深部矿井煤岩体注水与通风方式下降温效果与热舒适研究.pdf

密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD727 硕士学位论文硕士学位论文 深部矿井煤岩体注水与通风方式下降温效果与深部矿井煤岩体注水与通风方式下降温效果与 热舒适热舒适研究研究 研研 究究 生生陈陈 浩浩 导导 师师张登春张登春教授教授 学学 科科土木土木工程工程 研究方向研究方向供热、供燃气、通风及空调工程供热、供燃气、通风及空调工程 2019年年 05 月月 万方数据 万方数据 A Thesis ted for the Degree of Master Study on cooling effect and thermal comfort of water injection and ventilation in coal and rock mass of deep mine CandidateChen Hao Supervisor and RankProf. Zhang Dengchun 万方数据 万方数据 深部矿井煤岩体注水与通风方式下降温效果与深部矿井煤岩体注水与通风方式下降温效果与 热舒适热舒适研究研究 学位类型学位类型 学术型学位 作者姓名作者姓名 陈浩 作者学号作者学号 16010103006 学科（专业学位类别学科（专业学位类别 土木工程 研究方向（专业领域研究方向（专业领域 供热、供燃气、通风及空调工程 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 张登春教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 所在学院所在学院 土木工程学院 论文提交日期论文提交日期 2019 年 05 月 万方数据 万方数据 学位论文原创性学位论文原创性声明声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 万方数据 i 摘摘 要要 随着经济的发展，煤炭的使用量越来越大，矿山不可避免地进入深部开采，井巷 围岩放热是矿井热害的主导因素。深部岩体中富含大量空隙，对煤岩体实施注水，会 改变巷道围岩的温度分布，进而影响巷道内风流温湿度场，影响井下工作环境。因此 注水作用下的巷道围岩与巷道风流温度场的研究，对进一步揭示深部矿井流热耦合作 用机理，有效利用矿井注水降温技术有重要的理论价值和现实意义。 本文在国内外矿井降温和井下热环境研究的基础上，分析注水过程中矿井围岩体 温度场、巷道内空气温湿度场的变化。项目从深部地温场分布规律入手，以矿井注水、 岩体、风流温度场的耦合作用机制为突破点，采用理论分析和数值模拟的方法，系统 研究深部矿井注水降温的作用机理。建立注水作用下围岩体模型，研究了注水作用下 的矿井巷道围岩体温度场分布；通过 UDF 编程，以三河尖矿-980m 处夏季调热圈温度 为基础，分析不同工况下巷道空气温度、湿度的变化；分析长压长抽型通风方式对巷 道风流温度场的影响，运用 MATLAB 编程，分析在不同通风方式下风速、温度对人 体皮肤表面温度的变化规律；在有机械散热的情况下，综合分析深部矿井在注水与通 风的环境下对巷道温度场、人体热舒适的影响，得出较好的注水降温方式。 研究结果表明注水速度、注水间距和注水口的分布形式对巷道温湿度场有着重 要影响。采用长压长抽型通风方式、进风管和抽风管分别位于巷道两侧、进风管口距 掘进面 10m 位置处、抽风管口距掘进面 2m 位置处、送风量和抽风量分别为 8.3m3/s 和 7.0m3/s、送风温度 293K 时，当注水速度超过 1.0m/s 时对巷道环境温度和人体皮肤 温度的影响是微小的；确定适宜的注水参数为注水速度 1.0m/s、注水间距 5m 且注 水口错位布置，此时巷道工作区环境温度在 23℃左右、人体表面温度在 33℃34℃之 间，满足深部矿井环境温度要求，也符合人体热舒适要求。 关键词关键词矿井热害；注水降温；通风降温；热湿传递；温湿度场；数值模拟矿井热害；注水降温；通风降温；热湿传递；温湿度场；数值模拟 万方数据 ii 万方数据 iii ABSTRACT With the development of economy, the use of coal is increasing. The mine inevitably enters deep mining. Heat release from surrounding rock of mine roadway is the leading factor of mine heat damage. The deep rock mass is rich in a large number of voids. When water injection is used to cool down, it will change the temperature distribution of the surrounding rock mass of the roadway, which will affect the wind flow temperature and humidity field in the roadway and affect the underground working environment. Therefore, the research on the surrounding temperature and roadway temperature field of roadway under water injection has important theoretical and practical significance for further revealing the mechanism of flow and heat coupling in deep mines and effectively utilizing mine water injection and cooling technology. Based on the research of deep mine cooling and underground thermal environment at home and abroad, the surrounding rock mass temperature is analyzed of the mine during water injection and changes in the temperature and humidity of the air in the roadway. The project starts from the distribution law of deep geothermal field, and takes the coupling mechanism of mine water injection, rock mass and wind flow temperature field as the breakthrough point. The theoretical analysis and numerical simulation are used to systematically study the mechanism of water injection cooling in deep mines. The surrounding rock mass model under the action of water injection was established, and the temperature field distribution of the surrounding rock mass of the mine roadway under water injection was studied. The UDF programming was used to analyze the roadway under different working conditions based on the temperature of the summer heat transfer ring at 980m in Sanhejian Mine. The change of air temperature and humidity; analyze the influence