費(fèi)鴻祿，甄 帥，李文焱，胡 剛，聶 寒

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 爆破技術(shù)研究院,阜新 123000)

高原高寒地區(qū)的露天礦山進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，爆破區(qū)域炮孔成孔后，滲流水通過巖石裂隙流入孔內(nèi)，由于受當(dāng)?shù)睾０胃叨取夂?、晝夜溫差、水文地質(zhì)的多種因素影響，經(jīng)過一定時(shí)間導(dǎo)致炮孔內(nèi)滲流水完全凍結(jié)，從而無(wú)法進(jìn)行裝藥工序。研究表明，影響滲流水凍結(jié)的主要因素分別為場(chǎng)區(qū)溫度場(chǎng)作用以及滲流水速度，相比而言，溫度場(chǎng)所引起的效應(yīng)更大[1,2]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)凍土溫度場(chǎng)已經(jīng)有了較為深入的研究，Noorishad等基于Biot固結(jié)理論[3]，將變分原理和伽遼金公式與有限元方法相結(jié)合，首次提出了飽和巖體固-液-熱耦合方程。此后，胡向東等通過單排管、雙排管、三排管對(duì)凍結(jié)壁溫度影響的一系列研究[4-9]，提出“卸載狀態(tài)下凍結(jié)壁-周圍土體共同作用”概念并建立相關(guān)凍結(jié)壁力學(xué)模型，推導(dǎo)出凍結(jié)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)解析解矩陣表達(dá)式。王效賓等以南京地鐵線工程為例[10]，采用ADINA有限元軟件分析地鐵線溫度場(chǎng)，得出了導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等因素對(duì)凍土溫度場(chǎng)的影響。張松等為研究突發(fā)滲流作用下溫度場(chǎng)溫度演變過程基于相似模型開展凍結(jié)試驗(yàn)并得到相關(guān)規(guī)律[11,12]。邵玉龍等建立了描述三維裂隙網(wǎng)絡(luò)巖體滲流傳熱耦合模型[13]，并與二維裂隙傳熱模型做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)大量流體流經(jīng)基巖時(shí)會(huì)通過裂隙同周圍巖體進(jìn)行熱量交換，造成裂隙周圍巖體溫度首先發(fā)生改變，然后向周圍擴(kuò)散的規(guī)律。黃峰等通過有限元軟件ANSYS和TAITHERM建立了武漢某立交橋的三維溫度場(chǎng)計(jì)算模型[14-16]，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)耦合度頗高，為類似工程溫度場(chǎng)研究提供參考依據(jù)。邰博文等通過COMSOL有限元模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)揭示了寒區(qū)鐵路路基的水熱耦合機(jī)理[17-20]，并分析其與時(shí)空演變規(guī)律。韓小妹等在高寒地區(qū)通過溫控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和研究分析成果[21]，總結(jié)出混凝土壩溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律。周曉敏等在礦井工程中采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)滲流作用下凍結(jié)壁的溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究[22,23]。Yuchao Zeng等研究了地?zé)崽餃囟葓?chǎng)、地下水初始靜壓力場(chǎng)和水密度分布特征[24]，同時(shí)分析影響溫度場(chǎng)的主要因素，并考慮了裂縫系統(tǒng)的地質(zhì)特征，建立了裂縫系統(tǒng)的概念模型。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在分析溫度場(chǎng)-水分場(chǎng)時(shí)，大多是基于ANSYS、ADINA等有限元軟件或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及理論公式進(jìn)行單一變量分析并得出相應(yīng)結(jié)論，并且主要針對(duì)隧道凍結(jié)壁、深井工程、大體積混凝土等大深度工程進(jìn)行溫度場(chǎng)研究，對(duì)高寒常年凍巖地區(qū)露天礦山爆破作業(yè)過程中解決炮孔出現(xiàn)涌水、冰凍現(xiàn)象對(duì)溫度-水分場(chǎng)多場(chǎng)耦合做深入系統(tǒng)研究的鮮見。因此，本文以拉薩市墨竹工卡縣甲瑪?shù)V為背景，以光纖測(cè)溫儀的試驗(yàn)結(jié)果與COMSOL-Multiphysics有限元模擬相結(jié)合，對(duì)比分析高原地區(qū)炮孔成孔后溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律。通過研究溫度場(chǎng)的時(shí)空關(guān)系，從根本上解決常年凍巖條件下炮孔冰凍裝藥的技術(shù)難題，為高原露天礦高效開采提供有效的技術(shù)方法。

