陳 浩,張登春,鄒聲華,陳大偉

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 湘潭市 411201)

0 引 言

隨著礦井開采深度的增加,礦井的熱害問題已經(jīng)得到了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視[1-3],根據(jù)降溫技術(shù)是否采用制冷設(shè)備可大致分為非人工制冷和人工制冷2種方式,人工制冷降溫雖然效果好,但投資和運(yùn)行成本高且冷損耗大,非人工制冷技術(shù)要求低但降溫效果不明顯,因此尋求經(jīng)濟(jì)有效的礦井降溫方法迫在眉睫。

煤層注水是一種常見的降溫方式,它是在回采工作面附近的平巷或斜巷布置鉆孔,通過向煤層注水,利用水壓將冷水注入即將回采的煤中,國內(nèi)外已經(jīng)有了應(yīng)用實(shí)例。1890年煤層注水首次在德國薩爾煤田進(jìn)行實(shí)驗(yàn);原蘇聯(lián)烏克蘭科學(xué)院礦山力學(xué)研究所等研制了可以自動(dòng)調(diào)節(jié)控制注水參數(shù)的OF型注水泵;法國煤炭中心研制了注水流量控制器和連續(xù)注水裝置,從而使煤層注水技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。聶文在星村煤礦E3101東工作面通過高壓預(yù)裂波動(dòng)式注水方式對圍巖體進(jìn)行降溫,由實(shí)地測量可知,工作面、回風(fēng)隅角和回風(fēng)流溫度分別降低1．075,0．525和0．475℃[4];董躍文采用現(xiàn)場觀測的方法分析煤層注水速率和工作面前方超前支撐壓力分布規(guī)律之間的關(guān)系[5];金永飛分析現(xiàn)場測試注水效果數(shù)據(jù)表明,長孔靜壓注水技術(shù)適用于高瓦斯突出礦井厚煤層開采工作,有助于降低工作面溫度,防止煤層進(jìn)一步氧化[6];周西華分析了煤層注水難度影響因素,建立模糊聚類分析模型[7];程衛(wèi)民分析低滲透煤層注水微過程,確定影響煤層注水的主要因素[8];王志生采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場注水試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對煤層注水過程中水在煤體內(nèi)的滲流特性進(jìn)行研究[9];王開德模擬分析了孔隙壓力和滲流速度分布規(guī)律,以及注水壓力和注水時(shí)間與煤體滲透率之間的關(guān)系[10];秦凱通過模擬分析了在不同注水壓力下煤體內(nèi)水壓的分布規(guī)律[11];康向濤開展煤樣單軸壓縮實(shí)驗(yàn),觀察不同含水率預(yù)制裂紋型煤試件的能耗及破壞模式[12];王青松用界面化學(xué)理論分析了煤體表面的潤濕過程,得出了煤體能夠自行潤濕的條件[13]。

本文假定煤巖體注水為等效連續(xù)的介質(zhì)滲流模型,將煤巖體作為多孔介質(zhì),建立水滲流場、巷道溫度場和煤巖體溫度場三維耦合數(shù)學(xué)模型,利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值求解,研究注水間距和注水口分布在不同情況下對巷道內(nèi)溫度的影響。

1 深部礦井煤巖體注水降溫計(jì)算模型

1．1 物理模型

本文以三河尖礦-980 m[14]處夏季調(diào)熱圈溫度為基礎(chǔ)。計(jì)算區(qū)域取長×寬×高為100 m×25 m×16 m的圍巖體,巷道斷面為半圓拱形,斷面高度為4．5 m,直墻和拱高分別為2．5 m 和2 m,巷道底板距圍巖底部為2 m。采用型號(hào)為MZ2170的鉆機(jī)打鉆,孔徑為113 mm,孔間距為3~5 m(用D表示),注水管采用外徑為25 mm,壁厚為2．5 mm的聚氯乙烯硬管對煤巖體實(shí)施注水降溫,注水流量為20 L/min,坐標(biāo)原點(diǎn)位于圍巖體幾何中心,該礦井注水降溫物理模型如圖1所示。

圖1 深部礦井煤巖體注水降溫物理模型

1．2 水－巖－風(fēng)之間的換熱模型

對本文降溫建立模型時(shí)作如下假設(shè):

