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硕士学位论文硕士学位论文 深部矿井巷道围岩与风流温度场深部矿井巷道围岩与风流温度场 数值模拟数值模拟 学位类型学位类型 学术型学位 学科（专业学位类别）学科（专业学位类别） 安全技术及工程 作者姓名作者姓名 陈 桂 义 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 肖国清 教授 张登春 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2014 年 6 月 6 日 密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD727 深部矿井巷道围岩与风流温度场深部矿井巷道围岩与风流温度场 数值模拟数值模拟 学位类型学位类型 学术型学位 学科（专业学位类别）学科（专业学位类别） 安全技术及工程 作者姓名作者姓名 陈 桂 义 作者学号作者学号 11010103006 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 肖国清 教授 张登春 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2014 年 6 月 6 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 湖南科技大学 Numerical simulation of temperature field of surrounding rock and airflow in deep mine Type of Degree Academic Degree Discipline Safety Technology and Engineering Candidate Chen Guiyi Student Number 11010103006 Supervisor and Professional Title Xiao GuoqingProf. Zhang DengchunProf. Practice Mentor and Professional Title School School of Energy and Safety Engineering Date 6th,June,2014 University Hunan University of Science and Technology 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 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 i 摘摘 要要 随着矿井开采的不断延伸，井巷围岩放热成为矿井热害的主导因素。 深部岩体富含大量空隙，当有地下水渗流时，会改变岩体温度场分布，进 而影响巷道内风流温度场，影响井下工作环境。因此，地下水渗流作用下 的巷道围岩与巷道内风流温度场研究，对进一步揭示深部矿井流热耦合作 用机理，合理有效的利用矿井降温技术及开发地热资源有重要的理论价值 及现实意义。 本文在国内外岩体渗流及矿井热环境研究的基础上，应用传热学、流 体力学、水文地质学等理论，对地下水渗流作用下深部巷道围岩温度场及 巷道内风流热环境进行了数值研究。理论分析了岩体渗流模型及规律，推 导了地下水流场、温度场及其渗流作用下深井巷道围岩温度场、巷道风流 流场及温湿场数学模型，确定其影响因素；采用 FLUENT 软件研究了不同 渗流速度和渗流温度作用下巷道围岩温度场分布；进而对工程现场条件下 的周源山煤矿-800m 北大巷风流温度场进行了数值模拟，研究了不同送风 参数（送风量、送风温度、送风相对湿度）对掘进巷道热环境的影响。 研究表明地下水渗流改变了巷道围岩温度场的分布形式，使其由对 称分布变为非对称分布。地下水渗流速度、温度均对围岩温度场分布有着 重要影响，当流速小于 210-8m/s 时，对巷道围岩温度场的影响是微小的。 伴随着送风量增大，巷道内空气温度降低，相对湿度及其在回风方向上的 增减梯度减小；当送风量达到 7m3/s 后继续增大，巷道内风流均温变化很 小，增大送风量的降温效果有限。送风温度降低，巷道内空气温度随之降 低，风流温度在回风路径上的递增幅度逐渐增大，空气相对湿度呈现先增 后降趋势。送风相对湿度降低，巷道内风流温度基本保持不变，而空气相 对湿度明显降低。确定了适宜的送风参数为送风量为 7m3/s，送风温度为 24℃，送风湿度为 50。 关键词矿井热害；巷道围岩；巷道风流；温度场；湿度场；数值模拟 ii ABSTRACT With the increase in mining depth, exothermic surrounding rock has become the dominant factor of mine heat harm. There are a large number of interspaces in deep rock mass; groundwater seepage will influence the distribution of temperature field of surrounding rock and airflow, which influence work environment underground. Therefore, the research of both surrounding rock and airflow temperature field under seepage has important theoretical value and realistic significance to further reveal coupling effect of fluid-heat in deep mine, and reasonably develop new mine cooling technology and geothermal resources. The surrounding rock temperature field and airflow thermal environment under the influence of groundwater seepage are numerically investigated based on the research of rock seepage and thermal environment of mine in home and abroad, and through the application of heat transfer, fluid mechanics, hydrology geology and other disciplines theory knowledge. First, the model and rules of the rock mass seepage are analyzed theoretically. The mathematical model of surrounding rock temperature field and roadway flow field and temperature and humidity field under the influence of groundwater flow field and temperature field and their seepage is deduced in detail. Then the rock mass temperature fields under the influence of different velocity and different temperature of groundwater seepage are simulated by using FLUENT software. Finally, the airflow temperature and humidity fields of North Lane of 800m deep in Zhouyuanshan coal mine