矿井巷道围岩渗流-传热耦合数值模拟研究

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随着矿井开采深度的增加,矿井中的高温热害越来越严重,而产生高温热害的主要原因是围岩放热,因此对围岩传热进行研究非常重要。本文以矿井巷道围岩为工程背景,应用传热与渗流理论分别建立多孔、单裂隙、规则多裂隙矿井巷道围岩渗流-传热数学模型,通过有限元模拟计算分析了各围岩中渗流-传热互相作用,得到了围岩温度场分布规律,并分析研究了通风时间、孔隙率、渗透率、巷道通风温度、围岩导热系数、裂隙张开度、裂隙水渗流速度等因素对巷道围岩温度场分布的影响规律。主要研究成果如下:(1)在多孔潮湿围岩渗流传热模型中,地下水渗流使得多孔潮湿巷道围岩温度场分布变得不均匀,矿井巷道通风时间越长、渗透率越大,换热越明显;围岩的等效孔隙率较大时,孔隙率越大越有利于换热,等效孔隙率较小时,孔隙率越小越有利于换热;围岩原始岩温和矿井通风温度对调热圈半径的影响不显著。(2)在单裂隙渗流围岩中,裂隙周围的围岩温度场等值线会向裂隙流动方向发生偏折。矿井巷道通风时间越长,围岩调热圈半径与渗流速度越大,巷道围岩通风与裂隙渗流形成的温度场冷却区面积越大;裂隙水渗流速度越快,裂隙水的温度增加率越小,围岩温度下降越快;裂隙张开度越大,裂隙水渗流与巷道通风温度场所形成的冷却区面积越大,裂隙水温度越低;围岩体导热系数越大,裂隙水的温度越高,温度上升梯度增加,裂隙附近岩体处的温度降低。(3)在规则多裂隙渗流围岩中,当裂隙中渗流水流动时竖直裂隙渗流速度的增大、竖直裂隙张开度的增大、水平裂隙渗流速度的增大、水平裂隙张开度的增加都会使得围岩中的冷却区面积增大;当裂隙中的渗流水无流动时,其张开度的变化对围岩温度场影响非常小;竖直裂隙渗流速度的变化对水平裂隙渗流水温度的影响要大于其张开度对水平裂隙渗流水温度的影响。(4)对比分析了多孔潮湿围岩与单裂隙渗流围岩温度场模拟结果与实验结果,结果表明,模拟结果与实验结果拟合较好,在多孔潮湿围岩中出现的实验结果与模拟结果的轻微偏差是由于实验的一些不可控边界条件导致的,在考虑偏差范围内,因此证明模拟方法可行,并对实验做了验证。
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