徐宇 ，李孜軍，王君健，陳寅 ，劉華森，潘偉，賈敏濤

(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山，243000；3.新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 阿勒泰，836500)

高地溫?zé)岷栴}是制約深部礦產(chǎn)資源安全開采的重要因素之一，其不僅顯著增加了礦井開采難度和危險(xiǎn)性，同時(shí)也嚴(yán)重威脅井下工人的身體健康和生命安全[1-2]。傳統(tǒng)熱害治理方法在應(yīng)用于深部礦井時(shí)面臨成本高、冷量利用率低、設(shè)備維護(hù)困難、降溫效果不理想等問題[3-4]。“節(jié)源開流”的地?zé)嶂卫矸结樖怯行е卫砩畈康V井熱害的關(guān)鍵，而降低巷道圍巖溫度是有效控制井下熱源的重要途徑[5-6]。將礦井地?zé)崮茏鳛榈V井生產(chǎn)過程中的伴生資源進(jìn)行協(xié)同開采，在地?zé)崮荛_采過程中降低井巷圍巖和礦床溫度，起到礦井熱害治理的作用，為深部礦井熱害治理提供了新思路。礦井地?zé)衢_采獲取的熱能可用于礦區(qū)生產(chǎn)和生活，為礦井創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)收益。礦井地?zé)衢_采可用于資源開發(fā)與能源利用，是“變害為利，變廢為寶”的重要舉措。

謝和平等[7]指出深地礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采基礎(chǔ)理論是我國(guó)“十四五”期間需加強(qiáng)的關(guān)鍵共性基礎(chǔ)理論，是需要優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域。目前礦井地?zé)岬睦弥饕煞譃? 種形式：廢棄礦井地?zé)崂?、礦井余熱回收、礦產(chǎn)地?zé)釁f(xié)同開采。廢棄礦井地?zé)崂猛ǔＪ抢玫卦礋岜锰崛〉V井涌水熱能[8-9]。例如，荷蘭海爾倫市廢棄礦井地?zé)嵯到y(tǒng)可提供700 kW 的供熱功率[10]。礦井余熱回收主要是通過收集回風(fēng)井中乏風(fēng)熱量用于井口防凍、采暖等，在高寒地區(qū)利用價(jià)值顯著[11-12]。礦產(chǎn)地?zé)釁f(xié)同開采是在礦井開采礦產(chǎn)資源的同時(shí)，開采巖層或地下水中的熱能。萬志軍等[13]提出了煤-熱共采理論，指出煤炭開采過程中可與地?zé)衢_發(fā)和利用有機(jī)結(jié)合。ZHAO等[14]提出將傳統(tǒng)采礦掘進(jìn)爆破制裂技術(shù)與增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)結(jié)合，對(duì)地?zé)豳Y源進(jìn)行大規(guī)模的開采。劉浪等[15]提出對(duì)采空區(qū)進(jìn)行功能性、結(jié)構(gòu)性填充，利用充填材料開采礦井地?zé)?。李孜軍等[16-17]提出了礦產(chǎn)與地?zé)崮軈f(xié)同開采治理熱害的構(gòu)想，并建立了礦井巖層地?zé)崮軈f(xié)同開采多物理場(chǎng)耦合模型，對(duì)地?zé)衢_采采熱性能以及對(duì)井巷的降溫效果進(jìn)行了分析。

相似模擬是以相似理論、因次分析為依據(jù)的研究具體工程規(guī)律的一種重要實(shí)驗(yàn)方法，具有直觀、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、快速等優(yōu)點(diǎn)。胡耀青等[18]從固流耦合理論出發(fā)，推導(dǎo)出三維固流耦合作用下的相似模擬準(zhǔn)則。高陽等[19]采用相似實(shí)驗(yàn)研究了礦井巷道掘進(jìn)過程中含水構(gòu)造附近巖體滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。ZHANG等[20]建立了巷道圍巖溫度場(chǎng)相似試驗(yàn)方法，揭示了高地溫巷道圍巖溫度分布特征及其演化規(guī)律。CHEN等[21]利用礦井圍巖傳熱相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了單裂隙流對(duì)巷道圍巖溫度場(chǎng)的影響。