are simulated under actual conditions and the effect of different air supply parameters air volume, air temperature, air relative humidity on tunnel thermal environment is numerically studied. The research shows that the groundwater seepage changes the distribution of temperature field of surrounding rock from symmetric distribution to asymmetric distribution; the velocity and temperature of groundwater seepage has an important influence on the temperature field of iii surrounding rock; when the flow rate is less than 210-8m/s, its influence on the temperature field of surrounding rock is small; the air temperature in the tunnel reduces as the air volume increases, and the relative humidity and its change gradient in return air direction decrease; but when the air supply volume reaches more than 7m3/s, the average temperature change of the tunnel airflow is very small and the cooling effect of increasing air flow is limited; the tunnel airflow temperature decreases with the air temperature reducing; the increasing range of air temperature in the return air path increases gradually; the relative humidity of tunnel air increases first then decreases. When the relative humidity of air decreases, the airflow temperature of tunnel changes little basically, and air relative humidity decreases. Thus, the suitable air supply parameters are determined the air supply volume is 7m3/s, the air temperature is 24℃, the air humidity is 50. Key Words heat damage; surrounding rock; tunnel airflow; temperature field; humidity field; numerical simulation 目 录 摘摘 要要 i ABSTRACT ............................................................................... ii 目目 录录 4 第一章第一章 绪论绪论 .............................................................................. 1 1.1 选题背景及意义 ...................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ...................................................................... 2 1.2.1 巷道围岩温度场研究现状 .......................................................... 2 1.2.2 岩体中水、岩耦合传热研究现状 ................................................ 3 1.2.3 巷道风流温度场研究现状 .......................................................... 4 1.3 研究内容及方法 ...................................................................... 5 1.3.1 研究内容 ................................................................................... 5 1.3.2 研究方法 ................................................................................... 6 第二章第二章 深部岩体渗流及传热分析深部岩体渗流及传热分析 .............................................. 9 2.1 地下水通道 ............................................................................. 9 2.1.1 岩石中的空隙类型 ..................................................................... 9 2.1.2 地下水渗流通道 ...................................................................... 10 2.2 地下水渗流模型分析 ............................................................. 11 2.3 地下水活动对围岩温度场的影响 ........................................... 13 2.4 本章小结 .............................................................................. 14 第三章第三章 深井热源分析及风流热湿交换模型建立深井热源分析及风流热湿交换模型建立 ...................... 15 3.1 深井热源分析 ....................................................................... 15 3.1.1 井巷围岩放热 .......................................................................... 15 3.1.2 空气自压缩热 .......................................................................... 16 3.1.3 机电设备放热 .......................................................................... 16 3.1.4 氧化放热 ................................................................................. 