1 工程背景

甲瑪露天礦位于西藏拉薩市墨竹工卡縣，年度平均氣溫2～17℃，高寒干燥，晝夜溫差大，在高寒高海拔條件下，最低溫度可達(dá)-10℃。在進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，導(dǎo)致爆破場(chǎng)地內(nèi)炮孔常年出現(xiàn)地表向孔內(nèi)滲水和鉆孔時(shí)孔壁涌(滲)水、冰凍現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為：在炮孔成孔后3～12 h孔內(nèi)滲流水經(jīng)過礦區(qū)溫度場(chǎng)的重分布在短時(shí)間內(nèi)可完全凍結(jié)，導(dǎo)致大量完成的炮孔無(wú)法實(shí)施裝藥工序，當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的解決措施是選擇傳統(tǒng)的鉆機(jī)透孔法進(jìn)行破冰處理，但此方法在實(shí)際應(yīng)用中存在多個(gè)不足，首先此方法是通過壓縮透孔時(shí)間以滿足緊后工序的裝藥步驟，這樣就有可能出現(xiàn)交叉作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)增加，造成安全隱患。其次二次透孔的成本也是不可忽略的，增加透孔工序會(huì)嚴(yán)重制約爆破作業(yè)的效率。

因此研究炮孔成孔后溫度場(chǎng)變化規(guī)律，并根據(jù)研究成果開發(fā)相對(duì)應(yīng)的技術(shù)、裝備、方法，對(duì)爆破工序的正常進(jìn)行具有重要意義。為研究高原多年含水凍巖溫度場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，以拉薩市墨竹工卡縣甲瑪露天礦5120平臺(tái)為工程試驗(yàn)背景，如圖1所示。

圖 1 甲瑪露天礦Fig. 1 Jiama open-pit mine

2 耦合理論分析

2.1 溫度場(chǎng)控制方程

溫度場(chǎng)是指某研究物體在某時(shí)間內(nèi)所處空間溫度的集合，它反映了溫度的時(shí)空間關(guān)系，通常用空間直角坐標(biāo)系以及時(shí)間變量表示,其方程如下所示

T=f(x,y,z,t)

(1)

式中：T表示溫度；x、y、z為空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；t為時(shí)間。

礦區(qū)炮孔內(nèi)溫度場(chǎng)為三維熱傳導(dǎo)問題，但由于炮孔成孔后為空心圓柱，因此可取對(duì)稱結(jié)構(gòu)溫度變化，簡(jiǎn)化為二維熱傳導(dǎo)問題。如(2)所示

T=f(x,z,t)

(2)

假設(shè)巖體為各向同性且均勻的，通過數(shù)學(xué)物理方法中熱傳導(dǎo)方程拉普拉斯公式，基于彈性力學(xué)理論推導(dǎo)出其二維熱傳導(dǎo)微分方程

(3)

(4)

式中：α為常數(shù)；Q表示單位熱量，J；c表示物體比熱容，J/(kg·K)；ρ表示物體密度，kg/m3；2為拉普拉斯算子。

考慮相變潛熱的傳導(dǎo)方程

(5)

式中：C為熱容量，J/(kg·K)；θ為體積含水量，kg/m3；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；對(duì)于簡(jiǎn)化二維問題為為相變潛熱；ρI為冰的密度，kg/m3；θI為冰的體積含量，kg/m3。

在進(jìn)行有限元軟件COMSOL-Multiphysics數(shù)值建模時(shí)，炮孔內(nèi)滲流水由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嘈枰艧?，其釋放的熱量?huì)通過巖石孔壁及孔口空氣流動(dòng)發(fā)生熱傳導(dǎo)。

