深熱礦井巷道圍巖的熱分析

第14卷第2期(總第87期)煤礦開(kāi)采Vol. 14No 2( Series No. 87)009年4月深熱礦井巷道圍巖的熱分析張習軍,姬建虎,陸偉(煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院,重慶40007[摘要]巷道圍巖散熱是一個(gè)復雜的非穩態(tài)過(guò)程,包括圍巖內部的熱傳導和圍巖與風(fēng)流的對流熱交換,著(zhù)重從這兩個(gè)方面對巷道圍巖進(jìn)行熱分析。分析了巷道圍巖調熱圈和圍巖內部溫度場(chǎng)及其影響因素,以及圍巖與風(fēng)流熱濕交換的顯熱和潛熱[關(guān)鍵詞]熱審;圍巖散熱;熱傳導;調熱圈;對流熱交換中圖分類(lèi)號]TD727[文獻標識碼]B[文章編號]1006625(2009)02000509Thermoanalysis of Roadway Surrounding Rock in Deep Mine國內外實(shí)踐證明,對絕大部分礦井來(lái)說(shuō),地溫為巷道當量半徑,m;t為原始巖溫℃;a為巷是形成礦井熱害的主要原因,而地溫對井下環(huán)境的道與風(fēng)流的熱交換系數,W/(m2·℃);λ,為巖影響是通過(guò)圍巖散熱的形式表現出來(lái)的。巷道圍巖石的導熱系數,W/(m·℃);tn為巷道壁溫,℃散熱是一個(gè)復雜的不穩定過(guò)程210:熱量由圍4為風(fēng)流溫度℃;r為通風(fēng)時(shí)間。巖深部向巷道壁面傳遞,這一過(guò)程為熱傳導過(guò)程;1.2巷道圍巖的調熱圈在巷道空間內,圍巖壁面潮濕且與風(fēng)流存在溫差,1.21巷道圍巖調熱圈的定義圍巖壁表面要與風(fēng)流發(fā)生熱濕交換,這一過(guò)程為對￥巷道開(kāi)掘后,巖石溫度受到很多因素的影流過(guò)程。響。從巷道開(kāi)掘后與風(fēng)流接觸的瞬間起,由于圍巖因此,從圍巖內部的熱傳導和外部的對流熱交與風(fēng)流存在溫差,巖體從深部向巷道壁產(chǎn)生熱移換來(lái)對礦井巷道圍巖進(jìn)行熱分析,并用圖形曲線(xiàn)的動(dòng),圍巖內各點(diǎn)的溫度將隨風(fēng)流流動(dòng)而遞減,但距形式表現出來(lái),以便將抽象的問(wèn)題直觀(guān)化。巷道中心某一距離的圍巖深部,圍巖仍保持著(zhù)原來(lái)1圍巖內部的熱傳導的原始巖溫,未受到風(fēng)流的影響。這個(gè)未受影響區域的邊界,即原始巖溫等溫線(xiàn)所包圍的范圍就是巷1.1熱傳導微分方程道圍巖調熱圈,調熱圈內的溫度分布就是圍巖調熱為簡(jiǎn)化問(wèn)題,在分析圍巖內部熱傳導問(wèn)題之圈溫度場(chǎng),如圖1所示。前,需要對巷道及圍巖內部溫度場(chǎng)作一些假設:巷道斷面為圓形、無(wú)限擴展、圍巖均質(zhì)且各向同性、不考慮巷道軸向溫度的變化、圍巖的導溫系數和熱交換系數與溫度無(wú)關(guān)。因此,巷道圍巖溫度場(chǎng)可看成二維非穩態(tài)溫度場(chǎng)2,在不考慮圍巖壁面熱輻射的情況下可建立如下熱傳導微分方1)初始條件:t(r,T)=,r>0,了=0;邊界條件:t(r,r)=l,r>,T>0;圖1巷道圍巖調熱團1.2.2巷道圍巖調熱圈的半徑h(t-4);h=a/A巷道圍巖調熱圈的半徑可用下式表示(:式中,t為巷道圍巖溫度,℃;a為巷道圍巖導溫系中國煤化工U√ar數,m2/;「為圍巖內任一點(diǎn)距巷道軸心距離,m;式中CNMHGR為巷道當[收稿日期]2008-10-23[作者簡(jiǎn)介]張習軍(1982-),男,江西九江人,碩士研究生,200年畢業(yè)于山東科技大學(xué),主要從事礦井通風(fēng)和降溫方面的研究?？