在“雙碳”目標(biāo)的背景下，礦井地?zé)衢_采逐漸被重視，礦產(chǎn)資源與地?zé)衢_采相結(jié)合的理念逐漸被大家認(rèn)可。然而，目前礦井地?zé)衢_采與利用的研究主要停留在理論層面上，相關(guān)科學(xué)技術(shù)研究較少。其主要原因有礦井地?zé)衢_采現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、試驗(yàn)周期長(zhǎng)，另外，地?zé)衢_采過程中即涉及巖層熱質(zhì)傳遞，又存在風(fēng)流與巷道圍巖非穩(wěn)態(tài)傳熱，是一個(gè)復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合過程，難以建立數(shù)值模型對(duì)該過程進(jìn)行準(zhǔn)確描述。本文作者擬基于相似原理、能量守恒方程、動(dòng)量平衡方程等推導(dǎo)出用于礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采相似模擬的相似準(zhǔn)則方程，搭建相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展相似實(shí)驗(yàn)，并開展實(shí)驗(yàn)案例研究。本研究為礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采提供研究手段與方法，可推動(dòng)我國(guó)淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)與利用，保障我國(guó)礦產(chǎn)資源綠色、安全、節(jié)能、高效開采。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采

高溫巖層雖然會(huì)引起礦井開采過程中的熱害問題，但它本質(zhì)上是一種體量龐大的地?zé)崮苜Y源。將礦井地?zé)嶙鳛榈V井生產(chǎn)過程中的伴生資源進(jìn)行合理開采，不僅能夠創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)收益，還能降低井巷圍巖與礦巖溫度，起到熱害治理的效果。礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采示意圖[15]如圖1 所示。礦井在探明深部巖層大熱流密度的高溫地?zé)醿?chǔ)存區(qū)后，在礦井進(jìn)風(fēng)主巷下方布置注入井。收集礦井內(nèi)低溫地質(zhì)涌水，并通過注入井注入巖層，在注入水流動(dòng)和巖層導(dǎo)熱作用下降低礦井主巷圍巖和礦巖溫度。當(dāng)進(jìn)風(fēng)主巷圍巖被冷卻時(shí)，流經(jīng)主巷后的風(fēng)流溫度降低，低溫風(fēng)流在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)將全面改善井下熱環(huán)境。在冷風(fēng)流與圍巖的對(duì)流換熱作用下，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中其他高溫巷道圍巖也將加速被冷卻。深部巖層中布置的熱生產(chǎn)井負(fù)壓抽采高溫巖層中的地質(zhì)熱水，并將抽取的熱水輸送至熱泵中轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崴?，然后將其輸送至地面用于生活和生產(chǎn)。而熱泵運(yùn)行過程中產(chǎn)生的低溫水則輸送至工作面用于降溫，冷水換熱后再輸送回蓄水池繼續(xù)用于巖層降溫采熱，如圖2所示。

圖1 礦井巖層地?zé)釁f(xié)同開采示意圖[15]Fig.1 Sketch map of synergetic mining of a mine geothermal energy system[15]

圖2 利用熱泵處理礦井水示意圖Fig.2 Sketch map of preprocessing of mine water using a heat pump

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

掌握礦井地?zé)衢_采過程中采熱流體流動(dòng)傳熱特征以及其對(duì)通風(fēng)巷道熱質(zhì)傳遞的影響是合理設(shè)計(jì)礦井地?zé)衢_采治理熱害工藝方法的前提和理論依據(jù)。然而，由于現(xiàn)場(chǎng)工程尺度大、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、礦井地質(zhì)條件復(fù)雜等原因使得礦井地?zé)衢_采難以開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采涉及熱-流-固多相/多場(chǎng)耦合，且邊界條件和初始條件復(fù)雜，通過數(shù)值模擬手段對(duì)該過程進(jìn)行描述存在較大難度。相似模擬試驗(yàn)是一種研究復(fù)雜物理現(xiàn)場(chǎng)的重要科學(xué)研究手段，其通過相似關(guān)系可得出原模型參數(shù)的變化規(guī)律。該方法具有節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本、縮短試驗(yàn)周期、降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、減少實(shí)驗(yàn)工作量等優(yōu)點(diǎn)。為此，本文設(shè)計(jì)礦井熱害治理協(xié)同地?zé)崂孟嗨颇M實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

