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。     

巷道围岩调热圈分布特性研究:以羊场湾煤矿为例

为了研究矿井巷道围岩温度场的分布情况，首先在羊场湾煤矿13采区回风下山937高程附近，利用深孔测温技术测定围岩温度，同时测定具有代表性的岩石热物性参数；然后利用COMSOL软件建立数值模型，模拟巷道围岩的温度场；最后通过改变通风时间和风流特性，分析其对该巷道调热圈温度场的影响。结果表明：通过深孔测温可知该巷道原始岩温为28.3℃,调热圈半径为32 m;通过数值模拟可知：其调热圈半径为30.9 m,与实测结果误差为3.4%。随着巷道通风时间的延长，围岩的扰动范围不断增加，围岩温度不断降低，且温度降低速率逐渐变缓；随着风流温度的降低，围岩温度也逐渐下降，且越靠近巷壁的围岩受风流温度的影响越明显；随着风流速度的增大，围岩温度会逐渐下降，当风速大于4 m/s时，围岩温度趋于稳定。     

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。     

高温高湿巷道内不稳定换热系数影响因素分析及模型建立*

为研究高温高湿巷道不稳定换热系数的变化规律,采用Fluent软件对高温高湿巷道内的热湿交换进行数值模拟,通过单因素和正交模拟实验探讨风流温度、风流速度、岩石导热系数、原岩温度以及巷道当量直径对高温高湿巷道不稳定换热系数的影响。研究结果表明:高温高湿巷道不稳定换热系数随时间的变化规律与普通巷道一致,均与通风时间呈负相关,但通风时间为1 a的高温高湿巷道不稳定换热系数较普通巷道增加了12.5%。通过单因素分析得到风流速度、岩石导热系数和当量直径与不稳定换热系数呈正相关。通过极差分析得到各因素对不稳定换热系数的影响程度为:岩石导热系数>当量直径>风流速度>风流温度>原岩温度。利用SPSS软件对正交实验数据进行拟合,建立不稳定换热系数的计算模型,拟为高温高湿巷道内热负荷计算及井下风温预测提供参考。     

巷壁与空气热湿交换规律数值模拟研究

为探讨矿井通风过程中巷壁与风流的热湿交换规律,更好地保证井下员工生命安全,运用Fluent求解器对热湿交换过程进行数值模拟。以正交试验设计为方法,选定影响巷壁与空气的热湿交换规律的10个因素进行正交试验。采用极差分析法和相关性分析法分析试验所得结果,探讨各因素对终点温度和终点相对湿度的影响。结果表明:对终点温度影响较大的3个因素依次为巷道壁温、巷道长度、进风温度,且都表现出正相关性。巷道壁面湿度对终点湿度影响最明显,成正相关,剩余各因素影响较小。最后对正交试验所得数据进行多元线性回归,得出拟合方程,将此用于风温和空气湿度预测。     

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。     

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。     

矿井巷道对流换热系数的现场测定

对流换热系数是计算围岩壁面与风流之间热交换量的重要参数。根据矿井风流与围岩热湿交换理论,提出测算井下巷道平均对流换热系数的方法。并在现场进行实测,通过对实测结果的回归分析,得出U型钢支护、断面形状为半圆拱以及工字钢支护、断面形状为梯形的巷道平均对流换热系数的简化计算式。并且当风速一定时,U型钢支护、断面形状为半圆拱的巷道平均对流换热系数值比工字钢支护、断面形状为梯形的要小;在这两种巷道条件下,其平均对流换热系数都随平均风速的增加而增大。     

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。     

局部通风掘进巷道风筒综合换热系数确定方法研究

在矿井风流与围岩热湿交换理论的基础上,对局部通风掘进巷道内风流与风筒内风流的热量交换过程进行了研究,提出了通过现场测定巷道内的风流温度、湿度、大气压力、风量和风筒内风流温度等参数来计算风筒综合换热系数的方法.并在平顶山煤矿现场进行了实测,通过对实测计算结果的回归分析,得出了确定风筒综合换热系数的计算公式.研究表明,通过计算巷道内平均风速可以获得风筒综合换热系数.     

