常小。     

巷道断面形状对围岩散热规律的影响研究

为了研究巷道断面形状特征对围岩散热特性的影响,结合矿井通风的实际情况,建立贴体坐标系下二维径向围岩非稳态导热的微分方程.利用坐标变换方法将实际物理平面内的控制方程转换到规则的计算平面内进行求解.以水力半径为1.2 m的不同断面形状的巷道为研究对象,利用自主编制的基于有限体积法(FVM)的C++求解程序,对其内部温度场变化情况开展数值模拟研究.结果表明,矿井通风初期的前5年内,围岩温度场的分布特点受巷道断面形状的影响较为显著.围岩散热呈现各向异性特点,且通风时间越长各向异性的特点越显著.通过数据分析拟合发现,巷道围岩的调热圈半径随通风时间呈指数变化,且经历相同通风时间后,调热圈半径随形状因子增大呈线性增加趋势.巷道壁面平均温度和散热热流密度随形状因子增大而降低,但二者随时间变化的轨迹不同.     

井巷巷道围岩调热圈温度场分布模型及影响因素分析

开展对热害矿井的治理,基础工作是对矿井巷道周围的温度分布进行掌握,其中又以围岩调热圈的研究最为重要。本文对井巷围岩调热圈及围岩在通风条件下的散热规律进行了分析,建立了相应的数学模型来推导调热圈半径和温度场;以三河尖矿的巷道围岩调热圈为具体实例,对影响围岩调热圈半径及边界大小的若干个物理参数进行了研究。结果表明:不同区域内的调热圈半径不同,其中其半径的形成与通风时间因素的影响最为密切。测试的结果对该高温深井进行通风量控制以及热害防治有指导意义。     

不同隔热材料下的深井巷道隔热降温模拟研究

为解决煤矿开采深度不断延伸带来的热害问题,揭示深井巷道温度场分布特征,选用5种矿用隔热材料开展深井巷道隔热降温模拟研究,分析不同厚度隔热层、不同围岩初始温度对围岩温度场、调热圈半径及巷内风流温度变化的影响,并探究隔热层附近围岩温度场的演变特征。结果表明：添加泡沫混凝土的材料隔热性能最佳,经济成本最低;隔热层选用导热系数较低的隔热材料有助于提高隔热层的隔热效果,5～10 cm为最佳隔热层厚度;温度场与围岩层、锚喷层、隔热层在空间上分布一致,隔热材料导热系数与巷道围岩的温度梯度呈负相关,隔热层厚度、原岩温度与巷道围岩温度梯度呈正相关,隔热材料、隔热层厚度和原岩温度对调热圈半径有一定程度的影响,相比无隔热层巷道,巷道隔热和降温效果显著。     

潮湿巷道风流温度与湿度变化规律分析

通过对矿井风流与围岩热湿交换理论的研究,提出理论上更可靠的风流温、湿度计算方法,编制了模拟解算矿井风流与围岩热湿交换的计算机程序,解算出潮湿巷道风流温度及湿度的变化规律,并分析通风时间、湿度系数等参数对风流温度及湿度变化规律的影响;沿风流流动方向,风流温度及湿度不断增加;巷道风流温度及湿度随着通风时间的增加而不断减小,通风时间越长减小的幅度越小;围岩壁面湿度系数对风流温度及湿度的影响较大,其他参数不变时,壁面湿度系数越大,风流温度越小,风流湿度越大。     

基于热湿交换理论的巷道风流温、湿度影响因素研究

为了研究巷道风流参数的影响因素、预测风流温湿度的变化规律,结合热湿交换理论,建立了风流与围岩壁面之间热湿交换的数学模型,以及贴体坐标系下围岩内部温度场的导热微分方程;利用数值方法,将围岩内部的导热问题与影响风流参数变化的热湿交换问题耦合起来,并以大柳塔煤矿52505综采工作面为例进行计算,得到了与实测参数较为一致的模拟结果,验证了该数值方法的有效性。研究结果表明:风流温度受原始岩温、入风流温度、局部热源强度等因素的影响,风流相对湿度与入风流温、湿度以及井下湿源的数量和强度有关;巷道壁温作为将围岩温度场与风流参数之间关联起来的主要因素,对模拟结果影响较大,其数值取决于壁面与风流之间热湿交换以及围岩原始岩温。     

对显热比变化规律的理论分析

对矿井风流热交换计算常用的参数之一即显热比的变化规律进行了理论分析。定量分析了显热比与通风时间 (巷道壁面温度 )、巷道壁面的湿度系数、风流的相对湿度等参数之间的关系。通风开始后 ,壁面温度随着暴露时间的增长而降低 ,显热比也随通风时间增长而降低。显热比随巷道壁面湿度系数的增加而下降 ;随着风流相对湿度的增加 ,显热比增加     