在礦井地?zé)衢_采治理熱害過程中，既需考慮巷道通風(fēng)非穩(wěn)態(tài)傳熱，又要關(guān)注巖層內(nèi)流體流動(dòng)傳熱特征。因此，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需同時(shí)包含巷道通風(fēng)系統(tǒng)和地?zé)衢_采系統(tǒng)。結(jié)合礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采的構(gòu)想，本文設(shè)計(jì)礦井熱害治理協(xié)同地?zé)崂孟嗨颇M實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖3所示。相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由恒溫通風(fēng)系統(tǒng)、恒溫注水系統(tǒng)、負(fù)壓抽水系統(tǒng)、加熱控溫系統(tǒng)、測(cè)試箱體、多路溫度和壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、箱體保溫層等組成。通風(fēng)巷道布置于測(cè)試箱體上方，其余地方用巖石相似材料填充模擬礦井巖層。恒溫恒濕機(jī)向巷道內(nèi)輸送恒定溫度和風(fēng)速的氣流，利用溫度傳感器監(jiān)測(cè)巷道內(nèi)風(fēng)流溫度變化。在測(cè)試箱體上方靠近巷道附近布置冷水注入管路，并由恒溫水控制機(jī)提供恒定溫度和流速的冷水注入模擬巖層。測(cè)試箱體下方布置熱生產(chǎn)管路，通過微型水泵抽取模擬巖層中的熱水。抽水系統(tǒng)中布置溫度、壓力、流量等傳感器監(jiān)測(cè)抽采管路中的溫度和流量。測(cè)試箱體下方安裝加熱元件，在實(shí)驗(yàn)前將測(cè)試箱體內(nèi)的模擬材料加熱至模擬巖層溫度。測(cè)試箱體用保溫材料包裹，防止箱體向外界散失熱量。測(cè)試箱體內(nèi)布置多組溫度和壓力傳感器監(jiān)測(cè)采熱過程中巖層內(nèi)溫度和壓力變化。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)不同注水采熱管位置、注水流量和抽采壓力等參數(shù)分析地?zé)嵯到y(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)等對(duì)通風(fēng)巷道傳熱的影響。

圖3 礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Sketch map of simulation experiment system for synergetic mining of geothermal energy to heat hazard control

2 相似模擬實(shí)驗(yàn)方法

2.1 相似準(zhǔn)則

相似模擬實(shí)驗(yàn)是以相似理論作為依據(jù)，利用事物存在相似特征來研究工程規(guī)律的重要方法。根據(jù)相似定律，凡是彼此相似的現(xiàn)象，必定具有數(shù)值相同的相似準(zhǔn)則。因此，建立相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托枰葘?dǎo)出相似準(zhǔn)則，然后，根據(jù)相似準(zhǔn)則設(shè)定實(shí)驗(yàn)相關(guān)的物理量，使各實(shí)驗(yàn)參數(shù)變量與原模型參數(shù)均保持同一相似準(zhǔn)則。本文基于方程分析法，根據(jù)描述礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采過程的微分方程推導(dǎo)相似準(zhǔn)則，即根據(jù)原型和縮尺模型的兩組方程引入對(duì)應(yīng)量的比值，將比值代入原型方程并同縮尺模型方程相比較，按照兩組方程應(yīng)有相同形式的要求得出各項(xiàng)比例系數(shù)。

礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采涉及巷道內(nèi)風(fēng)流流動(dòng)、圍巖非穩(wěn)態(tài)傳熱以及巖層內(nèi)采熱流體流動(dòng)傳熱等現(xiàn)象。相似模擬既要保證巷道內(nèi)流場(chǎng)相似、圍巖傳熱相似，也要滿足礦井巖層滲流傳熱傳質(zhì)相似，描述該過程主要采用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程等控制方程。首先，巷道內(nèi)風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)利用納維-斯托克斯動(dòng)量方程(N-S 方程)進(jìn)行描述[22]：

式中：u為速度，m/s；t為時(shí)間，s；μ為流體動(dòng)力黏度，Pa·s；ρ為流體密度，kg/m3；Pa為氣體壓力，Pa。

縮尺模型與原型流動(dòng)相似，則各對(duì)應(yīng)方程表達(dá)式相同，因此各物理量相似比尺可由以下方程組確定：

礦井巖層內(nèi)流體流動(dòng)采用達(dá)西方程和連續(xù)方程描述。

達(dá)西方程為

式中：κ為巖層滲透率，m2；Pm為多孔介質(zhì)巖層內(nèi)滲流壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2。