2.2 水分場(chǎng)控制方程

在炮孔成孔后礦區(qū)原地質(zhì)構(gòu)造破壞會(huì)產(chǎn)生裂隙，裂隙中存在的水通過裂隙滲流至炮孔，其滲流作用符合達(dá)西定律。根據(jù)Richard方程并考慮冰與水的相變可得非飽和巖石內(nèi)水分場(chǎng)遷移方程

(6)

式中：ρW表示水的密度，kg/m3；θu為液態(tài)水體積量，kg/m3；k為滲透系數(shù)。冰凍巖土中水的擴(kuò)散率如下

(7)

式中：k(θu)為土體滲透率，m/d；c(θu)為比水容量，kg；I為阻抗因子[25]，表示孔隙中冰對(duì)水產(chǎn)生滲流的阻礙作用。

2.3 溫度場(chǎng)與水分場(chǎng)的耦合

溫度場(chǎng)控制方程中，溫度T為自變量。水分場(chǎng)控制方程中，液態(tài)水體積含量θu與冰體積含量θI為自變量。在有限元軟件建模求解時(shí)，兩個(gè)控制方程不足以將方程中三個(gè)未知變量表示，需要引入耦合項(xiàng)將水熱方程聯(lián)系求解，因此選用“固液比”的概念作為耦合項(xiàng)[26]。固液比即為巖土中冰的體積含量與自由水體積含量的比值，其公式可表示為

(8)

式中：Tf表示巖土體凍結(jié)溫度，K；B為常數(shù)。

因此冰的體積含量為

θI=BI·θu

(9)

由巖土體的相對(duì)飽和度公式，結(jié)合VG滯水模型及Gardner滲透模型[27]，可推導(dǎo)出水的體積含量

(10)

θu=(θs-θr)·S+θr

(11)

式中：s為相對(duì)飽和度；θs為飽和含水率；θr為殘余含水率。因此溫度場(chǎng)控制方程中熱源項(xiàng)可化簡(jiǎn)為

(12)

引用“固液比”的概念后，溫度場(chǎng)控制方程為

(13)

水分場(chǎng)控制方程為

[D(S)S+k(S)]

(14)

此時(shí)可基于COMSOL-Multiphysics有限元軟件建立溫度-水分耦合模型。

3 數(shù)值模型建立

3.1 選擇物理場(chǎng)

為分析礦區(qū)炮孔涌水凍結(jié)過程及炮孔內(nèi)溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律，考慮到溫度場(chǎng)-水分場(chǎng)的相互耦合作用，在COMSOL-Multiphysics的模型庫(kù)中選擇多孔介質(zhì)傳熱模塊，并添加流體域及固體域進(jìn)行有限元分析。為以下敘述方便，稱炮孔成孔后至裝藥前之間的時(shí)間段稱之為空孔期，結(jié)合本工程背景的實(shí)際，空孔期孔內(nèi)溫度發(fā)展規(guī)律對(duì)于涌水凍結(jié)具有決定性影響作用，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際空孔期在24 h左右，因此對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行裝藥時(shí)間最大間隔24 h內(nèi)的瞬態(tài)研究。

3.2 建立幾何模型

使用COMSOL-Multiphysics組件中幾何模型建立板塊。在空孔期中孔內(nèi)溫度主要受到自由水在炮孔壁裂隙的滲流作用影響，同時(shí)，炮孔內(nèi)的溫度場(chǎng)通過空氣對(duì)流以及孔內(nèi)與地表面的熱交換效應(yīng)，也會(huì)對(duì)炮孔內(nèi)的溫度變化造成一定影響。簡(jiǎn)化炮孔成孔后孔內(nèi)y方向溫度變化，建立相應(yīng)二維幾何模型，模型總分為2部分，中間部分為直徑0.12 m、深度18 m炮孔，炮孔周邊為待爆礦區(qū)，左右區(qū)域各設(shè)5 m影響范圍，如圖2所示。

