高温裂隙水作用下巷道风流温湿度场变化规律实验研究

摘要

随着中国东部及中部部分矿井进入深地开采，高温热害问题日益严重，不仅对矿井工人身心健康造成巨大危害，而且严重制约了矿井的正常生产。深井开采通风线路长，巷道暴露面积大，巷道围岩与风流之间存在复杂的热湿交换，矿井现场实测及研究表明，围岩放热是造成深部矿井热害的主要因素，深循环地下水上涌是影响风流温湿度场的重要因素。论文采用现场实测、理论分析、物理模拟相结合的方法，对高温裂隙水作用下巷道风流温湿度场变化规律进行研究，具体研究工作包括以下几个方面： （1）建立了裂隙水渗流作用下巷道热湿交换数学模型。 实测了矿井风流热力学参数，分析了夏季、冬季矿井风流沿程温湿度变化特征；总结了国内典型高温热害区矿井地温数据，探讨了高温异常区形成原因，分析了裂隙内流体沿地层垂直运移时温度影响因素；对深循环上升地下水引起的高热异常矿井的热湿源进行了分析，建立了热湿巷道热湿交换数学模型并推导出湿润巷道换热量计算方法。 （2）改造升级了高地温巷道热湿环境相似模拟实验系统。 在课题组自主研制的高地温巷道热湿环境相似模拟实验系统的基础上，研制了裂隙水渗流套管、大流量水流恒温控制装置等，使该实验系统可用于研究高温裂隙水作用下风流温湿度场的变化规律。 （3）研究了高温裂隙水作用下巷道风流温湿度场变化规律。 研究了不同流量、不同温度裂隙水条件下巷道风流温湿度场的变化规律。研究表明：①在风流稳定段，入口风流相对干燥（相对湿度20%）情况下，高温裂隙水涌入巷道对巷道风流温度影响并不明显，风流的显热交换基本不变，风流与高温裂隙水的热交换以潜热交换为主；②高温裂隙水作用下，巷道风流稳定段的水蒸气焓值增长和湿空气焓值增长与裂隙水入口温度及入口流量具有很强的正相关性，且与裂隙水入口温度的变化量近似呈现指数关系，与裂隙水入口流量呈现明显的线性关系。研究结果对矿井热害防治及井下风流温湿度场预测具有极高的参考价值。

目录

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1.1 深部矿产资源开发及热害现状

1.1.2 矿井热害的危害

1.1.3 课题提出意义

1.2.1 巷道围岩温度场研究现状

1.2.2 裂隙岩体渗流传热研究现状

1.2.3 巷道风流与围岩热湿交换研究现状

1.3.1 研究内容与方法

1.3.2 技术路线图

2 矿井风流热力学参数实测分析与热湿交换模型

2.1风流热力学参数及计算公式

2.1.1 温度

2.1.2 湿度

2.1.3 空气密度

2.1.4 焓

2.2.1 实测数据

2.2.2 冬季实测矿井分析

2.2.3 夏季实测矿井分析

2.3 高地温矿井地温测试仪的研制和地温数据统计

2.3.1 高地温矿井地温测试系统

2.3.2 地温数据统计分析

2.4 深循环上升地下水引起的高热异常矿井巷道的热湿源分析

2.4.1 热源分析

2.1.2 湿源分析

2.5.1 巷道围岩与风流传热传质理论

2.5.2 巷道热湿交换数学模型

2.5.3 湿润壁面换热量计算方法

2.6本章小结

3 巷道围岩裂隙水渗流传热传质实验装置

3.1相似模拟实验的目的

3.2.1 物理现象相似定义

3.2.2 相似原理

3.3高地温巷道热湿环境实验系统

3.3.1 巷道主体部分

3.3.2 巷道相似围岩制备系统

3.3.3 巷道围岩温度控制系统

3.3.4 风流控制系统

3.3.5 裂隙水恒流恒温控制系统

3.3.6 数据采集系统

3.4实验模型及裂隙水注入系统

3.4.1 单裂隙渗流实验模型

3.4.2 裂隙水恒流恒温控制系统注入系统方案

3.4.3 裂隙水注入系统管路设计

3.5本章小结

4 风流温湿度场变化规律实验研究

4.1单裂隙相似模拟围岩的制备

4.2温度湿度传感器的布置

4.3.1 实验方案

4.3.2 实验步骤

4.4.1 裂隙水作用期间风流温度变化规律

4.4.2 裂隙水作用期间风流相对湿度变化规律

4.4.3 裂隙水作用下风流能量变化规律

4.5高温裂隙水作用下巷道风流参数变化规律总结

4.6本章小结

5 主要结论及展望

5.1 主要结论

5.2 展望

参考文献

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