17 3.1.5 矿岩运输放热 .......................................................................... 17 3.1.6 矿井水放热 ............................................................................. 18 3.1.7 人体放热 ................................................................................. 18 3.1.8 其他热源 ................................................................................. 18 3.2 岩体传热基础理论 ................................................................ 18 3.2.1 岩体中的热传导 ...................................................................... 19 3.2.2 水-岩-风对流换热 .................................................................... 19 3.2.3 岩体中的热辐射 ...................................................................... 20 3.2.4 围岩与风流的对流传质 ............................................................ 20 3.3 巷道围岩与风流之间的热交换模型 ........................................ 21 3.3.1 无地下水影响下的巷道围岩温度场 .......................................... 21 3.3.2 地下水渗流作用下的巷道围岩温度场 ....................................... 24 3.3.3 巷道围岩与风流之间的热交换 ................................................. 28 3.4 巷道围岩与风流之间的湿交换 ............................................... 32 3.5 本章小结 .............................................................................. 34 第四章第四章 地下水作用下巷道围岩温度场数值模拟地下水作用下巷道围岩温度场数值模拟 ...................... 35 4.1 FLUENT 软件简介 ................................................................... 35 4.2 计算模型建立 ....................................................................... 37 4.2.1 物理模型物理模型 ................................................................................. 37 4.2.2 数学模型数学模型 ................................................................................. 38 4.2.3 计算参数设置计算参数设置 .......................................................................... 39 4.3 结果与分析 ........................................................................... 39 4.4 巷道围岩温度场影响因素的数值模拟 .................................... 42 4.4.1 数值模拟方案设计 ................................................................... 42 4.4.2 渗流速度对巷道围岩温度场的影响 .......................................... 42 4.4.3 渗流温度对巷道围岩温度场的影响 .......................................... 44 4.5 本章小结 .............................................................................. 46 第五章第五章 掘进巷道风流温度场数值模拟掘进巷道风流温度场数值模拟 ..................................... 47 5.1 流体动力学控制方程 ............................................................. 47 5.2 物理模型及边界条件设置 ...................................................... 48 5.2.1 物理模型 ................................................................................. 48 5.2.2 数学模型 ................................................................................. 49 5.2.3 边界条件设置 .......................................................................... 50 5.3 结果与分析 ........................................................................... 51 5.3.1 温度场分布 ............................................................................. 51 5.3.2 湿度场分布 ............................................................................. 52 5.4 风流温度场影响因素的数值模拟 ........................................... 53 5.4.1 数值模拟方案设计 ................................................................... 54 5.4.2 送风量对巷道风流温湿场的影响 .............................................. 54 5.4.3 送风温度对巷道风流温湿场的影响 .......................................... 58 5.4.4 送风湿度对巷道风流温湿场的影响 .......................................... 61 5.5 本章小结 .............................................................................. 64 第六章第六章 结论与展望结论与展望 .................................................................. 65 6.1 结论 ..................................................................................... 