圖 2 礦區(qū)幾何模型Fig. 2 The geometric model of the mining area

3.3 模型邊界條件的確定

(1)力學(xué)邊界條件的確定

模型兩邊為輥支撐，底面為固定約束，頂面為自由約束。

(2)溫度邊界條件的確定

炮孔成孔后溫度主要受炮孔周邊巖體的熱傳導(dǎo)作用影響，使用SG-DTS-84U光纖測(cè)溫儀進(jìn)行礦區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)下孔內(nèi)溫度測(cè)量作為炮孔成孔后的初始溫度。取不同地表溫度分析初始地表溫度對(duì)炮孔溫度發(fā)展的影響，并以外部自然對(duì)流的方式向礦區(qū)底部傳熱，礦區(qū)底面平均溫度為炮孔底部溫度。

(3)水分場(chǎng)邊界條件的確定

炮孔在成孔后裂隙水會(huì)隨著孔壁流入孔內(nèi)，由于滲流速度在不同平臺(tái)下各不相同，因此分析不同滲流速度下裂隙水對(duì)炮孔內(nèi)溫度場(chǎng)的影響，并給予流體添加相變材料，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)[28]，相變溫度273.15[K],相變轉(zhuǎn)變間隔2[K]，相變潛熱為333[kJ/kg]。見圖3。

圖 3 相變潛熱Fig. 3 Latent heat of phase change

3.4 模型材料定義

模型材料分為流體、固體、冰3種。具體屬性如表1所示。

表 1 模型材料

3.5 劃分網(wǎng)格

使用COMSOL-Multiphysics內(nèi)置Mesh對(duì)模型網(wǎng)格劃分，全局劃分定義超細(xì)化，礦區(qū)邊界部分定義為極細(xì)化，炮孔內(nèi)部定制單元大小參數(shù)，最大面積單元0.06 m2，最小面積單元大小0.0004 m2。總計(jì)算單元16392個(gè)，計(jì)算網(wǎng)格面積202.4 m2。如圖4所示。

圖 4 幾何模型網(wǎng)格劃分Fig. 4 Meshing of geometric model

4 模擬結(jié)果與分析

拉薩市墨竹工卡縣冬季平均氣溫為-3～13℃，夏季平均氣溫6～20℃，由于甲瑪?shù)V區(qū)處在高寒高海拔地區(qū)，因此溫度相對(duì)于墨竹工卡縣更低?？紤]礦區(qū)地表區(qū)域溫度受外部環(huán)境影響大，炮孔成孔后滲流水的流速對(duì)溫度的擴(kuò)散起決定性作用，因此本模型分別對(duì)外界溫度為0℃(273.15 K)、5℃(278.15 K)、10℃(283.15 K)滲流水在炮孔內(nèi)的涌出速度1 m/h、2 m/h、3 m/h、5 m/h、10 m/h的情況進(jìn)行模擬分析，當(dāng)滲流水溢滿炮孔時(shí)水位達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)不再上升。使用COMSOL-Multiphysics有限元分別分析成孔后礦區(qū)溫度場(chǎng)變化情況，并導(dǎo)出各個(gè)時(shí)間段的溫度數(shù)據(jù)。

4.1 炮孔成孔后24 h內(nèi)溫度分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程情況，對(duì)地表溫度為5℃(278.15 K)炮孔內(nèi)滲流速度為3 m/h時(shí)成孔后24 h內(nèi)溫度發(fā)展規(guī)律進(jìn)行模擬分析。t=0時(shí)礦區(qū)溫度分布如圖5所示，滲流水速度3 m/h時(shí)炮孔成孔后1 h、2 h、4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h孔內(nèi)溫度場(chǎng)隨時(shí)間分布圖如圖6所示。通過有限元軟件模擬結(jié)果，對(duì)比分析炮孔成孔后24 h內(nèi)溫度隨深度變化規(guī)律，如圖7所示。

圖 5 成孔后礦區(qū)初始溫度分布圖Fig. 5 Initial temperature distribution in the mining area after blast hole formation

圖 6 滲流水速度3 m/h溫度隨時(shí)間變化圖Fig. 6 The temperature changes with time with the seepage water velocity of 3 m/h