of long-pressure long-type ventilation on the temperature field of roadway, and use MATLAB to analyze the variation of wind speed and temperature on human skin surface temperature under different ventilation modes; Under the circumstances, comprehensive analysis of the impact of deep mines on the temperature field of the roadway and human thermal comfort in the environment of water injection and ventilation, and a better of water injection and cooling. The results show that the water injection speed, water injection distance and the distribution of the water injection port have an important influence on the temperature and humidity field of the roadway. When long-pressure and long-exhaust ventilation mode, 万方数据 iv intake duct and exhaust duct are located on both sides of the roadway, 10m from the intake pipe to the heading face, the exhaust pipe mouth is located 2m away from the heading face 8.3 m3/s for air supply and 7.0 m3/s for air extraction, and 293 K for air supply, when the water injection speed exceeds 1.0 m/s, the influence on the environment temperature and skin temperature of the roadway is slight; the appropriate water injection parameters are determined as follows the water injection speed is 1.0m/s, the water injection distance is 5m, and the water injection port is misplaced. The ambient temperature of the roadway working area is about 23 C, and the surface temperature of the human body is between 33 C and 34 C, which meets the requirements of the deep mine environment temperature and meets the human thermal comfort requirements. Key Words mine heat damage; water injection cooling; ventilation cooling; heat and moisture transfer; temperature and humidity field; numerical simulation 万方数据 v 主要符号表主要符号表 p C 定压比热容，J/（kg K） D 水力半径，m T Q 内热源项，W/m3 2 C 惯性阻力系数，m-2 Ti F 温度荷载 Q R 呼吸系数 a T 井下环境温度，K cl T 服装外部温度，K sk T 皮肤表面平均温度，K wyd T 吸入空气的湿球温度，℃ i S 动量源项 ood m 吸入空气的质量流量，kg/s K 不稳定换热系数，W/（m2 ℃） DU F 人体表面积，m2 sk T 修正后的皮肤表面平均温度，K r f 辐射修正系数 R 辐射换热量，W/m2 r T 辐射平均温度，℃ E 汗液蒸发散热量，W/m2 Q 蓄热量，W/m2 H 人体对外做功量，W/m2 B 呼吸散热量，W/m2 C 对流换热量，W/m2 M 新陈代谢量，W/m2 G 坡度 ec f 衣服渗透系数 e D 孔间距，m cl R 服装热阻，m K/W  动力粘性系数，Pa s  孔隙率  空隙宽度，m ij  应力张量  导热系数，W/（m2 ℃） k 湍流动能，m2/s2  湍流动能耗散率，m2/s2  脉动速度，m/s 万方数据 vi 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目目 录录 摘 要 i ABSTRACT iii 主要符号表 v 第 1 章 绪论 - 1 - 1.1 研究背景 - 1 - 1.2 国内外矿井降温与热舒适性研究现状 - 2 - 1.2.1 巷道围岩温度场分布研究现状 - 2 - 1.2.2 矿井注水降温研究现状 - 3 - 1.2.3 矿井通风降温研究现状 - 3 - 1.2.4 矿井热舒适研究现状 - 4 - 1.3 本文主要研究内容和方法 - 5 - 1.3.1 研究内容 - 5 - 1.3.2 研究方法 - 6 - 第 2 章 矿井传热理论分析 - 7 - 2.1 岩体热传导方程解析 - 7 - 2.1.1 岩体平板热传导方程 - 7 - 2.1.2 非平板热传导方程分析 - 8 - 2.2 岩体中固-液传热分析 - 9 - 2.2.1 岩体的结构性分析 - 9 - 2.2.2 固-液瞬态温度场理论分析 - 10 - 2.3 岩体中风-岩传热分析 - 11 - 2.3.1 巷道围岩与风流之间的热交换 - 11 - 2.3.2 巷道围岩调热圈散热 - 13 - 2.3.3 巷道风温预测 - 15 - 2.4 本章小结 - 15 - 第 3 章 深部矿井煤岩体注水对围岩温度场影响 - 17 - 3.1 深部矿井煤岩体注水计算模型 - 17 - 3.1.1 物理模型 - 17 - 3.1.2 数学模型 - 18 - 3.2 边界条件处理 - 19 - 3.3 数值模拟结果与分析 - 19 - 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 3.3.1 注水速度对围岩温度场的影响 - 19 - 3.3.2 围岩体不同位置温度场变化趋势 - 22 - 3.3.3 两种裂隙情况下降温对比分析 - 23 - 3.3.4 孔隙率对煤岩体注水降温的影响 - 24 - 3.4 本章小结 - 24 - 第 4 章 深部矿井煤岩体注水对巷道内温度场影响 - 27 - 4.1 深部矿井煤岩体注水降温计算模型 - 27 - 4.1.1 物理模型 - 27 - 4.2.2 水-岩-风之间的换热模型 - 27 - 4.2 边界条件处理 - 28 - 4.3 数值计算结果与分析 - 29 - 4.3.1 注水口位置分布对巷道内温度场的影响 - 29 - 4.3.2 注水间距对巷道内温度场的影响 - 32 - 4.4 本章小结 - 33 - 第 5 章 独头巷道通风模拟研究 - 35 - 5.1 独头巷道通风计算模型 - 35 - 5.1.1 物理模型 - 35 - 5.1.2 数学模型 - 35 - 5.2 边界条件处理 - 36 - 5.3 巷道内温度场、速度场分析 - 36 - 5.3.1 巷道内风流温度场分析 - 36 - 5.3.2 巷道内风流速度场分析 - 39 - 5.4 巷道内人体热舒适研究 - 40 - 5.4.1 人体皮肤表面温度推演 - 40 - 5.4.2 皮肤温度和 PMVe分析 - 42 - 5.5 本章小结 - 44 - 第 6 章 深部矿井煤岩体注水与通风下降温模拟研究 - 45 - 6.1 独头巷道降温计算模型 - 45 - 6.1.1 物理模型 - 45 - 6.1.2 数学模型