条带潮湿巷道模型风流温湿度数值模拟研究

为研究巷道壁面均匀潮湿和局部潮湿对围岩及巷道壁温度影响差异,准确预测潮湿巷道风流温湿度,根据三维围岩温度场理论,建立围岩热传导、风流温度和湿度数值计算模型,数值模拟巷道壁面均匀潮湿模型(UWSM)和条带潮湿模型(PWSM),探讨不同参数条件对巷道风流温湿度影响。结果表明:三维热传导模型在局部潮湿巷道计算得出围岩温度及风流温度分布更贴合实际;提出根据潮湿率确定潮湿度修正系数的方法,可提高大型通风网络温湿度预测计算精度。     

井下移动热源对巷道局部风流温度影响规律研究

为了研究煤矿井下热源对巷道局部风流温度的影响，通过搭建实验平台以及建立数值模型，采用实验和数值模拟的方法，分析井下固定和移动热源对巷道局部风流温度的影响规律。研究结果表明:对比实验和数值模拟固定热源对巷道局部风流温度的影响，结果显示二者总体温度变化趋势一致性较好，验证了数学模型的正确性；井下热源移动速度不同时，顺风移动速度越大，对巷道局部温度影响越大，且巷道局部温度相对升高；逆风移动速度越大，对巷道局部温度影响越小，且巷道局部温度相对降低。     

有热源巷道风流温度分布非稳定模型及数值计算

针对矿井有热源巷道中风流温度分布非稳定计算问题，通过通风巷道存在放热源-对流-扩散-热交换的非稳定温度传播方程，建立一维有限元数值模拟求解方法的数学模型，讨论按放热强度（2类热流量条件）的热源项处理算法，给出有热源通风巷道风流初始温度均匀分布与非均匀分布的定解条件，并编写计算机仿真程序进行求解计算。结果表明:在起点27 ℃-热源300 kW和起点32℃-热源100 kW的不同边界条件和热源强度下，有热源通风巷道中温度分布的非稳定传播过程；数值解收敛准则用Peclet数来衡量，取Pe<2作为收敛条件，程序中根据Peclet数自动加以判断，算例中剖分单元长度1.5 m，模拟时间步长取2 s不发生振荡。实现了巷道中风流各点的温度和温度分布随时间的变化过程的描述，为矿井系统多设备热源散热计算及热害防治设计提供基础算法。     

围岩散热计算及壁面水分蒸发的处理

笔者采用湿度系数法对壁面水分蒸发进行了处理,对计算壁面处饱和空气含湿量的方法进行了改进,将饱和空气含湿量与温度的关系拟合为二次曲线;建立了在考虑壁面水分蒸发情况下解算巷道围岩温度场分布及围岩向风流的散热量的数学方程,并采用异步长有限差分法对其进行了数值模拟求解;解算出巷道壁面水分蒸发情况下围岩温度分布、壁面温度和围岩散热量的变化规律;并与将饱和空气含湿量与温度的关系拟合为线型关系曲线时的解算结果进行了对比,将饱和空气含湿量和温度之间的关系拟合为线性的计算结果存在一定的误差,通风时间越长,湿度系数越大,风流相对湿度越小,拟合为线性时计算出来的壁面温度和围岩散热量的误差越大。     

深井高温热环境的数值评价

根据井下工作面热环境的特点,采用了数值模拟的方法,对高温巷道中的热环境进行数值模拟计算,并应用预计热舒适指标(PMV)对不同设计参数的井下环境的热舒适程度进行科学的评价,给出了高温巷道中的速度场、温度场、热舒适PMV值。以某矿山高温巷道为实例进行了热环境评价,得出了热环境评价结果。结果表明在温度为40℃的高温巷道中,采用入口处风速为0.8m/s即可满足通风降温的要求,所得结果更具有直观性、准确性,为最优通风降温方案的确定提供了技术依据。     

下行风流火灾管道试验与烟流动力特征研究

为了明确矿井巷道通风量及角度变化对火灾的影响规律，运用矿井火灾管道试验平台及各种传感器数据采集系统，开展下行通风火灾的管道相似模拟试验，得到在不同通风机动力和巷道倾角下巷道风量、各测点温度随时间的变化规律，对下行风流火灾时的风流紊乱状态有了进一步认识。结果表明，火灾时燃烧温度迅速到达顶峰后温度衰减速度随风量增大而加快，巷道火灾高温区域随着巷道风速增大而向火源下风侧移动。增大巷道倾斜角度，火风压作用增强，通风系统稳定性降低，更容易发生烟流逆退现象。在下行通风试验中，存在一个使火风压与通风机动力大小相等方向相反的临界风速。矿井火灾烟流是否产生逆退现象与通风能力有关，通风能力越强，巷道风流克服火区阻力、保持原状态的能力越强。     

纵向通风隧道内火灾温度场分布规律研究

以狮子洋水下特长隧道为工程背景,利用CFD数值模拟软件FDS 4.01,建立隧道实体物理模型,进行火灾数值模拟分析。研究了列车火灾热释放功率为15 MW、不同坡度、不同纵向通风风速下,该类隧道内拱顶附近和2 m高处温度场的纵向分布规律,以及各工况下拱顶的最高温度,并分析其对隧道结构防火和人员疏散救援的影响。结果表明:随隧道坡度的增大,在同一通风速率下的烟气回流长度逐渐减小,但随着风速的加大,坡度对烟气回流的影响逐渐减弱;随着通风风速的增大,火区附近的温度下降,而沿程温度上升,纵向通风速率越大,拱顶温度越低。     

