第14卷第2期(總第87期)煤礦開采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(煤炭科學研究總院重慶研究院,重慶40007[摘要]巷道圍巖散熱是一個復雜的非穩(wěn)態(tài)過程,包括圍巖內(nèi)部的熱傳導和圍巖與風流的對流熱交換,著重從這兩個方面對巷道圍巖進行熱分析。分析了巷道圍巖調(diào)熱圈和圍巖內(nèi)部溫度場及其影響因素,以及圍巖與風流熱濕交換的顯熱和潛熱[關鍵詞]熱審;圍巖散熱;熱傳導;調(diào)熱圈;對流熱交換中圖分類號]TD727[文獻標識碼]B[文章編號]1006625(2009)02000509Thermoanalysis of Roadway Surrounding Rock in Deep Mine國內(nèi)外實踐證明,對絕大部分礦井來說,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)境的道與風流的熱交換系數(shù),W/(m2·℃);λ,為巖影響是通過圍巖散熱的形式表現(xiàn)出來的。巷道圍巖石的導熱系數(shù),W/(m·℃);tn為巷道壁溫,℃散熱是一個復雜的不穩(wěn)定過程210:熱量由圍4為風流溫度℃;r為通風時間。巖深部向巷道壁面?zhèn)鬟f,這一過程為熱傳導過程;1.2巷道圍巖的調(diào)熱圈在巷道空間內(nèi),圍巖壁面潮濕且與風流存在溫差,1.21巷道圍巖調(diào)熱圈的定義圍巖壁表面要與風流發(fā)生熱濕交換,這一過程為對￥巷道開掘后,巖石溫度受到很多因素的影流過程。響。從巷道開掘后與風流接觸的瞬間起,由于圍巖因此,從圍巖內(nèi)部的熱傳導和外部的對流熱交與風流存在溫差,巖體從深部向巷道壁產(chǎn)生熱移換來對礦井巷道圍巖進行熱分析,并用圖形曲線的動,圍巖內(nèi)各點的溫度將隨風流流動而遞減,但距形式表現(xiàn)出來,以便將抽象的問題直觀化。巷道中心某一距離的圍巖深部,圍巖仍保持著原來1圍巖內(nèi)部的熱傳導的原始巖溫,未受到風流的影響。這個未受影響區(qū)域的邊界,即原始巖溫等溫線所包圍的范圍就是巷1.1熱傳導微分方程道圍巖調(diào)熱圈,調(diào)熱圈內(nèi)的溫度分布就是圍巖調(diào)熱為簡化問題,在分析圍巖內(nèi)部熱傳導問題之圈溫度場,如圖1所示。前,需要對巷道及圍巖內(nèi)部溫度場作一些假設:巷道斷面為圓形、無限擴展、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(shù)和熱交換系數(shù)與溫度無關。因此,巷道圍巖溫度場可看成二維非穩(wěn)態(tài)溫度場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(diào)熱團1.2.2巷道圍巖調(diào)熱圈的半徑h(t-4);h=a/A巷道圍巖調(diào)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(shù),m2/;「為圍巖內(nèi)任一點距巷道軸心距離,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,主要從事礦井通風和降溫方面的研究?？偟?7期200年第2期量半徑,m,R0=2S/U;x為圍巖內(nèi)任意點到巷道導熱系數(shù)是衡量圍巖導熱性能的一個重要參壁的距離,m;S為巷道的斷面積,m2;U為巷道數(shù),直接影響到巖石內(nèi)部溫度場的分布。巖石導熱的周長,m。系數(shù)越大,熱傳導越快,圍巖冷卻的速度也越快。從巷道中心到調(diào)熱圈極限邊界(原始巖溫等另外,導熱系數(shù)對調(diào)熱圈半徑的影響十分顯著,巖溫線)的距離就是調(diào)熱圈半徑。調(diào)熱圈半徑的大石導熱系數(shù)越大,熱傳導和巖石冷卻速度越快,調(diào)小是變化的,新掘進的巷道通風時間短,調(diào)熱圈半熱圈半徑增大得越快,如圖4所示。徑小;隨著通風時間的增長,巷道圍巖受冷卻范圍擴大,調(diào)熱圈半徑變大;如果通風時間足夠長,可以認為圍巖與風流已充分完成熱交換,調(diào)熱圈半徑接近最大值而達到相對穩(wěn)定。通風時間與圍巖調(diào)熱圈半徑的關系如圖2所示。