連續(xù)方程為

式中：S為儲(chǔ)水系數(shù)，1/Pa；D為高程，m。

將達(dá)西方程帶入連續(xù)方程中，式(6)可寫成

因此，各物理量相似比尺可由以下方程組確定：

根據(jù)邊界條件方程為

式中：Qs為質(zhì)量源項(xiàng)，kg/(m3·s)。令，得

兩邊同時(shí)除以CQs得

物理量相似比尺可確定為

能量守恒控制方程為

式中：Kp為比熱容，J/(kg·K)；T為溫度，K；αt為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

各物理量相似比尺可確定為

綜上所述，要保證縮尺模型與原模型相似，則模型中各參數(shù)需同時(shí)滿足以下7個(gè)相似準(zhǔn)則，如表1所示。

表1 縮尺模型與原模型相似所需滿足的相似準(zhǔn)則Table 1 Similarity criterion between reduced-scale model and full-size model

2.2 相似比尺確定

基于前面推導(dǎo)得出的相似準(zhǔn)則，確定縮尺模型與原模型相似時(shí)各個(gè)參數(shù)之間的相似比尺，從而得出縮尺模型與原模型中速度、流量、壓力、降溫幅度、時(shí)間與礦井巷道通風(fēng)量、注水采熱流量、采注井壓力、巷道內(nèi)風(fēng)流降溫幅度、生產(chǎn)時(shí)間等參數(shù)的相互換算關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)過程中，縮尺模型材料參數(shù)與原模型中保持一致，即Cρ=Cμ=CS=Cαt=Cg=CKp=1，其余參數(shù)相似比如下。

1) 幾何相似比尺?？s尺模型中幾何參數(shù)按等比例縮小，假設(shè)幾何縮尺比為Cl=d。

2) 溫度相似比尺?？s尺模型中風(fēng)流溫度、巖層溫度、地層水溫度均與原模型溫度保持一致，即溫度參數(shù)縮尺比為1∶1。

3) 時(shí)間相似比尺。根據(jù)π8傅里葉準(zhǔn)則得出縮尺模型中時(shí)間縮尺比為Ct=C2lCρCKp/Cαt。故Ct=Cl2=d2，即縮尺模型中模擬時(shí)間1 h 當(dāng)于原模型中模擬時(shí)間d2h。

4) 速度相似比尺。由π2雷諾相似準(zhǔn)Re=ulρ/μ，Cu=Cμ/CρCl=1/d，即縮尺模型中流速是原型d倍。

5) 滲透率相似比尺。根據(jù)π4得知Cκ=CμCl2CS/Ct=1，則縮尺模型中巖層滲透率與原模型保持一致。

6) 壓力相似比尺。根據(jù)π5可得CP=CρCgCt/Cl2CS=Ct/Cl2=1，即縮尺模型壓力與原模型壓力相同。

7) 源匯相似比。根據(jù)π6，CQ=ClCρCκCP/Cμ=ClCκCP=d，即縮尺模型中質(zhì)量源項(xiàng)1 kg/s相當(dāng)于原模型中質(zhì)量源項(xiàng)dkg/s。

2.3 相似準(zhǔn)則驗(yàn)證

為驗(yàn)證相似準(zhǔn)則準(zhǔn)確性，利用COMSOL 數(shù)值模擬軟件分別建立2個(gè)不同尺寸的幾何模型進(jìn)行計(jì)算求解，原模型幾何如圖4 所示。原模型長(zhǎng)度×寬度×高度為100 m×80 m×90 m，巷道風(fēng)流初始速度為0.3 m/s、溫度為20 ℃、注入井流量為1.13 L/s、注水溫度為20 ℃、生產(chǎn)井壓力為-100 Pa。按1∶100 對(duì)原模型幾何尺寸進(jìn)行縮小，縮尺模型中相關(guān)參數(shù)按2.2節(jié)相似比尺進(jìn)行計(jì)算，最終縮尺模型與原模型參數(shù)如表2 所示。2 種尺寸模型的實(shí)驗(yàn)時(shí)間相似比為1×104，即當(dāng)原模型模擬時(shí)間為8 a，縮尺寸模型模擬時(shí)間約為7 h。

