深热矿井巷道围岩的热分析.pdf

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 400037 [ 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] 热害;围岩散热;热传导;调热圈;对流热交换 [ 中图分类号]T D727 [文献标识码]B [ 文章编号]1006-6225 200902-0005- 03 T h e r mo a n a l y s i s o f R o a d w a yS u r r o u n d i n gR o c ki nD e e pMi n e [ 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,2007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。 国内外实践证明 , 对绝大部分矿井来说, 地温 是形成矿井热害的主要原因, 而地温对井下环境的 影响是通过围岩散热的形式表现出来的。巷道围岩 散热是一个复杂的不稳定过程 [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 热量由围 岩深部向巷道壁面传递 , 这一过程为热传导过程 ; 在巷道空间内, 围岩壁面潮湿且与风流存在温差 , 围岩壁表面要与风流发生热湿交换, 这一过程为对 流过程 。 因此, 从围岩内部的热传导和外部的对流热交 换来对矿井巷道围岩进行热分析, 并用图形曲线的 形式表现出来, 以便将抽象的问题直观化 。 1 围岩内部的热传导 1. 1 热传导微分方程 为简化问题, 在分析围岩内部热传导问题之 前 , 需要对 巷道 及围岩 内部 温度 场作一 些假 设 [ 1] [ 3] 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 程 t τa 2 t r 2 1 r t r 1 初始条件t r ,τ t g u,r 0,τ 0; 边界条件t r ,τ t g u,r r0,τ0; t r r 0, τ h t w- tf ;h α /λg; 式中,t 为巷道围岩温度 , ℃;a 为巷道围岩导温系 数 ,m 2 /s ;r 为围岩内任一点距巷道轴心距离,m ; r 0为巷道当量半径,m ;tg u为原始岩温, ℃;α 为巷 道与风流的热交换系数 ,W/ m 2 ℃ ;λg为岩 石的导热系数 ,W/ m ℃ ;t w为巷道壁温, ℃; t f为风流温度 , ℃;τ 为通风时间。 1. 2 巷道围岩的调热圈 1. 2. 1 巷道围岩调热圈的定义 当巷道开掘后 , 岩石温度受到很多因素的影 响。从巷道开掘后与风流接触的瞬间起 , 由于围岩 与风流存在温差, 岩体从深部向巷道壁产生热移 动, 围岩内各点的温度将随风流流动而递减 , 但距 巷道中心某一距离的围岩深部, 围岩仍保持着原来 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 道围岩调热圈 , 调热圈内的温度分布就是围岩调热 圈温度场 [ 3] , 如图 1所示 。 图 1 巷道围岩调热圈 1. 2. 2 巷道围岩调热圈的半径 巷道围岩调热圈的半径可用下式表示 [ 4] RR0xR02Ua τ 2 式中 ,R 为巷道围岩调热圈半径,m ;R0为巷道当 5 第 14卷 第 2期 总第 87期 2009年 4月 煤 矿 开 采 C o a l m i n i n gT e c h n o l o g y V o 1. 14N o . 2 S e r i e s N o . 87 A p r i l 2009 DOI 10. 13532/ j. cnki . cn11 - 3677/ td. 2009. 02. 037 量半径 ,m ,R0 2S /U ;x 为围岩内任意点到巷道 壁的距离,m ;S 为巷道的断面积 ,m 2;U 为巷道 的周长 ,m 。 从巷道中心到调热圈极限边界 原始岩温等 温线的距离就是调热圈半径 。调热圈半径的大 小是变化的 , 新掘进的巷道通风时间短, 调热圈半 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。 图 2 通风时间与围岩调热圈半径的关系 1. 3 巷道围岩温度场的影响因素 巷道围岩温度场也是不断变化的 , 主要受通风 时间、 岩石的热物理性质 、 巷道形状以及风流等因 素的影响。 1. 3. 1 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 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 ; 通风约 1a 后, 围岩温度随时间的变化不太明显了 , 基本可看成稳态温度场, 如图 3所示 。 