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。     

乌兰木伦矿辅运上山雾气成因分析及解决措施研究*

为研究神东集团乌兰木伦煤矿1-2煤辅运上山内雾气成因,采用数值模拟方法研究进风温度、湿度、风流量等对巷道气候参数的影响。研究结果表明:不同工况下巷道内空气温度均趋近于围岩温度;冬季工况沿巷道走向相对湿度先增加后减小,随进风温度的升高巷道内相对湿度变化幅度减小;夏季工况巷道内相对湿度增加后趋于稳定,随进风相对湿度的升高而升高;巷道内相对湿度随进风速度的增加略有减小。1-2辅运上山起雾是由于风流从进风井至巷道距离过长,造成风流大量吸湿,当风流在1-2辅运上山上行时风流温度降低,风流中携带的水蒸气析出,出现雾气;通过在风路分支设置风窗,风流方向由上行改为下行,可有效解决巷道起雾现象。     

周期性风温下矿井巷道围岩换热教学实验装置研制*

为开展矿井热害防治的实验教学,设计并搭建周期性风温作用下巷道非均质围岩换热实验装置,能直观展示高温围岩各岩层的温度变化。利用实验数据可计算出巷道壁面热流密度,进而定量估算巷道围岩的散热量。结果表明:周期性风温通过后,模拟巷道围岩体各处温度随时间也呈简谐波变化;对于非均质的围岩体,导热系数越大的岩层,周期性风温的调热能力越强;巷道壁面处的热流密度也呈周期性变化,但围岩体总体表现为散热,且散热量随时间快速减小,并最终稳定在1.3×104 kJ/m2。     

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。     

小煤柱巷道围岩变形的力学机理及演化过程研究

为研究小煤柱巷道围岩变形力学机理与演化过程,以石槽村矿某回风巷为研究对象,采用理论分析、FLAC3D数值模拟以及现场实测等方法,分析小煤柱条件下巷道围岩变形的主要影响因素以及表征特点。研究结果表明:侧压系数为巷道围岩变形的主控因素;侧压系数与巷道顶底板位移量呈正比关系,与两帮位移量呈反比关系;回风巷每次受采动影响时,变形可分为巷道稳定阶段、位移分化阶段以及位移加速变化阶段;围岩变形主要发生在一次采动影响时,此时巷道变形呈现明显的不对称,左右两帮的位移量差异明显,巷道的中心位置明显偏移。研究结果可为小煤柱巷道围岩支护提供技术参考。     

低温取芯过程热传递方式的数值模拟和实验研究

为了研究热量在低温取芯过程中传递的方式，以型煤为研究对象，使用自制低温取芯模拟装置，通过实验并结合数值模拟，对低温取芯过程热量传递方式进行研究，进而分析煤芯温度的变化规律。研究结果表明:甲烷的存在降低了煤样的热交换速率，使煤芯温度变化滞后于煤样罐壁温度变化；煤体内部温度分布存在差异，煤样中心轴线不同半径处的圆柱面构成变温过程的等温面，在降温过程，热量沿径向由煤样内部向外部传递，升温过程，热量沿径向由外部向内部传递；低温取芯过程热量传递同时存在3种方式:热传导、热对流，煤体表面与罐体内壁表面之间的热辐射，以热传导方式为主。     

深井动压影响下山煤巷围岩变形机理与控制研究

以刘桥一矿Ⅱ66回风下山为工程背景,采用现场实测、实验室实验、数值模拟和工业性试验综合分析了下山煤巷非对称变形破坏机理,提出动压影响下深井软弱煤巷围岩多层次组合控制理论,并给出优化控制措施。研究表明:回风下山变形失稳严重并呈非对称性,围岩完整性较差,强度低。地应力实测显示,回风下山处于高原岩应力区,最大主应力为水平应力且具有明显方向性,与巷道轴线夹角为71°,断面顶底板剪切破坏风险较大;数值模拟显示,回风下山开拓延伸期间,受邻近轨道下山、辅助下山影响显著,4煤回采对其影响较小,6煤工作面回采是下山煤巷非对称失稳的主要诱因;提出以围岩深浅孔注浆为核心,以新型注浆锚索、锚杆为装备基础的高阻让压全断面组合控制理论,并给出具体优化方案。工业性试验显示,下山煤巷围岩变形得到有效控制。     

不同围岩和埋深条件下高地温隧道围岩稳定性影响研究*

为了研究围岩等级及埋深对高地温隧道围岩稳定性的影响,以红河州建（个）元高速公路尼格隧道为工程背景,采用现场测试、正交试验及数值模拟相结合的方法,探讨围岩等级、埋深及温度对隧道围岩稳定的敏感性。研究结果表明:隧道拱顶沉降量随围岩等级及埋深的升高而增加,而隧道拱顶沉降量随围岩温度的增加呈先减小后增加的趋势,影响隧道拱顶沉降因素主次顺序为围岩等级、埋深及温度。将数值模拟与现场监测结果对比分析,验证数值模拟的可靠性及准确性。研究结果可为类似高地温隧道设计和施工提供参考。