深部热害矿井热环境特性及调温技术研究

发布时间：2018-03-06 00:15

  本文选题：矿井热害　切入点：巷道围岩　出处：《太原理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着我国矿井逐步进入深部开采,深井开采伴随的热害问题日趋严重,严重制约了矿井的正常生产。深井开采通风路线长,巷道暴露面积大,高地温围岩作用效应造成了矿井通风流温度高。为有效控制深井热害,有必要开展高温热害矿井巷道围岩温度场分布特性及其调控研究。采用理论分析、物理实验、数值模拟和现场测试相结合的方法,在热害矿井风流温度预测、深井巷道围岩温度场测试、巷道围岩与风流换热特性实验、降温方案的初步设计及评价等方面开展了相关研究。建立了深井巷道沿程风流温度预测数学模型,提供了深部开采热环境评价依据,给出了“假设-修正”的快速试算解法;开展了高地温巷道围岩温度分布的实测研究,揭示了巷道调热圈范围及温度分布随时间的演化特征;利用自主设计的巷道围岩导热和传热相似模拟实验装置,对影响巷道调热圈的热物理参数进行了系列实验研究,揭示了这些参数对巷道调热圈分布特征的影响机制;提出了巷道围岩调热圈调热储能数学模型,可以计算出冬、夏两季交替情况下的理论储冷(热)量;并由此建立了模拟巷道围岩非稳态温度场的数值模型,进一步探讨了季节性风流温度作用条件下巷道围岩温度场的演化特性;在此基础上,应用等效空调方法对巷道围岩调热圈的温度调节能力进行了经济性评价,证明了其工程应用价值。主要研究成果如下:(1)建立了深井巷道沿程风流温度预测数学模型。通过研究深部矿井中各种热源的特点,基于传热学的基本理论与方法,总结分析了热源的放热计算模型和深井巷道围岩非稳态导热与对流放热的换热模型;建立了深部矿井巷道风流温度预测的数学模型,并提出风温预测数学模型的“假设-修正”的迭代试算法,可以获得计算结果的快速收敛;开发了相应的计算软件程序;以三河尖矿深部开采的实际应用,验证了风温预测模型的准确性。(2)通过矿井巷道调热圈温度场的实测,详细研究了深部开采热害严重的三河尖矿巷道围岩调热圈周期性变化的动态规律,并揭示了巷道调热圈物理范围特性及温度场分布的演化特征。通过实测结果数据的整理,得到如下结论:总结了五类典型的巷道围岩调热圈分布模式;综合考虑围岩体的热物理性质、地层热环境条和边界条件等影响因素,对这五类巷道围岩调热圈的发生和发展的机理进行了分析与解释;根据对各种类型巷道围岩调热圈的分析,总结出了能够决定其不同形态、不同物理范围、不同变化规律的关键热物理参数和适宜作为高温矿井调热巷道的巷道所具有的基本特征,为未来进行降温工程设计提供了参考依据。(3)基于相似理论设计制作了巷道围岩导热和传热相似模拟实验装置,并采用该装置系统定量地分析了不同热物理参数对巷道围岩温度场的影响及其动态变化规律。实验结果分析表明:通风速度对巷道围岩温度场进入稳定阶段具有较强的关联性,但是对围岩温度分布边界的影响并不明显;围岩的热扩散系数对围岩温度曲线到达稳定状态具有重要影响,而对于曲线的形态与趋于稳定后的终态影响不大;改变围岩含水率对温度场的范围大小具有重要影响,但其影响的持续时间有限;具有阻热圈结构的巷道对传热影响较大,相当于增大介质的总热阻,致使围岩到达新热稳定平衡状态所需的时间增长;提出了巷道围岩调热圈调热储能数学模型。(4)建立了巷道围岩非稳态温度场数值计算模型,基于三河尖矿的实际情况,开展了巷道围岩调热圈温度场的数值模拟。具体成果为:对三河尖矿3km长的巷道,联合提出的巷道围岩调热圈调热储能数学模型,基于瞬态热传导理论建立了巷道风流温度与围岩非稳态温度场的数值模型,采用有限元计算方法进行求解,得出了在季节性风流作用下巷道围岩内温度分布的演化规律,进一步验证了物理相似模拟实验结果,同时估算了巷道储存冷量,最后对调热圈中冷量的利用进行了经济性评价,提出了三河尖矿基于巷道调热圈的矿井自调温技术。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD727.2

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本文编号：1572509