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多年冻土区蕴藏着丰富的煤炭资源,煤田开发已成为多年冻土区经济发展的主要产业之一,在西部大开发的进程中,能源需求量逐渐增加,而多年冻土区露天开采量逐渐减少,同时露天开采也造成多年冻土区生态环境恶化,相比而言,井采对多年冻土区生态环境的影响较小。目前,我国多年冻土区煤矿井采的工程实践和相关的设计施工经验还很缺乏,相关的研究更是少之又少。因此,研究多年冻土环境下井筒与周围冻土的相互热力作用,并最终揭示井筒冻融灾害激励及采取对应的有效工程措施对于多年冻土区煤矿井采的工程建设显得尤为重要。本文从拟建的江仓矿区一井田的工程建设应用实际出发,通过现场实测资料分析及数值模拟等方法开展研究,预测未来30年内矿井通风对多年冻土井筒围岩热状况的影响。本文主要做了如下研究工作:
建立了入风井筒风温的计算模型,并用matlab软件编程计算分析了风流温度的变化规律。研究结果表明:入风井筒风温与地面温度、风速及井深密切相关。在其他变量恒定的情况下,井深越大,风流温度越高,但随井深不断增加,矿井内风流温度逐渐趋于稳定。引入临界温度这一个概念,当地面温度大于临界温度时,风流温度随着通风时间的增加而逐渐降低,当风流沿着井筒流动到一定的深度,地热对风温的影响较大,风温又逐渐开始上升;当地面温度小于临界温度时,风流在流动过程中不断与围岩发生热湿交换,使得风流温度不断上升。
根据传热学与有限元理论给出了带相变的温度场计算的控制微分方程,对多年冻土区煤矿井采时井筒与周围岩土体的热状况进行了数值计算分析。研究结果表明:对于冻土区,矿井在开采的过程中,由于矿井通风的影响,井筒围岩受通风对流影响而形成季节性活动层。
根据多年冻土井筒围岩温度分布图,分析了通风对井筒围岩温度及其最大融化深度的影响,主要结论如下:
(1)矿井通风使井筒壁的围岩温度随着时间的增加逐渐降低。同时在靠近井筒壁围岩则产生季节活动层,活动层的厚度随着风速的增加而减小。
(2)井筒围岩季节活动层的厚度与岩性和含水量密切相关。井筒围岩最大融化深度随着含水量的减少及导热系数的增大而增加。
(3)井筒壁后冻土的最大融化深度与矿井开采运营时间有一定的关系,并在3年后趋于稳定。在矿井开采运营前3年,随着时间的增加,井壁后冻土最大融化深度减小。
(4)增大矿井通风风速对多年冻土井筒围岩最大融化深度暂且没有影响。两种工况下(G=10kg/s及G=30kg/s)井筒壁后冻土的最大融化深度相差不大。