表2 縮尺寸模型與原模型參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of parameters between the reduced-scale model and full-size model

圖4 原模型幾何模型Fig.4 Full-size model geometric model

圖5所示為2種尺寸模型下巷道通風(fēng)以及巖層注水采熱下風(fēng)流溫度、采熱流量以及巖層中溫度分布的計(jì)算結(jié)果。從圖5(a)可以看出：盡管2個(gè)模型的巷道尺寸和風(fēng)流速度不同，但巷道末端平均風(fēng)流在原模型時(shí)間0～8 a間的變化規(guī)律與縮尺寸模型時(shí)間0～7 h間的變化規(guī)律一致，這說明縮尺模型能夠準(zhǔn)確反映通風(fēng)巷道傳熱特征。圖5(b)所示為2種尺寸下的熱生產(chǎn)井的生產(chǎn)流量，可以看出縮尺模型中熱生產(chǎn)井生產(chǎn)流量變化趨勢(shì)與原模型的一致，且縮寸模型中生產(chǎn)流量是原模型的1/100，符合相似比尺。根據(jù)時(shí)間相似比，原模型中3 a大致相當(dāng)于縮尺模型中2.6 h，圖5(c)與圖5(d)所示分別為2個(gè)時(shí)間尺度下原模型與縮尺模型巖層內(nèi)溫度分布。對(duì)比圖5(c)與圖5(d)可以看出2 個(gè)不同幾何尺寸模型在對(duì)應(yīng)時(shí)間尺度下巖層溫度分布一致，因此，縮尺模型能夠準(zhǔn)確描述原模型巖層中流體流動(dòng)傳熱。綜上所述，本文建立的礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采的相似準(zhǔn)則是準(zhǔn)確的。

圖5 原模型與縮尺寸模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of calculation results between reduced-scale model and full-size model

3 相似模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

基于建立的礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采相似準(zhǔn)則，搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原模型幾何相似比為1∶100的相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。礦井熱害治理協(xié)同地?zé)崂孟嗨颇M實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括實(shí)驗(yàn)測(cè)試箱、風(fēng)機(jī)、恒溫水溫控機(jī)、微型水泵、溫度和壓力傳感器、加熱溫控元件、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)箱體長(zhǎng)度為1.0 m、寬度為0.8 m、高度為0.9 m，可模擬長(zhǎng)度×寬度×高度為100 m×80 m×90 m 的地質(zhì)巖層。以橫截面積為19.62 m2的通風(fēng)巷道為原型，制作半徑為2.5 cm、圍巖厚度2 cm 的圓形水泥管作為實(shí)驗(yàn)通風(fēng)巷道。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原模型時(shí)間相似比Ct=Cl2=10 000，因此，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭? h 相當(dāng)于原模型中416.67 d；速度相似比Cu=1/100，即實(shí)驗(yàn)中速度是原模型100倍；注水井中注水量相似比CQ=100，故實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭凶⑺繎?yīng)為原模型注水量的1/100；壓力相似比CP=1，抽采井中抽采壓力與原模型的保持一致。

圖6 礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Simulation experiment platform for synergetic mining of geothermal energy of heat hazard control

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采相似模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟如下：1) 開啟測(cè)試箱體加熱系統(tǒng)將箱體內(nèi)溫度加熱至模擬巖層溫度；2) 啟動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄巖層溫度、巷道風(fēng)流溫度、注入井和抽采井中壓力、溫度和流量等參數(shù)；3) 待巖層內(nèi)溫度穩(wěn)定后，開啟通風(fēng)系統(tǒng)向巷道內(nèi)輸送恒定溫度和速度的空氣；4) 設(shè)定恒溫水控制機(jī)溫度，向注水管內(nèi)注入恒定溫度和流量的水；5) 開啟微型水泵負(fù)壓抽取巖層中的水；6) 巷道圍巖冷卻后關(guān)閉恒溫水控制機(jī)停止向巖層內(nèi)注水；7) 停止微型水泵和通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行；8) 將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