圍巖內(nèi)任意點高巷道壁的距離圖4巖石導熱系數(shù)對圍巖溫度場的影響1.3.3風流對巷道圍巖溫度場的影響巷道中的風流對圍巖溫度場的影響也比較明通風時間顯。風流對圍巖溫度場影響的主要參數(shù)是風溫和風量。當進入巷道的風流溫度較低、風量較大時,風圖2通風時間與圍巖調(diào)熱圖半徑的關系流與圍巖熱交換比較劇烈,圍巖內(nèi)部的溫度場變化1.3巷道圍巖溫度場的影響因素也較大,反之則變化較小。風溫和風量對圍巖溫度巷道圍巖溫度場也是不斷變化的,主要受通風場的影響在巷道掘進后暴露在風流中的時間越短,時間、巖石的熱物理性質(zhì)、巷道形狀以及風流等因影響越明顯;當通風足夠時間后,風流對圍巖溫度素的影響。場的影響可忽略不計。如圖5、圖6所示L.3.Ⅰ通風時間對巷道圍巖溫度場的影響巷道圍巖溫度場在巷道掘進后暴露在風流中的瞬間開始發(fā)生變化,當巷道暴露在風流中的時間極短時,巷壁與風流換熱劇烈,溫度隨時間變化大,但降溫范圍小。資料表明:當通風時間不超過1d時,降溫范圍只限于靠近壁面3m以內(nèi)的圍巖;通h>t2風1個月后降溫范圍超過10m,隨著通風時間的增長,降溫范圍逐漸增加,但溫度下降量逐漸減小;圍巖內(nèi)任意點離巷道壁的距離通風約1a后,圍巖溫度隨時間的變化不太明顯了圖5風流溫度對巷道圍巖溫度場的影響基本可看成穩(wěn)態(tài)溫度場,如圖3所示。中國煤化工距離團巖內(nèi)任意點距壁面的距離/CNMHG場的影響圖3巷道圍巖溫度場隨時間的變化1.3.4巷道形狀對圍巖溫度場的影響13.2巖石熱物理性質(zhì)對圍巖溫度場的影響巷道斷面形狀對圍巖溫度場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為風流的平均水蒸氣含量,形狀中,對巷道圍巖調(diào)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(shù),可以根據(jù)局部形>半圓形>圓形>矩形。如圖7所示。換熱系數(shù)α,按照 Lewis公式計算出來,(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(shù);P,為空氣的 Prandtl數(shù)。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(shù),與3-半網(wǎng)形溫度的關系近似為線性的,所以風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的影響式中,b,b1為常數(shù)。相對濕度為d的風流中水蒸氣含量為:2囤巖與風流的對流換熱m= (bo+ b,t)在井下實際巷道中,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,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時的飽于風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(shù)∫來表示巷道壁顯熱q面的濕潤程度。濕度系數(shù)∫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(shù)21顯熱分析時,可以直接由以上公式求出圍巖與風流之間的顯根據(jù)對流換熱定律,巷道壁面進入風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(shù),可以根據(jù)能量守恒原理,建立壁面能量9. =a(4-t(3)守恒方程,求解圍巖與風流之間的熱交換量,巷道式中,q為從巷道壁面進入風流的顯熱熱流密度,壁面溫度值及圍巖內(nèi)部各點的溫度。(W/m2);t為巷道壁面溫度,℃;t為巷道內(nèi)風流3結(jié)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(jié)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(jié)構模型提出假設,全被水膜覆蓋),從巷道壁面進入風流的水蒸氣質(zhì)建立的二維非穩(wěn)杰溫度場;量可按下式計算中國煤化工通風時間的增長而(4)逐CNMHG逐漸減緩,當通風式中,m,為單位時間內(nèi)從單位面積壁表面蒸發(fā)的時間足夠長時,可以認為調(diào)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(zhuǎn)13頁)冒云等:無煤柱開采技術在盤江的實踐2009年第2期(2)局部瓦斯管理施工過程中若施工前方修,二次投入按4000元/m的支護成本計算,全面有空洞,就將壓風管接入空洞內(nèi)稀釋瓦斯,現(xiàn)場瓦維修需投入資金4000元/mx850m=340萬元。