偟?7期200年第2期量半徑,m,R0=2S/U;x為圍巖內任意點(diǎn)到巷道導熱系數是衡量圍巖導熱性能的一個(gè)重要參壁的距離,m;S為巷道的斷面積,m2;U為巷道數,直接影響到巖石內部溫度場(chǎng)的分布。巖石導熱的周長(cháng),m。系數越大,熱傳導越快,圍巖冷卻的速度也越快。從巷道中心到調熱圈極限邊界(原始巖溫等另外,導熱系數對調熱圈半徑的影響十分顯著(zhù),巖溫線(xiàn))的距離就是調熱圈半徑。調熱圈半徑的大石導熱系數越大,熱傳導和巖石冷卻速度越快,調小是變化的,新掘進(jìn)的巷道通風(fēng)時(shí)間短,調熱圈半熱圈半徑增大得越快,如圖4所示。徑小;隨著(zhù)通風(fēng)時(shí)間的增長(cháng),巷道圍巖受冷卻范圍擴大,調熱圈半徑變大;如果通風(fēng)時(shí)間足夠長(cháng),可以認為圍巖與風(fēng)流已充分完成熱交換,調熱圈半徑接近最大值而達到相對穩定。通風(fēng)時(shí)間與圍巖調熱圈半徑的關(guān)系如圖2所示。圍巖內任意點(diǎn)高巷道壁的距離圖4巖石導熱系數對圍巖溫度場(chǎng)的影響1.3.3風(fēng)流對巷道圍巖溫度場(chǎng)的影響巷道中的風(fēng)流對圍巖溫度場(chǎng)的影響也比較明通風(fēng)時(shí)間顯。風(fēng)流對圍巖溫度場(chǎng)影響的主要參數是風(fēng)溫和風(fēng)量。當進(jìn)入巷道的風(fēng)流溫度較低、風(fēng)量較大時(shí),風(fēng)圖2通風(fēng)時(shí)間與圍巖調熱圖半徑的關(guān)系流與圍巖熱交換比較劇烈,圍巖內部的溫度場(chǎng)變化1.3巷道圍巖溫度場(chǎng)的影響因素也較大,反之則變化較小。風(fēng)溫和風(fēng)量對圍巖溫度巷道圍巖溫度場(chǎng)也是不斷變化的,主要受通風(fēng)場(chǎng)的影響在巷道掘進(jìn)后暴露在風(fēng)流中的時(shí)間越短,時(shí)間、巖石的熱物理性質(zhì)、巷道形狀以及風(fēng)流等因影響越明顯;當通風(fēng)足夠時(shí)間后,風(fēng)流對圍巖溫度素的影響。場(chǎng)的影響可忽略不計。如圖5、圖6所示L.3.Ⅰ通風(fēng)時(shí)間對巷道圍巖溫度場(chǎng)的影響巷道圍巖溫度場(chǎng)在巷道掘進(jìn)后暴露在風(fēng)流中的瞬間開(kāi)始發(fā)生變化,當巷道暴露在風(fēng)流中的時(shí)間極短時(shí),巷壁與風(fēng)流換熱劇烈,溫度隨時(shí)間變化大,但降溫范圍小。資料表明:當通風(fēng)時(shí)間不超過(guò)1d時(shí),降溫范圍只限于靠近壁面3m以?xún)鹊膰鷰r;通h>t2風(fēng)1個(gè)月后降溫范圍超過(guò)10m,隨著(zhù)通風(fēng)時(shí)間的增長(cháng),降溫范圍逐漸增加,但溫度下降量逐漸減小;圍巖內任意點(diǎn)離巷道壁的距離通風(fēng)約1a后,圍巖溫度隨時(shí)間的變化不太明顯了圖5風(fēng)流溫度對巷道圍巖溫度場(chǎng)的影響基本可看成穩態(tài)溫度場(chǎng),如圖3所示。中國煤化工距離團巖內任意點(diǎn)距壁面的距離/CNMHG場(chǎng)的影響圖3巷道圍巖溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化1.3.4巷道形狀對圍巖溫度場(chǎng)的影響13.2巖石熱物理性質(zhì)對圍巖溫度場(chǎng)的影響巷道斷面形狀對圍巖溫度場(chǎng)也有一定的影張習軍等:深熱礦井巷道圍巖的熱分析2009年第2期響,但是影響較小。在4種等值面積的巷道斷面水蒸氣含量,kg/s;m為風(fēng)流的平均水蒸氣含量,形狀中,對巷道圍巖調熱圈的影響程度依次為:梯kg/s;a為壁表面的質(zhì)量交換系數,可以根據局部形>半圓形>圓形>矩形。如圖7所示。