基于fluent的围岩散热数值模拟研究

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1、基于fluent的围岩散热数值模拟研究许梦飞，（河南理工大学，土木工程学院力学系，河南焦作）摘要：为了解决深部开采带来的热害问题，本文对深部矿井的热害来源进行了简单的总结，并对岩石散热进行了分析。此外还在fluent软件的基础上进行了简单的数值模拟。关键词：深部矿井热害；围岩散热；数值模拟ABSTRACT:Inordertosolvetheheatharmfulproblembydeep-seatedexpIoitation,thispapersummarizesthereasonforheart—harzard,andanaIystheheattransferinthero

2、ck-sorrounding.Besides,fluentsoftwareisusedsimplytosimulatethetemperaturefield.1.引言随着我国煤炭产量与开采深度的增加，井筒开凿也越来越深。第一个五年计划期间井筒开凿深度平均为187.6m,“二五”期间为278.4m,“三五”期间为296.5m，“四五”期间为393.1米，“五五”期间为436m,1983年平均为459m。目前，我国己经有很多井筒开凿深度己经超过800m，有些超过1000m，如北票冠山立井，北溪郑家风井等［1］。如台吉矿井700米副石门，利用钻孔观测平均温度为33.4°C，井田低温

3、正常，无热水即其他异常因素影响，矿井地下温度高的主要原因是开采深度人。2.局温热害我国“煤炭安全规程”规定：“采掘工作面的空气温度不得超过26°C，机电崛室的温度不得超过30°C。在局部超温的各别地点，经采取加大风量，局部降温等措施后，仍超过本文所规定的空气温度时，报省(区)煤炭局批准，可以适当提高空气温度的规定，但采掘工作面的空气温度最高不得超过30°C。然而，我国有些采掘工作面的温度不但超过26°C,有的已经超过30°C,如三河尖矿掘进工作面气温曾在32°C以上，工人在高温高湿条件下工作，不但影响工人身体健康，而且对劳动生产率已经事故率的增加均有很大影响。根据苏联学者测定

4、，当温度超过标准温度rC时，人工的劳动生产率便降低6-8%,据国外资料表明,气温在30-34°C以上的工作面较30°C以卜的工作面事故率增加1.5倍；34-37°C的工作面较30°C以下的工作面事故率增加2.3倍。我国三河尖矿1983年高温季节，工作面气温高达32.4°C,曾发生中暑晕倒病倒5人次，三季度的建设任务只完成计划的61.74%。由此可见，如果高温问题不能很好的解决，势必给矿井正常施工造成严重威胁。3.矿井的主要热源[2]矿井温度增高，主要是由于矿井内各种热源的放热作用所引起的，其主要热源有：(1)围岩冷却放热，其放热量取决于放热系数、原始温度、散热而积和岩石暴露时

5、间等因素；(2)氧化放热，即井下煤，煤尘和木材支架易氧化物放出的热量；(3)釆掘机械工作放热，如岩凿机，装岩机等工作时放热；(4)运输机，转载机工作放热；(5)峒室内机电设备工作放热，如水泵房中的水泵、变电所中的变压器、绞车房屮的提升机等工作放热；(6)通风系统放热，如井下扇风机、风管放热；(7)矿井水冷却放热，有些矿井裂隙水温度较高，构成热水影响温升因素；(8)工人工作时放热，重体力劳动时，一个工人一小时放热约等于250K。3.井巷围岩的传热岩体温度是热害矿山最大的热源之一。地热通过围岩向风流传热的现象与围告本身的热传导、巷道壁面向风流的对流换热以及壁面上的水分蒸发有关。为

6、了使条件简化，便于讨论其本质，本文假设通风巷道起点的供给的温度不变，巷道壁面上没有水分蒸发，岩体均质，各项同性等。由控制微分方程和定解条件，可得井巷围岩低温场的定解问题、/——=adt^dr2rdt)(r00)(1)(2)(r〉0)(3)0(M)lr=R=(Z20)(4)以上各式中：沒一-井巷围岩低温场的温度分布函数；r—有限地温场的径向变量;t-一径向通风时间变量；a—岩石导温系数，A---岩石导热系数，r。---圆形巷道半径，或当量半径，有限地温场的径向深度(调热圈深度)，—初始岩温，°c;氏---井巷壁面温度，Qc;Oa—井巷风流温度，°C*;汉一巷道壁

7、面的换热系数，W/McO式（1）至（4）的数学模型是非稳定的有限低温场的模型，若在式（4）中令/?sec,则有G>0）（5）那么式（1）至（3）和式（5）—起联立成为井巷围岩非稳定的半无限地温场的定解问题。由此可见，无限场可以作为有限场的一种特例，且在地温场内，他们的等温分布规律是完全一样的，只是在外边界上有异。因此，对地温场的分布规律研究，在温度分布未影响到外边界时，也可以用半无限大平面地温场的数学模型来描述。即：1d3y，(r>z-0,Z>r0)(6)——=adt?+rdt)沒（厂，u），(r>/o