由圖5可見，炮孔成孔后t=0時(shí)礦區(qū)溫度分布均勻，且溫度隨深度遞減。

由圖6模擬結(jié)果顯示：在炮孔成孔后，孔內(nèi)溫度與礦區(qū)內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化明顯，炮孔內(nèi)0～8 h溫度變化快，8 h后逐步趨于穩(wěn)定，其相同深度的溫度差異不大。炮孔深度0～5 m區(qū)域溫度受對(duì)流熱通量影響大，在深度3～6 m時(shí)呈現(xiàn)出溫度分層。深度5～18 m區(qū)域溫度變化由炮孔周邊巖體溫度決定，溫度隨深度整體呈下降趨勢(shì)。

由圖7可見：成孔1 h內(nèi)與炮孔深度5 m左右位置存在明顯溫度拐點(diǎn)，且溫度拐點(diǎn)的深度隨時(shí)間的增加逐漸降低。當(dāng)成孔12 h時(shí)孔內(nèi)溫度已達(dá)到0℃(273.15 K)以下，此時(shí)可認(rèn)為炮孔內(nèi)部完全冰凍。在成孔2 h內(nèi)深度在6m以內(nèi)的炮孔溫度下降速率大，成孔2～24 h深度在2 m以內(nèi)炮孔溫度變化劇烈。這是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，外界地表溫度對(duì)炮孔內(nèi)的溫度場(chǎng)影響逐漸減小，孔內(nèi)滲流水因溫度的降低逐漸凍結(jié)為冰相，冰相凍結(jié)體的導(dǎo)熱系數(shù)大于空氣介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，因此炮孔底部的低溫會(huì)迅速向孔外傳導(dǎo)，但由于炮孔頂部的地表溫度相對(duì)固定，所以造成在孔深6 m以內(nèi)溫度顯著變化。

圖 7 炮孔成孔24 h內(nèi)溫度隨深度變化圖Fig. 7 Temperature change with depth within 24 hours of blasthole formation

4.2 不同滲流水速度作用下炮孔內(nèi)溫度分析

為進(jìn)一步探討不同滲流水速度作用下炮孔內(nèi)溫度的發(fā)展規(guī)律，在此模型上改變滲流水速度，分析流速為1 m/h、2 m/h、5 m/h、10 m/h時(shí)炮孔成孔3 h、8 h、12 h、24 h后孔內(nèi)溫度變化，如圖8所示。

圖 8 不同滲流速度作用下溫度分布Fig. 8 Temperature distribution under different seepage velocities

由圖8可見：①孔內(nèi)滲流水速度對(duì)炮孔內(nèi)24 h后的整體溫度分布有較大影響。在一定流速范圍內(nèi)，滲流水速度越快，炮孔內(nèi)整體溫度越低。由于礦區(qū)底部溫度低且較為恒定，因此滲流水速度主要影響深度較淺的孔區(qū)溫度，對(duì)于深度較深的炮孔溫度影響不大。②隨著炮孔內(nèi)溫度的降低，炮孔周邊巖體會(huì)隨滲流水的熱傳導(dǎo)作用溫度也相應(yīng)降低。③從二維角度分析，炮孔成孔后不同速度的滲流水對(duì)礦區(qū)表面初始溫度的影響范圍≤2 m，對(duì)炮孔周邊巖體的影響范圍≤3 m，滲流速度越快，影響范圍越大。

分析不同滲流速度作用下孔內(nèi)溫度隨時(shí)間變化規(guī)律及24 h時(shí)孔內(nèi)溫度，不同滲流水速度作用下溫度對(duì)比如圖9所示，不同滲流水速度作用下24 h時(shí)孔內(nèi)溫度如表2所示。

圖 9 不同滲流水速度作用下溫度對(duì)比Fig. 9 Temperature comparison under different seepage water velocities

表 2 不同滲流水速度作用下24 h時(shí)孔內(nèi)溫度

由圖9可見：①在炮孔成孔后的任意時(shí)刻，滲流水速度越快，孔內(nèi)溫度下降速度越快。②在不同滲流速度作用下，滲流速度越慢炮孔頂部溫度下降幅度越大，反之越小。當(dāng)滲流速度1 m/h時(shí)，炮孔頂端溫度在24h內(nèi)由277.92 K降為271.22 K，溫度下降幅度6.70K。滲流速度10 m/h時(shí)，炮孔頂端溫度在24 h內(nèi)由267.16 K降為263.10 K，溫度下降幅度4.06 K。