图 3 巷道围岩温度场随时间的变化 1. 3. 2 岩石热物理性质对围岩温度场的影响 导热系数是衡量围岩导热性能的一个重要参 数, 直接影响到岩石内部温度场的分布 。岩石导热 系数越大 , 热传导越快, 围岩冷却的速度也越快。 另外 , 导热系数对调热圈半径的影响十分显著, 岩 石导热系数越大, 热传导和岩石冷却速度越快, 调 热圈半径增大得越快, 如图 4所示 。 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 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 流与围岩热交换比较剧烈, 围岩内部的温度场变化 也较大, 反之则变化较小。风温和风量对围岩温度 场的影响在巷道掘进后暴露在风流中的时间越短, 影响越明显;当通风足够时间后 , 风流对围岩温度 场的影响可忽略不计。如图 5、 图 6所示 。 图 5 风流温度对巷道围岩温度场的影响 图 6 风量对巷道围岩温度场的影响 1. 3. 4 巷道形状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 6 总第 87期煤 矿 开 采2009年第 2期 响 [ 5] , 但是影响较小。在 4种等值面积的巷道断面 形状中 , 对巷道围岩调热圈的影响程度依次为 梯 形 半圆形 圆形 矩形 。如图 7所示。 图 7 巷道形状对围岩温度场的影响 2 围岩与风流的对流换热 在井下实际巷道中, 一般都存在水分的蒸发 , 当巷道壁面有水分蒸发时 , 从围岩放出的热量一部 分用于消耗于水分蒸发所需的潜热 q l, 一部分用 于风流温度升高所需的显热 q s, 即 qt qs ql, 如 图 8所示。 图 8 潮湿巷道的热交换 2. 1 显热分析 根据对流换热定律, 巷道壁面进入风流的显热 热流密度可按下式计算 q sα tw-t 3 式中,q s为从巷道壁面进入风流的显热热流密度 , W/m 2 ;t w为巷道壁面温度 , ℃;t 为巷道内风流 的平均温度 , ℃。 2. 2 潜热分析 在壁面完全湿润的条件下 假设巷道壁面完 全被水膜覆盖 , 从巷道壁面进入风流的水蒸气质 量可按下式计算 msσ mw-m 4 式中,ms为单位时间内从单位面积壁表面蒸发的 水分质量,k g /s ;mw为完全湿润壁面近旁空气的 水蒸气含量 ,k g /s ;m为风流的平均水蒸气含量, k g /s ;σ为壁表面的质量交换系数, 可以根据局部 换热系数 α , 按照 L e w i s 公式计算出来 , σ α Cp a S C/Pr 2/3 5 其中 ,Cp a为空气的定压比热,k J / k g K ;S C 为空气的 S c h m id t 数 ;Pr为空气的 P r a n d t l 数 。 空气的饱和水蒸气含量是温度的单值函数, 与 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 m b 0 b 1t 6 式中 ,b 0,b1为常数。 相对湿度为 的风流中水蒸气含量为 m b 0b1t 7 如果壁面完全被液态水覆盖 , 可以假设非常接 近巷道壁面的地方的空气是饱和的, 所以完全湿润 壁面的水蒸气含量 mw就等于壁面温度为 t w时的饱 和水蒸气含量 。 mwb 0b1tw 8 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 f 来表示巷道壁 面的湿润程度 。湿度系数 f 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 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 msf σ mw-m 9 故单位巷道壁表面散发到风流的潜热热流密度 q 1为 q lf σLv mw-m 10 式中 ,L v为水的蒸发潜热,J /s 。 在定常状态下 , 当巷道壁面温度设定为常数 时, 可以直接由以上公式求出围岩与风流之间的显 热和潜热的交换量 。非定常条件下巷道壁面的温度 不是常数 , 可以根据能量守恒原理, 建立壁面能量 守恒方程 , 求解围岩与风流之间的热交换量 , 巷道 壁面温度值及围岩内部各点的温度。 3 结论 对巷道围岩的热分析, 可得出如下结论 1对巷道围岩的空间结构模型提出假设, 建立了巷道围岩的二维非稳态温度场; 2巷道围岩调热圈随着通风时间的增长而 逐渐向围岩深部扩展, 扩展趋势逐渐减缓, 当通风 时间足够长时 , 可以认为调热圈半径接近最大值而 下转 13页 7 张习军等深热矿井巷道围岩的热分析2009年第 2期 2局部瓦斯管理 施工过程中若施工前方 有空洞 , 就将压风管接入空洞内稀释瓦斯 , 现场瓦 检员必须加强瓦斯检查工作。