65 6.2 创新点 .................................................................................. 66 6.3 展望 ..................................................................................... 66 参考文献参考文献 ................................................................................. 67 致致 谢谢 73 附录附录 攻读学位期间发表的学术论文目录攻读学位期间发表的学术论文目录 ................................ 75 -1- 第一章 绪论第一章 绪论 1.1 选题背景及意义选题背景及意义 煤炭一直是我国的主要能源，至 2013 年，煤炭消耗在我国一次能源消 费中的比重为 65.7[1]。在今后较长的时间内，煤炭仍将在我国一次能源结 构中占主导地位。矿山开采范围及开采强度的不断增大，导致浅部资源日 益减少，开采深部资源已经成为必然选择 [2]。 伴随着矿山开采不断向深部发展，矿井高温高湿热害问题日渐严重， 已成为制约矿井安全开采的重大问题 [3]。根据目前资源开采状况，我国煤 矿开采深度以平均每年 10m 的速度增加，近年已有一批矿山的开采深度超 过 1000m。测试分析数据表明我国主要煤炭分布区 1000m 以下岩层温度 达到 35～45℃，1500m 以下岩层温度超过 45℃。煤炭资源地质勘探地温 测量若干规定对热害分类为原岩温度在 3137之间，为一级热害区； 原岩温度高于 37℃，为二级热害区。根据煤炭资源开发和资源保护资料显 示，在我国预测的煤炭资源总储量中，有 73.2的储量埋深超过 1000m， 预测的围岩温度在 39～45℃，处于二级热害区 [4,5]。 从总体上看，造成深部矿井高温热害的主要因素有井巷围岩放热、空 气自压缩放热、机电设备运转时放热、矿岩运输放热；就个别矿山而言， 矿内高温水涌出、强烈氧化也可能形成该矿高温热害的主要因素。一般情 况下，高原岩温度为矿井热害的主要热源 [4,6]。 围岩向井巷传热途径有两个方面一方面通过热传导自岩体深处向井 巷传热，另一方面是经裂隙水通过对流换热将热量传给井巷。深部矿井受 开采扰动，岩体中孔隙、裂隙大量产生，若存在地下水还会存在渗流的影 响。地下水的渗流作用改变了岩体温度场的分布形式，进而影响巷道风流 热湿交换及其温度分布，影响井下作业环境。 井下高温高湿的气候环境，不仅危害井下工作人员的身心健康，导致 劳动生产率严重降低，影响矿山的安全生产，而且容易引起机电设备的环 境温度过高，机电设备故障率和事故率增多，这些都严重影响煤矿安全生 产。如徐州三河尖矿因作业地点气温大于 28℃，每年 58 月矿工的出勤 -2- 率 平 均 下 降17 ， 采 掘 工 作 面 的 劳 动 生 产 率 下 降2030 ， 最 高 达 4050[5]；徐州矿区夹河煤矿 2006 年在 1250m 深部工作面开采时，因高 温中暑晕倒抬出 172 人，其中有 2 人因抢救无效而死亡。矿井热害已成为 继煤矿顶板、瓦斯、水、火、粉尘五大灾害之后的第六大灾害，且其危害 程度超过其他五大灾害 [7-9]。 以矿井涌水为冷源的 HEMS 降温技术，在现场应用中取得了良好效 果 [9]。 深部采动作用下地下水与巷道围岩体的耦合传热以及巷道围岩与风 流的热湿传递研究是 HEMS 降温技术的基础研究之一，进一步揭示了深 部矿井流-热耦合传热机理，为 HEMS 降温系统提供参数设计模型。另一 方面，我国的高温岩体地热资源非常丰富，主要分布在西南南部、云南 和四川西部、东南沿海诸省区和内陆盆地区。高温岩体地热开采有力促 进了目前化石能源为主的能源消费结构向以绿色可再生能源为主的能源 消费结构的转变，其同样涉及深部热流固多场耦合作用研究。地下水作 用下的水热迁移规律也是当前开采可利用地热资源的关键问题。 本文针对深部矿井围岩原始温度高的现状，开展地下水渗流作用下 巷道围岩温度场及风流温度场研究，对进一步揭示深部矿井流-热耦合传 热机理，有效利用矿井降温技术及合理开发地热资源等都具有重要的实 际意义，具有广阔的应用前景。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 巷道围岩温度场研究现状巷道围岩温度场研究现状 在矿井环境系统中，能够对风流加热（或吸热）的载热体称为矿井 热源。 从总体上看， 造成深部矿井高温热害的主要因素有井巷围岩放热、 空气自压缩放热、机电设备运转时放热、矿岩运输放热。伴随着开采向 深部进行，高原岩温度成为主导因素，即井巷围岩放热。国内外对巷道 围岩温度场的研究已较为成熟，基本掌握了围岩热传导的基本规律，围 岩温度场的分布特征及预测。 据文献记载， 1740 年法国已经开始对金属矿山的地温进行监测。 1923 年西德 Heist Drekopt 在假定巷壁温度为稳定周期性变化的条件下，分析 了围岩内部温度场的周期性变化， 提出了围岩调热圈等基本概念 [10]； 1952 -3- 年西德 Konig、日本天野等结合平巷与围岩的热交换，在理想条件下提出 了围岩调热圈温度场的解析解，这个解析解与传热学领域中英国 Carlaw 等人在 1939 年用拉普拉斯变换得出的解析解是一致的 [11,12]；1964 年西德 Mucke 测定稳定岩石导热系数等参数 [13]； 1966 年前西德 Nottort 等用数值 计算法分析了围岩调热圈温度场 [14]；Sherrat 于 1967 年在现场试验中，通 过对一段巷道进行强制加热，实测得到围岩温度分布值，对比理论计算 值，得到了一些围岩热参数 [15]。 国内在地温场方面的科研工作起步较晚。1954 年，煤炭科学研究总 院抚顺分院在抚顺等矿区进行了地温观测、局部降温技术等工作；1975 年初，煤矿系统在平顶山召开第一次矿山地热座谈会，交流了地热研究 与热害治理方面的经验。此后，矿山地热和热害治理工作得到了较大的 发展。1978 年，煤炭地质局组织编写了矿山地热概论一书，主要介 绍矿山地热研究的基础理论知识、测试手段和研究方法，是国内关于矿 山区域地温场最早的专著 [16]。1991 年，余恒昌等编写了专著矿山地热 与热害治理 ，对其作进一步详细分析。孙培德，朱萃琦提出了井巷围岩 地温场温度分布规律的简洁数学表达式， 较为符合客观实际 [17]； 侯祺棕、 沈伯雄建立了解算通风巷道调热圈半径及其内部温度场的不定区域异步 长差分格式，得到了调热圈半径与通风时间的平方根成线性关系的结论 [18]；吴强、秦跃平基于巷道围岩形状不规则、非均质、各向异性，非稳 态导热的实际条件下，进行巷道围岩温度场变化规律的有限元分析 [19]； 张树光等研究了巷道埋深及送风速度对风流温度场影响规律 [20]；高建良、 杨明分析了通风时间、岩石导热系数、对流换热系数、巷道尺寸、壁面 及风流湿度对围岩温度场分布的影响 [21]；王志军以分区方法对潘西煤矿 地温场进行了评价，开发了高温矿井地温评价系统 [22]；王世东等详细分 析了深部矿井岩体的温度场特征及其控制因素，探讨了地下水渗流场与 温度场的耦合作用，定量分析了水、岩的对流换热系数及地下水渗流速 度对岩体温度场的影响 [23]。 1.2.2 岩体中水、岩耦合传热研究现状岩体中水、岩耦合传热研究现状 流固耦合是指在由流体和固体组成的系统中，两者相互影响和相互 作用。有关流固耦合的研究已近 85 年，主要研究对象由土体逐渐发展到 岩体，涉及土木、水利工程，资源开采，环境工程领域 [24]。如水利水 -4- 电工程中坝体及库岸边坡的稳定性问题， 煤层瓦斯渗透， 核废料的处置。 许多学者已经就此方面做了大量的研究。本文研究范围仅限与岩体中水 渗流场与温度场耦合传热及巷道围岩与风流传热传质问题，故下文先阐 述岩体中水、岩耦合传热的研究现状。 裂隙岩体渗流问题，最早的研究见于前苏联的专著裂隙岩体中的 渗流 ，典型代表有Barenblantt，Warren， Snow，Louis 和 Wit
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