高温矿井多孔介质相变蓄热降温研究及设计

为了解决机械通风难以满足高温矿井降温需求的问题,提出由石蜡和膨胀石墨构成多孔介质相变蓄热模块来达到巷道降温效果的方法,基于Fluent模拟软件,对通风和相变蓄热联合降温多条件下巷道温度场进行数值模拟,确定相变蓄热模块的设计参数,最后对掘进巷道热环境进行模拟研究和方案设计。 研究结果表明:相比于仅通风降温,联合降温效果明显;采用双侧布置相变模块降温效果明显优于单侧布置工况;随着风速逐渐递增,降温效果下降,且降温幅度减小;模块厚度分别为100,200 mm时降温效果基本一致,厚度300 mm时,巷道温度明显升高。     

矿井通风热阻力数值模拟研究

矿井风流流经井下热水、干热岩、火灾地点等局部高温区域时,风流吸收热量使其内能增加,高温风流在巷道内流动时会产生热阻力。针对如何确定井下风流加热流动时巷道内热阻力的实测范围这一问题,通过理论推导与数值模拟的方法对巷道内热阻力分布情况进行分析。由压力场的模拟结果得出风流加热流动时,所产生的热阻力不仅存在于加热区,高温风流向加热区下风侧流动时热阻力仍然存在。模拟结果表明:对于水平等截面管道,风流流经加热区时,风流速压增加,加热区内风流的静压降幅大于全压降幅;流出加热区的风流向管道出口处流动时,高温风流不断克服阻力做功,并与管道内的新鲜风流、壁面进行热交换,风流温度逐渐下降,当测定区间为加热区入口至模拟管道出口时,风流的静压降幅与全压降幅近似相等。研究结果对井下巷道、隧道及实际工程应用中热阻力的分析与研究都具有重要价值。     

矿井风流温度预测分析研究

随着煤矿机械化程度不断提高,特别是随着开采深度逐渐增加,矿井热害问题日益突显,高温环境不仅影响生产效率而且严重危害着工作人员的健康。为了更好地降低高温矿井开采时期巷道风流温度,确定合理的巷道布置方案和矿井通风系统,提出矿井巷道风流温度预测方法。以矿井通风和热力学为基础,结合网络解算,对矿井风流温度分布进行研究,总结各种类型巷道风流温度的计算方法,提出多点风流混合温度计算模型。结合具体矿井进行实际预测分析,预测结果中显示风流温度可能超限的巷道,对通风系统进行优化设计。     

掘进巷道热环境与通风效率数值模拟研究

井下工作面必须应用通风系统。采用数值模拟技术分析了两种通风方式下,不同风口布置的掘进巷道内空气龄、空气流速和热舒适性指标PMV值的分布情况。根据模拟结果对掘进巷道通风模式的选择提出了建议。结果表明,长距离送风和短距离抽风方式是最有效率的通风模式。压入式通风方式的风口应布置在距掘进头10 m附近,抽出式通风方式抽风口应布置在距掘进头2m范围内。在相同的送风条件下,可增大短距离抽风方式下的送风温度,以提高掘进巷道内热舒适性和降低能耗。     

掘进巷道风流温度分布规律的数值模拟

根据紊流状态下的守恒原理 ,导出了描述掘进巷道风流紊流流动和温度分布的微分方程。通过对矿内风流流动及热力过程的理论分析及现场实测 ,系统地开展矿内风流流场和风流温度场的分布规律及其耦合作用机理的理论分析与研究 ,并利用PHOENICS程序进行数值模拟 ,初步得出了矿井掘进巷道风流温度与各种参数的变化规律。掘进巷道风流温度随风速提高呈负幂函数规律降低 ,随入风流温度升高而线性升高。     

矿井巷道火灾烟流逆退数值模拟及临界风速研究

为了研究矿井发生火灾后高温烟流的蔓延规律及影响因素，利用COMSOL软件对火区进行数值模拟，建立巷道三维模型，得到火区风流速度与温度分布。通过改变边界条件，分析火风压作用下，火区烟气在不同控制风速、巷道条件作用下蔓延规律，得出不同因素与临界风速的关系，为选取合理的火灾控制风速提供理论依据。研究结果表明:火源温度一定时，巷道入口风速越低，火源下风侧高温烟流越靠近巷道顶部，随着风速增大，向巷道下部蔓延；风速较低时，在火区火风压的作用下，会产生烟流逆退现象，随着风速的增大，逆流层长度和厚度随之减小；巷道入口通风条件不变时，火区温度越高越容易产生烟流的逆退，影响范围越大；巷道高度越高、上行风坡度越小，越易发生逆退现象；不同影响因素与巷道平均温度不成正比关系，其中下行风坡度5~15°时巷道平均温度较高且易于发生烟流滚退现象，影响范围较大；火源温度、巷道条件与临界风速的数据拟合结果对预测巷道的临界风速有较好的参考价值。