只有瓦斯浓度小于 1时, 方可进行一切工作 。 3顶板控制 施工过程中 , 工作面后方备 有足够的木撞楔和铁撞楔, 采取打撞楔的方法控 顶 、 控帮, 然后进行刷掘 、 挖腿窝、 立腿架棚等工 作 ; 迎头用前探梁支护顶板后 , 使用护壁网护住迎 头煤壁 , 防止巷道上帮采空区和迎头片帮伤人 。 2 巷道变形控制效果 在采取留设煤柱掘巷时, 工作面还没有安装回 采 , 就需对巷道进行修复。 21123回风巷采用沿空 掘进, 只采取了一次性 U型棚进行支护, 就保证 了采面的正常回采, 掘进时巷道宽度 4. 6m , 通过 观测, 在回采过程中 , 巷道最大变形处巷道宽度仍 有 3. 8m , 巷道只收 敛 0. 8m , 月 平均收敛量为 100m m , 仍能满足工作面回采的需要。 3 效益分析 3. 1 生产接续方面 12 煤层为突出煤层, 在采取留设煤柱掘巷时 , 按 “四位一体” 的防突措施进行施工,21121工作 面掘进期间月最高掘进进尺 60m左右;采取沿空 掘巷时掘进工作面完全处于卸压安全区, 可不按防 突工作面管理 , 月平均掘进进尺为 170m左右 ; 21123回风巷掘进长度 850m , 按留设煤柱掘巷需 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 80k t , 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 奠定了坚实的基础。 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 修, 二次投入按 4000元 /m 的支护成本计算 , 全面 维修需投入资金 4000元 /m850m 340万元。采 用沿空掘进, 不需进行巷道维修 , 从而可节约支护 成本 340万元。 3. 3 煤柱方面 采用无煤柱沿空掘进, 可将区段煤柱进行回收 利用 。 21123工作面走向长 790m , 煤厚 3. 2m 、 体 积密度 1. 45t /m 3 , 按最小煤柱宽度 15m计算 , 可 多采出煤炭 54984t , 精煤回收率 40, 精煤价格 按 1200元 /t 计算 , 可增加收入 2639万元。 4 结束语 火铺矿中煤组顶板压力较大, 随工作面回采, 顶板能完全垮落, 采空区充填较好, 矿山压力随顶 板垮落卸压并重新分布 , 此时布置下区段回采工作 面时采取沿空掘巷 , 掘进工作面完全处于卸压安全 区, 防突煤层掘进可按非突出工作面管理, 减少防 突工序, 增加有效进尺时间 , 加快了掘进进度, 缩 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 少巷道支护成本。同时避免了区段煤柱的损失, 增 加煤炭资源采出率 , 为煤炭资源的精采 、 细采创造 了较好的条件 。 在今后的工作面布置过程中应大力推广无煤柱 开采技术 , 在生产过程中不断总结经验 , 对回采工 作面各种资料进行认真分析总结 , 使无煤柱开采技 术在盘江矿区得到普遍应用 。 [参考文献] [ 1] 邢福康, 刘玉堂, 等 . 煤矿支护手册 [ M ] . 北京煤炭工业 出版社,1993. [ 2] 金连生 . 煤矿总工程师工作指南 [ M ] . 北京煤炭工业出版 社,1988. [ 责任编辑王兴库] 上接 7页 达到稳定状态; 3巷道围岩的温度场沿着巷道径向方向 , 围岩温度的变化受通风时间、 围岩的导热系数 、 巷 道中的风流 、 巷道断面形状等因素的影响 ; 4在实际巷道条件下, 围岩与风流的热交 换包括热交换 表现为显热 和湿交换 表现为 潜热 。 [ 参考文献] [ 1] 高建良, 杨 明 . 巷道围岩温度分布及调热圈半径的影响因 素分析[ J ] . 中国安全科学学报,2005,15 2 73-76. [ 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 5 604- 607. [ 3] 苏昭桂 . 巷道围岩与风流热交换量的反演算法及其应用[ D ] . 青岛山东科技大学,2004. [ 4] 周西华, 单亚飞,王继仁 .井巷围岩与风流的不稳定换热 [ J ] . 辽宁工程技术大学学报,2002,21 3 264- 266. [ 5] 孙培德 . 深井巷道围岩地温场温度分布可视化模拟研究[ J ] . 岩土力学,2005,10 26增刊 222- 226. [ 责任编辑邹正立] 13 冒 云等无煤柱开采技术在盘江的实践2009年第 2期