換熱系數α,按照 Lewis公式計算出來(lái),(5)Cp (Sc/P,)其中,Cm為空氣的定壓比熱,k/(kg·K);Sc為空氣的Shmd數;P,為空氣的 Prandtl數。1一矩形2一闕形空氣的飽和水蒸氣含量是溫度的單值函數,與3-半網(wǎng)形溫度的關(guān)系近似為線(xiàn)性的,所以風(fēng)流的飽和水蒸氣含量近似為高巷道壁的距高圖7巷道形狀對圍巖溫度場(chǎng)的影響式中,b,b1為常數。相對濕度為d的風(fēng)流中水蒸氣含量為:2囤巖與風(fēng)流的對流換熱m= (bo+ b,t)在井下實(shí)際巷道中,一般都存在水分的蒸發(fā),如果壁面完全被液態(tài)水覆蓋,可以假設非常接當巷道壁面有水分蒸發(fā)時(shí),從圍巖放出的熱量一部近巷道壁面的地方的空氣是飽和的,所以完全濕潤分用于消耗于水分蒸發(fā)所需的潛熱q,一部分用壁面的水蒸氣含量m就等于壁面溫度為t時(shí)的飽于風(fēng)流溫度升高所需的顯熱q即=+q,如和水蒸氣含量圖8所示。通常巷道壁面并不是完全被水覆蓋。對于部分濕潤的巷道壁面,通常用濕度系數∫來(lái)表示巷道壁顯熱q面的濕潤程度。濕度系數∫被定義為從部分濕潤巷道比表面蒸發(fā)的水蒸氣量與假設巷道壁面完全濕潤全部熱量q時(shí)蒸發(fā)的水蒸氣量的比值。則從部分濕潤巷道壁面單位面積向風(fēng)流傳遞的水蒸氣質(zhì)量為:潛熱qfo(故單位巷道壁表面散發(fā)到風(fēng)流的潛熱熱流密度為q1 =fo L, (m, - m)(10)式中,L,為水的蒸發(fā)潛熱,Js圖8潮濕巷道的熱交換在定常狀態(tài)下,當巷道壁面溫度設定為常數21顯熱分析時(shí),可以直接由以上公式求出圍巖與風(fēng)流之間的顯根據對流換熱定律,巷道壁面進(jìn)入風(fēng)流的顯熱熱和潛熱的交換量。非定常條件下巷道壁面的溫度熱流密度可按下式計算不是常數,可以根據能量守恒原理,建立壁面能量9. =a(4-t(3)守恒方程,求解圍巖與風(fēng)流之間的熱交換量,巷道式中,q為從巷道壁面進(jìn)入風(fēng)流的顯熱熱流密度,壁面溫度值及圍巖內部各點(diǎn)的溫度。(W/m2);t為巷道壁面溫度,℃;t為巷道內風(fēng)流3結論的平均溫度,℃。2.2潛熱分析對巷道圍巖的熱分析,可得出如下結論:在壁面完全濕潤的條件下(假設巷道壁面完(1)對巷道圍巖的空間結構模型提出假設,全被水膜覆蓋),從巷道壁面進(jìn)入風(fēng)流的水蒸氣質(zhì)建立的二維非穩杰溫度場(chǎng);量可按下式計算中國煤化工通風(fēng)時(shí)間的增長(cháng)而(4)逐CNMHG逐漸減緩,當通風(fēng)式中,m,為單位時(shí)間內從單位面積壁表面蒸發(fā)的時(shí)間足夠長(cháng)時(shí),可以認為調熱圈半徑接近最大值而水分質(zhì)量,kg/s;m為完全濕潤壁面近旁空氣的(下轉13頁(yè))冒云等:無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)在盤(pán)江的實(shí)踐2009年第2期(2)局部瓦斯管理施工過(guò)程中若施工前方修,二次投入按4000元/m的支護成本計算,全面有空洞,就將壓風(fēng)管接入空洞內稀釋瓦斯,現場(chǎng)瓦維修需投入資金4000元/mx850m=340萬(wàn)元。采檢員必須加強瓦斯檢查工作。只有瓦斯濃度小于用沿空掘進(jìn),不需進(jìn)行巷道維修,從而可節約支護1%時(shí),方可進(jìn)行一切工作。成本340萬(wàn)(3)頂板控制施工過(guò)程中,工作面后方備3.3煤柱方面有足夠的木撞楔和鐵撞楔,采取打撞楔的方法控采用無(wú)煤柱沿空掘進(jìn),可將區段煤柱進(jìn)行回收頂、控幫,然后進(jìn)行刷掘、挖腿窩、立腿架棚等工利用。21123工作面走向長(cháng)790m,煤厚3.2m、體作;迎頭用前探梁支護頂板后,使用護壁網(wǎng)護住迎積密度1.45t/m3,按最小煤柱寬度15m計算,可頭煤壁,防止巷道上幫采空區和迎頭片幫傷人。