采檢員必須加強瓦斯檢查工作。只有瓦斯?jié)舛刃∮谟醚乜站蜻M,不需進行巷道維修,從而可節(jié)約支護1%時,方可進行一切工作。成本340萬(3)頂板控制施工過程中,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煤柱沿空掘進,可將區(qū)段煤柱進行回收頂、控幫,然后進行刷掘、挖腿窩、立腿架棚等工利用。21123工作面走向長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(qū)和迎頭片幫傷人。多采出煤炭54984t,精煤回收率40%,精煤價格2巷道變形控制效果按1200元/t計算,可增加收人2639萬元。在采取留設煤柱掘巷時,工作面還沒有安裝回4結(jié)束語采,就需對巷道進行修復。21123回風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,只釆取了一次性U型棚進行支護,就保證頂板能完全垮落,采空區(qū)充填較好,礦山壓力隨頂了采面的正?；夭?掘進時巷道寬度4.6m,通過板垮落卸壓并重新分布,此時布置下區(qū)段回采工作觀測,在回采過程中,巷道最大變形處巷道寬度仍面時采取沿空掘巷,掘進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(qū),防突煤層掘進可按非突出工作面管理,減少防100mm,仍能滿足工作面回采的需要。突工序,增加有效進尺時間,加快了掘進進度,縮3效益分析短巷道掘進時間,保證礦井的正常生產(chǎn)接續(xù)。無煤柱沿空掘巷,可降低巷道維修量,大大減3.1生產(chǎn)接續(xù)方面少巷道支護成本。同時避免了區(qū)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,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”的防突措施進行施工,21121工作了較好的條件。面掘進期間月最高掘進進尺60m左右;采取沿空在今后的工作面布置過程中應大力推廣無煤柱掘巷時掘進工作面完全處于卸壓安全區(qū),可不按防開采技術,在生產(chǎn)過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗,對回采工突工作面管理,月平均掘進進尺為170m左右;作面各種資料進行認真分析總結(jié),使無煤柱開采技21123回風巷掘進長度850m,按留設煤柱掘巷需術在盤江礦區(qū)得到普遍應用要14個月以上,而采取沿空掘巷只需要5個月,提前9個月構成回采工作面,回采工作面月產(chǎn)量考文獻80kt,精煤回收率40%,精煤價格按1200元/t計算,可增加收入34560萬元,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需要對回風巷進行1次全面維責任編輯:王興庫](上接7頁)[1]高建良,楊明.巷道圍巖溫度分布及調(diào)熱圜半徑的彩響因達到穩(wěn)定狀態(tài);素分析[J,中國安全科學學報,2005,15(2):73-76(3)巷道圍巖的溫度場沿著巷道徑向方向[2]吳強,秦躍平,等.巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)溫度場有限元分析[J].遼寧工程技術大學學報,2002,21(5):604607圍巖溫度的變化受通風時間、圍巖的導熱系數(shù)、巷(3]蘇昭桂,巷道開巖與風流熱交換量的反演算法及其應用D]道中的風流、巷道斷面形狀等因素的影響;青島:山東科技大學,2004(4)在實際巷道條件下,圍巖與風流的熱交[4]換包括熱交換(表現(xiàn)為顯熱)和濕交換(表現(xiàn)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,2005,10(26增刊):22226貴任編輯:鄒正立