3.3 實(shí)驗(yàn)案例

基于搭建的礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展相似模擬實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)巷道圍巖初始溫度為40 ℃，巷道風(fēng)流初始溫度為16.6 ℃，風(fēng)速為8.3 m/s，總通風(fēng)時(shí)間為160 min。相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)注水井和生產(chǎn)井位置布置如圖7 所示。由圖7 可知：注水井平行于通風(fēng)巷道，位于巷道中心軸線右側(cè)10 cm處，生產(chǎn)井水平布置于巷道中央下方40 cm位置。在實(shí)驗(yàn)過程中，巷道通風(fēng)5 min后，注水井開始向巖層內(nèi)開始注入流量為1 L/min、溫度為20 ℃的恒溫水；實(shí)驗(yàn)50 min時(shí)生產(chǎn)井開始抽取巖層中的水；59 min時(shí)注水井停止注水；160 min后停止生產(chǎn)井抽水以及巷道通風(fēng)。

圖7 相似模擬實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)注水井和抽采井布置位置Fig.7 Layout position of injection well and production well in simulation experiment equipment

在實(shí)驗(yàn)過程中，通風(fēng)巷道風(fēng)流溫度隨時(shí)間變化如圖8所示。在巷道通風(fēng)過程中，巷道出口端風(fēng)流溫度隨時(shí)間快速降低，在59 min 停止注水后，巷道出口端風(fēng)流溫度趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)22 min 時(shí)，巷道出口端風(fēng)流溫度降溫速率增大，這是巖層注水冷卻巷道圍巖導(dǎo)致的，而在此之前巷道出口端風(fēng)流溫度降低是由于風(fēng)流與巷道圍巖換熱冷卻圍巖溫度。也就是說，巖層注水對(duì)巷道風(fēng)流降溫影響在巖層注水17 min后開現(xiàn)。圖9所示為巖層內(nèi)與巷道不同距離的測(cè)點(diǎn)溫度變化。在巖層注水采熱時(shí)，巖層上方靠近注入井的測(cè)點(diǎn)溫度變化最快，降溫幅度最明顯。例如，距離巷道中線垂直下方5 cm 處1 號(hào)測(cè)點(diǎn)處在注水5 min 后溫度開始顯著降低，在實(shí)驗(yàn)59 min 時(shí)溫度下降至21.9 ℃。而距離巷道中線25 cm 處的3號(hào)測(cè)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)30 min時(shí)才開始明顯降溫。距離注水井最遠(yuǎn)的5號(hào)測(cè)點(diǎn)處，在生產(chǎn)井未開始抽取熱水前，溫度沒有發(fā)生變化，而生產(chǎn)井開始抽取熱水后，測(cè)點(diǎn)處溫度開始降溫，這說明生產(chǎn)井抽水促進(jìn)了巖層內(nèi)水流動(dòng)，增強(qiáng)了巖層內(nèi)熱質(zhì)傳遞，導(dǎo)致降溫區(qū)域加速擴(kuò)大。當(dāng)注入井停止注水后，顯著降溫的1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)測(cè)點(diǎn)在熱傳導(dǎo)作用下溫度逐漸回升。在圍巖被風(fēng)流冷卻下，更靠近巷道的1號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度回升幅度小于2號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度回升幅度?；谝陨戏治隹芍瑤r層注水采熱對(duì)巷道風(fēng)流溫度的影響可以分為3 個(gè)階段：通風(fēng)換熱階段(巷道圍巖與風(fēng)流換熱被冷卻)、圍巖快速降溫階段(巷道圍巖被巖層注水快速降溫)、風(fēng)流溫度穩(wěn)定階段(巷道圍巖與風(fēng)流之間熱交換達(dá)到平衡狀態(tài))。

圖8 巷道進(jìn)出口風(fēng)流溫度隨時(shí)間的變化Fig.8 Relationship between airflow temperature and time at inlet and outlet of roadway

圖9 巖層內(nèi)與巷道不同距離的測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化Fig.9 Relationship between temperature of measuring points and time in strata at different distances from roadway