多采出煤炭54984t,精煤回收率40%,精煤價(jià)格2巷道變形控制效果按1200元/t計算,可增加收人2639萬(wàn)元。在采取留設煤柱掘巷時(shí),工作面還沒(méi)有安裝回4結束語(yǔ)采,就需對巷道進(jìn)行修復。21123回風(fēng)巷采用沿空火鋪礦中煤組頂板壓力較大,隨工作面回采掘進(jìn),只釆取了一次性U型棚進(jìn)行支護,就保證頂板能完全垮落,采空區充填較好,礦山壓力隨頂了采面的正?；夭?掘進(jìn)時(shí)巷道寬度4.6m,通過(guò)板垮落卸壓并重新分布,此時(shí)布置下區段回采工作觀(guān)測,在回采過(guò)程中,巷道最大變形處巷道寬度仍面時(shí)采取沿空掘巷,掘進(jìn)工作面完全處于卸壓安全有3.8m,巷道只收斂0.8m,月平均收斂量為區,防突煤層掘進(jìn)可按非突出工作面管理,減少防100mm,仍能滿(mǎn)足工作面回采的需要。突工序,增加有效進(jìn)尺時(shí)間,加快了掘進(jìn)進(jìn)度,縮3效益分析短巷道掘進(jìn)時(shí)間,保證礦井的正常生產(chǎn)接續。無(wú)煤柱沿空掘巷,可降低巷道維修量,大大減3.1生產(chǎn)接續方面少巷道支護成本。同時(shí)避免了區段煤柱的損失,增12"煤層為突出煤層,在釆取留設煤柱掘巷時(shí),加煤炭資源采出率,為煤炭資源的精采、細采創(chuàng )造按“四位一體”的防突措施進(jìn)行施工,21121工作了較好的條件。面掘進(jìn)期間月最高掘進(jìn)進(jìn)尺60m左右;采取沿空在今后的工作面布置過(guò)程中應大力推廣無(wú)煤柱掘巷時(shí)掘進(jìn)工作面完全處于卸壓安全區,可不按防開(kāi)采技術(shù),在生產(chǎn)過(guò)程中不斷總結經(jīng)驗,對回采工突工作面管理,月平均掘進(jìn)進(jìn)尺為170m左右;作面各種資料進(jìn)行認真分析總結,使無(wú)煤柱開(kāi)采技21123回風(fēng)巷掘進(jìn)長(cháng)度850m,按留設煤柱掘巷需術(shù)在盤(pán)江礦區得到普遍應用要14個(gè)月以上,而采取沿空掘巷只需要5個(gè)月,提前9個(gè)月構成回采工作面,回采工作面月產(chǎn)量考文獻80kt,精煤回收率40%,精煤價(jià)格按1200元/t計算,可增加收入34560萬(wàn)元,為全礦井的正常生產(chǎn)[]邢?？?劉玉堂,等,煤礦支護手冊[M】.北京:煤炭工業(yè)出版社,1993奠定了堅實(shí)的基礎。[2]金連生,煤礦總工程師工作指南[M].北京:煤炭工業(yè)出版3.2支護成本方面留設煤柱掘進(jìn)需要對回風(fēng)巷進(jìn)行1次全面維責任編輯:王興庫](上接7頁(yè))[1]高建良,楊明.巷道圍巖溫度分布及調熱圜半徑的彩響因達到穩定狀態(tài);素分析[J,中國安全科學(xué)學(xué)報,2005,15(2):73-76(3)巷道圍巖的溫度場(chǎng)沿著(zhù)巷道徑向方向[2]吳強,秦躍平,等.巷道圍巖非穩態(tài)溫度場(chǎng)有限元分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2002,21(5):604607圍巖溫度的變化受通風(fēng)時(shí)間、圍巖的導熱系數、巷(3]蘇昭桂,巷道開(kāi)巖與風(fēng)流熱交換量的反演算法及其應用D]道中的風(fēng)流、巷道斷面形狀等因素的影響;青島:山東科技大學(xué),2004(4)在實(shí)際巷道條件下,圍巖與風(fēng)流的熱交[4]換包括熱交換(表現為顯熱)和濕交換(表現為中國煤化工21(),26426潛熱)。CNMH〔可視化模擬研究[J[參考文獻]巖土力學(xué),2005,10(26增刊):22226貴任編輯:鄒正立