深井巷道围岩温度场分布规律研究

黎明镜

随着我国煤矿开采深度的不断增加，其高温环境引起的热害问题越来越受到国内外学者和工程技术人员的关注，深井巷道岩体温度是热害矿井的最大热源。巷道围岩的温度场分布研究是基础问题之一，本文基于地质学和热力学理论，给出巷道围岩温度场受不同的风流冷却时间的无因次解析式，并导出调热圈外半径的近似计算式，针对淮南矿区深部开采的高地温(42℃左右)，采用有限元软件ANSYS9.0对深井巷道围岩的温度分布进行了数值模拟分析。

1 围岩温度场分布的解析解

开掘巷道瞬间，岩体内各处温度都等于原始岩温 Ty，当恒定风温为 Tf(Tf＜Ty)的空气通过后，岩热就开始流向巷道。在t1时刻内，围岩壁温度为 Tb，随着时刻的继续增长，围岩壁温也不断接近风温(如图1所示)，即limTb→Tk，但严格地说，Tb永远不会绝对等于Tk。当围岩壁温极为接近风温后，调热圈抵达相对稳定的最大半径[1]。

新掘进的巷道，围岩中受风流冷却的调热圈不大，这时围岩可当作半无限体来求出温度场。当巷道掘通100 d以上时，围岩受风流冷却时间较长，调热圈就会变大到相当程度，这时围岩的温度场将受到巷道形状的影响，就不能把围岩单纯看作是半无限体，要采用其他方法求解[2]。

1.1 受风流冷却时间短的围岩温度场

受风流冷却时间短的围岩可当作半无限体来求出温度场。设围岩均质、干燥，根据传热学有[3]:

1.2 受风流冷却时间长的围岩温度场的确定

因为受风温冷却时间长的巷道围岩与风流热交换是一个复杂的过程[4]，在热交换过程中又受到各种因素的影响，为了使条件简化，便于讨论其本质，作出如下假设:1)巷道围岩均质且各向同性;2)初始温度等于原始岩温;3)巷道围岩壁面换热条件一致;4)巷道内流动空气恒温;5)围岩传递的热量完全传给风流。

在以上假设的基础上，围岩与风流开始进行热交换后，围岩温度场开始随时间变化，围岩的导热过程是非稳态导热过程。由热量守恒定律和傅里叶导热定律，建立三维热传导方程，求得无因次温度的解析解为(求解过程详见文献[5][6]):

根据式(2)即可确定受风流冷却时间长的巷道围岩温度场。

2 计算实例

以淮南朱集矿为实例，用式(1)，式(2)计算其-906 m井底车场巷道温度场的解析解，用有限元软件ANSYS9.0计算其数值解。

朱集煤矿-906 m井底车场位置的主要岩性为铝质泥岩、粉砂岩、中砂岩。该矿区构造复杂、断层发育，特别是深部断层的交汇，形成深部地热上行的良好通道，加之上部的泥岩和泥质砂岩构成热储构造的复合盖层，形成该矿区高温达42℃左右，具有相当大程度的热害。数据采集巷道为通风巷道，断面形状为半圆拱形，直墙高度1.7 m，半圆拱半径3.7 m，锚喷支护。

2.1 实测热物性参数

温度场计算参数见表1。

表1 温度场计算参数表

2.2 围岩温度场的数值计算

模型的建立取巷道周边围岩的温度场分布，因此，模型的计算范围根据对称性取巷道上半部分圆心的上、下各30 m，左、右各40 m(见图2)，深为-906 m，在二维平面内计算，单元类型为4节点四边形实体单元(Plane55)，共划分2 964个单元，计算几何模型及网格划分如图2所示。

建立模型后，进入求解器，设置分析类型为瞬态分析，设定围岩模型初始温度分布分别为42℃的均匀温度场。选取巷道的轮廓线，分别施加20℃的对流荷载，岩壁参考温度为25℃，将实体模型转换为有限元模型进行求解。

将同一条件下，按公式计算出的温度场各离散点上温度随时间变化而变化的计算值与数值计算值做对比分析可知，解析解和模拟值基本吻合，解析解的温度场分布范围略小于模拟值。

2.3 围岩温度场的分布规律

从ANSYS数值计算结果中调出不同时间、不同径向深度的温度分布数据制成图。由图3，图4可知，围岩温度场一年内最大的变温区域位于距巷道壁面2.3 m～6 m之间，该处围岩温度的变化产生较大的温度应力和变形，现场松动圈实测结果表明该范围的围岩破碎严重，形成了相当大的热害。

3 结语

1)本文建立了热害矿井巷道温度场的数学模型，给出巷道围岩温度场受不同的风流冷却时间的无因次解析式，并导出调热圈外半径的近似计算式。2)以淮南地区某高温矿井的实测数据作为参数，用有限元软件ANSYS计算出围岩温度场的分布，解析解与数值模拟解得以相互印证。3)朱集矿-906 m井底车场围岩温度场一年内最大的变温区域位于距巷道壁面2.3 m～6 m之间。该处围岩温度的变化产生较大的温度应力和变形，现场松动圈实测结果表明该范围的围岩破碎严重，形成了相当大的热害，计算结果可为支护设计提供参考。

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