圖10所示為實(shí)驗(yàn)過程中巷道中心軸線下方巖層豎直截面溫度分布。從圖10 可見：在實(shí)驗(yàn)50 min時(shí)，巖層內(nèi)主要降溫區(qū)域出現(xiàn)在巖層上方注入井附近；當(dāng)生產(chǎn)井開始抽取巖層水，巖層上方中的水加速向下方巖層流動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)59 min 時(shí)上方巖層降溫區(qū)域顯著擴(kuò)大；隨著生產(chǎn)井繼續(xù)抽采，巖層熱量被水帶走，下方巖層溫度逐漸下降，而上方巖層在其他高溫圍巖的導(dǎo)熱下，低溫區(qū)域溫度出現(xiàn)回升；最終在實(shí)驗(yàn)160 min時(shí)，巖層內(nèi)溫度分布較為均勻，整個(gè)截面溫度均明顯降低。圖11 所示為生產(chǎn)井水溫及產(chǎn)水量隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖11 可知：由于生產(chǎn)井附近巖層溫度逐漸降低，生產(chǎn)井中抽采熱水溫度隨生產(chǎn)時(shí)間逐漸下降，由剛開始的41.3 ℃降低至39.0 ℃。生產(chǎn)井在剛開始抽采時(shí)產(chǎn)水流量較大，但由于注入井停止注水，巖層中含水量減小，導(dǎo)致生產(chǎn)井中產(chǎn)水流量隨時(shí)間逐漸降低。最終，生產(chǎn)井抽水115 min累計(jì)產(chǎn)水量為37.54 kg。

圖10 巷道中心軸線下方巖層豎直截面溫度分布Fig.10 Temperature distribution in vertical section of rock strata below the central axis of roadway

圖11 生產(chǎn)井中水溫及產(chǎn)水量隨時(shí)間的變化Fig.11 Change of water temperature and water production rate in production well with time

圖12 所示為有無注水采熱情況下巷道內(nèi)風(fēng)流升溫幅度隨通風(fēng)時(shí)間的變化。從圖12 可見：在無巖層注水采熱時(shí)，巷道內(nèi)風(fēng)流升溫幅度隨圍巖冷卻緩慢減小，而當(dāng)巖層注水采熱時(shí)，巷道內(nèi)風(fēng)流升溫幅度在巖層注水階段快速降低，在停止注水后巷道內(nèi)風(fēng)流保持較小的升溫幅度；巖層注水54 min后，巷道內(nèi)風(fēng)流升溫幅度比不注水的情況下小1.5 ℃。巖層注水采熱可以顯著減小巷道圍巖向風(fēng)流釋放的熱量，改善巷道內(nèi)熱環(huán)境。

圖12 注水采熱對(duì)巷道內(nèi)風(fēng)流升溫幅度變化的影響Fig.12 Influence of water injection and heat recovery on heating amplitude of air flow in roadway

4 結(jié)論

1) 礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采相似實(shí)驗(yàn)需滿足以下相似準(zhǔn)則：、。在原模型與縮尺模型幾何相似比Cl=d的情況下，時(shí)間相似比、速度相似比、滲透率相似比、壓力相似比和源匯項(xiàng)相似比分別為d2、1/d、1、1、d。

2) 基于相似準(zhǔn)則，搭建了幾何比為1:100的礦井熱害治理協(xié)同地?zé)衢_采相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可模擬巖層地?zé)衢_采時(shí)巷道通風(fēng)換熱和巖層內(nèi)熱質(zhì)流動(dòng)傳熱過程，確定合適巖層注水采熱位置、流量、時(shí)間等參數(shù)。

3) 巖層注水過程中能快速降低注入井附近巖層溫度，但對(duì)下部巖層影響較小。但當(dāng)生產(chǎn)井抽水采熱時(shí)將增強(qiáng)巖層內(nèi)熱傳遞，使巖層內(nèi)降溫區(qū)域擴(kuò)大。當(dāng)巖層注水54 min，相比于巖層不注水采熱，巷道內(nèi)風(fēng)流升溫幅度減小1.5 ℃。

4) 巖層注水采熱對(duì)巷道風(fēng)流溫度的影響可以分為3 個(gè)階段：通風(fēng)換熱階段(巷道圍巖被風(fēng)流逐漸冷卻，風(fēng)流升溫幅度緩慢減小)、圍巖快速冷卻階段(巷道圍巖被注入巖層的冷水快速降溫，巷道內(nèi)風(fēng)流升溫幅度加速降低)、風(fēng)流溫度穩(wěn)定階段(注入井停止注水，巷道圍巖向風(fēng)流釋放的熱量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))。