(1)煤巖體為均質(zhì)、各向同性、不可變形的連續(xù)介質(zhì)。

(2)注水為穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體,無相變。

(3)只考慮圍巖散熱對巷道空氣溫度的影響,不考慮掘進(jìn)設(shè)備和其他熱源的影響。

根據(jù)傳熱學(xué)理論[15],探究水、巖傳熱及巷道圍巖與風(fēng)流之間的傳熱傳質(zhì),巖體中的傳熱過程可以分為以下3類:熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。水、巖對流換熱作用下水流帶走的熱量為[16]:

式中,ρw為水的密度,kg/m3;cpw為水的比熱容,kJ/(kg·℃);vx、vy、vz分別表示滲流速度v沿著坐標(biāo)軸方向上的分量,m/s。

對于完全潮濕巷壁,水與風(fēng)流對流質(zhì)交換量可以用下式描述:

式中,Ms為單位時(shí)間內(nèi)對流質(zhì)交換量,kg/s;F為壁面表面積,m2;ρω為巷壁表面空氣層中水蒸氣濃度,kg/m3;ρf為巷道風(fēng)流中水蒸氣濃度,kg/m3;αD為對流傳質(zhì)系數(shù),m/s。

風(fēng)流與巷道壁面之間的換熱量[17]:

式中,B為大氣壓,Pa;tb為巷道表面溫度,℃;Δt為巷道壁面溫度與風(fēng)流狀態(tài)對應(yīng)露點(diǎn)溫度之差,℃;tf為流體的平均溫度,℃;h為對流傳熱系數(shù),W/(m·k);t1為風(fēng)流狀態(tài)對應(yīng)露點(diǎn)溫度,℃。

2 邊界條件處理

圍巖體區(qū)域:設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域,孔隙率為0．1,材料為砂巖,密度為2350 kg/m3,比熱0．84 kJ/(kg·K),熱傳導(dǎo)系數(shù)λr＝2．25 W/(m·K)。

水:密度Pw＝998．2 kg/m3,比熱Cpw＝4182 J/(kg·K),熱傳導(dǎo)系數(shù)λw＝0．6 W/(m·K)。

進(jìn)口邊界條件:采用速度入口邊界,水流速為1．1 m/s;采用常溫注水,水溫為293 K;采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,湍流動(dòng)能k＝0．5v2,湍流動(dòng)能耗散率ε＝Cμ0．75κ1．75/0．07M,其中:M為水力直徑,0．113 m,Cu取常數(shù)0．09。

巷道圍巖壁面:定義材料為砂巖,根據(jù)三河尖礦-980 m處夏季調(diào)熱圈溫度,模擬得出調(diào)熱圈溫度變化公式為T＝28．9＋14．3×e-2×(2,根據(jù)公式編寫UDF程序,設(shè)置壁面粗糙度為0．1,熱通量為0．4 W/m2[19],調(diào)熱圈厚度2．5 m。

圍巖體底面:定義材料為砂巖,溫度為318 W,熱生成率85 W/m3[18]。

由于FLUENT軟件不能設(shè)置空氣相對濕度,所以用水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來定義,而大部分礦井的相對濕度在80%~90%之間,巷道環(huán)境溫度在300 K左右,此時(shí)的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0．023~0．025之間,因此設(shè)置巷道內(nèi)水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．024。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3．1 注水位置分布對巷道溫度場的影響

在研究煤巖體注水降溫對圍巖體溫度場影響時(shí),選取巷道內(nèi)環(huán)境平均溫度為分析目標(biāo)。未注水時(shí),巷道圍巖體的熱量傳遞僅為熱傳導(dǎo)作用,取Y＝0 m處巷道內(nèi)溫度場分布如圖2所示。由圖2可知,該斷面溫度場呈階梯分布,越往深部巷道內(nèi)環(huán)境溫度也就越高,此時(shí)巷道內(nèi)的平均溫度為301．4℃,當(dāng)D＝3 m時(shí)分2種注水方式降溫,如圖3所示,根據(jù)已有的研究表明[20],當(dāng)注水口采用對稱分布時(shí),在相鄰的4個(gè)注水口中間位置處的圍巖降溫效果略好于其他位置,因此在注水方式上采用對稱和錯(cuò)位布置2種方式。選取巷道內(nèi)X＝40~-40 m處巷道內(nèi)平均溫度,對比在沒有注水(A)、注水口對稱分布(B)和非對稱分布(C)情況下溫度場的變化如圖4所示。分析圖4,由A曲線可知,隨著巷道的深入,巷道內(nèi)的環(huán)境溫度也在逐漸升高;分析B曲線和C曲線,當(dāng)采用2種不同方式注水時(shí),巷道內(nèi)的環(huán)境溫度都會(huì)降低,注水口在對稱分布時(shí)巷道內(nèi)環(huán)境平均溫度為299．76 K,注水口在非對稱分布下時(shí)巷道內(nèi)環(huán)境平均溫度為299．29 K,因此當(dāng)注水口非對稱分布時(shí)的降溫效果優(yōu)于注水口對稱分布。