由表2可見：①當(dāng)滲流水為1 m/h時(shí)，孔內(nèi)整體溫度都已達(dá)到0℃(273.15 K)以下，此溫度極有可能導(dǎo)致孔內(nèi)裂隙水產(chǎn)生冰凍。②炮孔內(nèi)最低溫度位于炮孔最深處且溫度恒定，當(dāng)孔內(nèi)裂隙滲流水速度高于5 m/h時(shí)24 h后炮孔內(nèi)最大溫差將小于3 K，平均溫度為262.66 K，此時(shí)滲流水流速的增加對(duì)炮孔溫度變化影響不明顯。

4.3 不同初始地表溫度狀態(tài)下炮孔內(nèi)溫度分析

由于不同地表溫度對(duì)炮孔深度較淺區(qū)域溫度影響較大，因此研究初始地表溫度對(duì)炮孔溫度的影響范圍及效果。依次改變地表初始溫度為0℃(273.15 K)及10℃(283.15 K)，對(duì)裂隙水滲流速度為3 m/h的場(chǎng)區(qū)溫度進(jìn)行模擬，如圖10所示。對(duì)相同初始地表溫度狀態(tài)下不同時(shí)間炮孔內(nèi)溫度變化進(jìn)行對(duì)比，如圖11、圖12所示。

圖 10 不同初始地表溫度對(duì)炮孔溫度影響Fig. 10 The influence of different initial surface temperature on blasthole temperature

圖 11 地表初始溫度0℃(273.15 K)孔內(nèi)溫度變化Fig. 11 The initial temperature of the ground surface is 0℃(273.15 K) and the temperature change in the hole

圖 12 地表初始溫度10℃(283.15 K)孔內(nèi)溫度變化Fig. 12 The initial temperature of the ground surface is 10℃(283.15 K) and the temperature change in the hole

由圖10可見：①隨著初始地表溫度的上升，礦區(qū)深度在6 m內(nèi)區(qū)域溫度明顯升高，深度6 m以上區(qū)域溫度變化不明顯，即初始地表溫度對(duì)礦區(qū)溫度影響限一定范圍。②從地表初始溫度為0℃(273.15 K)及10℃(283.15 K)溫度影響范圍對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，地表溫度的升高會(huì)減弱滲流水對(duì)礦區(qū)溫度的影響范圍。

由圖11及圖12可見：①當(dāng)?shù)V區(qū)地表初始溫度為0℃(273.15 K)時(shí)，炮孔成孔3 h時(shí)整體溫度可達(dá)到零下，孔內(nèi)平均溫度265.39 K，距離炮孔深度4 m以外時(shí)溫度變化相對(duì)于4 m以內(nèi)較為明顯。炮孔成孔8 h后孔內(nèi)整體溫度變化減緩，最高溫度267.39 K，孔內(nèi)平均溫度264.44 K。12 h、24 h時(shí)炮孔平均溫度分別為264.14 K、263.74 K，溫度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定值。當(dāng)?shù)V區(qū)地表初始溫度為10℃時(shí)，礦區(qū)地表溫度與礦區(qū)底部溫度梯度大，因此地表傳熱現(xiàn)象較為顯著。②從炮孔成孔后的4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)可發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的增加，深度0～6 m處孔內(nèi)溫度受外界環(huán)境影響大，孔深6 m以下區(qū)域溫度基本保持穩(wěn)定。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與模擬對(duì)比分析