圖2 未注水時(shí)巷道內(nèi)溫度場分布

圖3 D＝3 m時(shí)注水口對稱(上)和錯(cuò)位(下)分布

圖4 D＝3 m時(shí)不同注水方式下巷道內(nèi)溫度的變化

以D＝4 m為例,分析注水口遠(yuǎn)離巷道(C4-1)和靠近巷道(C4-2)2種注水方式對巷道內(nèi)部溫度的影響。巷道內(nèi)X＝40~-40 m處平均溫度如圖5所示,越往巷道深處,C4-2的溫度也就越低于C4-1,這是由于當(dāng)圍巖的溫度降低時(shí),巷道內(nèi)空氣的溫度不會(huì)迅速降低,巷道壁溫和巷道內(nèi)空氣之間的熱交換有一定的延遲,因此,越往深處,巷道壁面和巷道內(nèi)環(huán)境之間的熱交換也就越充分,巷道內(nèi)環(huán)境的溫度也就越低。對比C4-1和C4-2之間的含濕量的變化,圖6所示的是X＝40~-40 m處巷道內(nèi)密度的變化,隨著巷道的深入,濕空氣的密度也就越大,忽略環(huán)境溫度、大氣壓等因素對含濕量的影響,根據(jù)濕空氣的密度公式ρ＝可知,濕空氣的密度和含濕量呈正比關(guān)系,所以含濕量對巷道圍巖和巷道環(huán)境之間的熱交換有著重要的影響,當(dāng)注水口越靠近巷道布置時(shí),濕空氣的含濕量也會(huì)增加,巷道圍巖和巷道環(huán)境之間的熱交換也就越充分,巷道內(nèi)的溫度也就越低。

圖5 C4－1和C4－2在不同位置處空氣溫度對比

圖6 C4－1和C4－2在不同位置處空氣密度對比

3．2 注水間距對巷道溫度場的影響

注水口采用錯(cuò)位布置并且注水口靠近巷道分布,分析D＝3 m(C3)、D＝4 m(C4-2)和D＝5 m(C5)的溫度變化趨勢。當(dāng)D＝5 m時(shí)巷道內(nèi)環(huán)境平均溫度為298．98 K,比巷道內(nèi)原始環(huán)境平均溫度降低了約2℃,與星村煤礦[4]注水實(shí)地測量相比模擬的降溫值偏大,根據(jù)已有的研究表明[21],圍巖散熱只占深部礦井散熱總量的50%,但是本次模擬只是考慮了圍巖散熱并沒有考慮機(jī)械散熱等因素對巷道環(huán)境溫度的影響,因此,模擬溫降與實(shí)際值之間的誤差是意料之中的。將圖7和圖8結(jié)合起來分析可知,降溫幅度最大的C5也是濕空氣密度變化最大的,這是由于當(dāng)D＝5 m時(shí),在相同平面內(nèi)所布置的注水口也就越少,需要更多的時(shí)間對圍巖區(qū)域進(jìn)行注水降溫,巷道壁面和濕空氣之間有充分的時(shí)間進(jìn)行質(zhì)交換,因此,濕空氣的密度也就越大,相對應(yīng)的含濕量也就越大。

圖7 不同注水間距對巷道內(nèi)空氣溫度的影響

圖8 不同注水間距對巷道內(nèi)空氣密度的影響

4 結(jié) 論

(1)通過對熱濕交換體系內(nèi)的顯熱交換、潛熱交換及濕交換與空氣含濕量、溫度關(guān)系的分析,得出巷道內(nèi)環(huán)境溫度變化趨勢。

(2)不同的注水間距和注水口分布對巷道環(huán)境溫度有重要的影響。在本文采用低流量中壓緩慢注水的方法中,注水速度為1．1 m/s,當(dāng)注水間距為5 m時(shí),對巷道環(huán)境降溫效果最好。