試驗(yàn)地點(diǎn)位于拉薩市墨竹工卡縣甲瑪露天礦海拔高度5120 m，天氣陰，溫度8～20℃，礦區(qū)頂平均氣溫6℃，最低溫度-2℃。

5.1 試驗(yàn)儀器及使用

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)(DTS)也稱為光纖測(cè)溫，主要原理以及喇曼(Raman)散射效應(yīng)和光時(shí)域反射(OTDR)對(duì)光纖溫度的感度實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。本試驗(yàn)采用測(cè)溫儀器為SG-DTS-84U光纖測(cè)溫系統(tǒng)，測(cè)溫系統(tǒng)需使用熔纖機(jī)將分布式光纖與SG-DTS-84U光纖測(cè)溫系統(tǒng)串聯(lián)，待測(cè)前利用紅光筆檢測(cè)光纖通路，確認(rèn)聯(lián)通后方可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過炮孔成孔后24 h內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與模擬對(duì)比分析。SG-DTS-84U光纖測(cè)溫系統(tǒng)如圖13所示，炮孔內(nèi)部圖如圖14所示，孔內(nèi)滲流水溢出圖如圖15所示。

圖 13 SG-DTS-84U光纖測(cè)溫系統(tǒng)Fig. 13 SG-DTS-84U Fiber Optic Temperature Measurement System

圖 14 炮孔內(nèi)部圖Fig. 14 Internal view of the blasthole

圖 15 孔內(nèi)滲流水溢出Fig. 15 Seepage water overflow in the hole

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及COMSOL-Multiphysics有限元數(shù)值模擬，得到24 h內(nèi)不同時(shí)間段炮孔內(nèi)溫度變化情況，對(duì)比圖如圖16所示，孔內(nèi)溫度誤差如表3所示。

圖 16 24 h內(nèi)不同時(shí)間段炮孔內(nèi)溫度對(duì)比圖Fig. 16 Comparison of the temperature in the blasthole at different time periods in 24 h

表 3 孔內(nèi)溫度誤差

由圖16可見：①炮孔成孔后，最低溫度一般為炮孔底部，孔底低溫通過孔內(nèi)滲流水逐漸向炮孔頂部擴(kuò)散，在成孔2 h時(shí)0℃深度約為4 m，成孔8 h左右0℃深度約為2～3 m，成孔16 h左右0℃深度約為2 m，成孔24 h后孔內(nèi)溫度可達(dá)到0℃(273.15 K)以下。②炮孔成孔后孔內(nèi)溫度在8 h后下降速率明減慢并逐漸趨于穩(wěn)定。

由表3可見：①實(shí)測(cè)溫度與模擬溫度在深度為0～4 m時(shí)溫差較大，最大溫差可達(dá)5 K，深度為4～18 m時(shí)誤差較小，一般不會(huì)高于2 K。這是因?yàn)樵诖松疃鹊目诇厥芡饨绛h(huán)境影響較大，且實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為高海拔地區(qū)，氣溫并不穩(wěn)定，而炮孔內(nèi)部溫度相對(duì)恒定，受外界因素干擾較小，因此接近地平面處孔溫會(huì)發(fā)生較大變化。

6 結(jié)論

以拉薩市墨竹工卡縣甲瑪?shù)V區(qū)為研究對(duì)象，使用有限元模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析了高原高寒地區(qū)炮孔成孔后孔內(nèi)溫度場(chǎng)變化規(guī)律，所得結(jié)論如下：

1)炮孔成孔后溫度變化主要受地層溫度影響，導(dǎo)致孔內(nèi)積水凍結(jié)，且炮孔溫度隨深度整體呈下降趨勢(shì)，初始地表溫度對(duì)炮孔上部的影響趨于一定范圍(≤6 m)，與炮孔上部(0～5 m)區(qū)域在受空氣對(duì)流熱通量耦合作用影響致使孔內(nèi)積水未達(dá)到凍結(jié)臨界狀態(tài)。

2)孔內(nèi)24 h后溫度變化主要由滲流水速度決定，但當(dāng)流速達(dá)到溫度影響流速閾值(5 m/h)時(shí)，滲流水速度對(duì)炮孔內(nèi)溫度變化影不再顯著。

3)炮孔成孔8 h后溫度場(chǎng)會(huì)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定值，裝藥更為合理，若因特殊原因無(wú)法在此時(shí)間內(nèi)裝藥，筆者會(huì)在今后的研究方案中提出應(yīng)對(duì)措施。

(感謝成遠(yuǎn)礦業(yè)開發(fā)股份有限公司及羅乃鑫、姚毅、唐玲彪、白宇在科研現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間給予的支持！)