风温周期性变化的传热数学模型的构建及隔热材料的试验研究

摘要

当下，煤矿机械制冷技术已经发展较为成熟，在解决矿井围岩原始温度高所导致的热害问题方面取得了一定成就，但这种依托于大型制冷设备与资金投入的耗能降温方式短时间内难以再取得突破性的发展。面对矿井的高温作业环境，已知的降温方式主要有通风、制冷、隔热、个体防护等，在其他三种降温方式的发展受限的情况下，急需一种新型且低成本的降温技术去解决热害问题，隔热材料的优越的性能及其在生活中的广泛应用引起了煤矿行业的关注。矿用隔热材料主要是对高温矿井巷道围岩的散热起到一定的控制作用，在单位时间内延迟围岩热量传递到巷道风流中。　　首先，从巷道传热理论开始研究。首先建立了巷道传热物理模型以减小数学模型建立和数值计算时带来的工作量；然后基于巷道传热物理模型以及能量守恒微分方程，利用传热学基本知识，建立了径向一维非稳态数学模型；接下来通过周期函数数学通式对矿井巷道流经的风流呈现周期性变化进行了描述，基于描述风流周期性变化的数学通式对模型定解条件进行了分析，利用了傅里叶定律以及热传导问题的第三类边界条件，建立了周期性风流温度变化的围岩传热数学模型；最终求解出了受风流温度周期性变化的巷道壁面温度表达式、围岩散热量的表达式以及巷道轴向风温预测表达式。在理论分析基础上，得到了巷道围岩散热非稳态数学模型的主要影响因素并对其进行了分析。此外，主要针对矿用隔热材料进行研究。首先基于煤矿井下的特殊环境，提出了若干矿用隔热材料的适用性要求，根据要求选定了无机隔热材料作为矿用隔热材料，并对这种材料的隔热机理进行了分析；然后利用无机隔热材料(玄武岩纤维、玻璃纤维)与多孔材料(玻化微珠、高强陶粒)，配合胶凝材料、骨料和其他外加剂进行预试验确立合适的比例混合以制作相应的隔热材料；接着使用混合材料制作了试验试件，一定条件下的养护后，对试验试件进行了导热系数测试以及抗压强度测试，最终经过对比选定掺和玄武岩纤维的试验材料综合性能最为优越，选择为矿用隔热材料。　　基于以上，运用周期性风流温度变化的围岩传热数学模型计算某矿某段巷道的周期性风流温度变化、数值模拟喷射混凝土的巷道风流温度场变化情况；基于以上的基础，去除普通混凝土而在模拟中重新设置试验所得的具有隔热材料性能参数的隔热层，再次数值模拟巷道风流温度场变化情况；通过对比，验证了隔热材料对高温井巷围岩散热控制效果的优越性。新矿用隔热材料的研发对矿井热害控制具有重要意义，并为该方向的研究提供了一定的参考价值。

目录

声明

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 高温矿井热害防治技术的研究

1.2.1 概述

1.2.2 国内外高温矿井降温技术发展概况

1.3 巷道围岩散热基础理论的研究

1.4 矿井隔热材料的性能与应用研究

1.5.1 主要研究内容

1.5.2 研究方法与研究路线

2 高温矿井巷道围岩热传导机理理论研究

2.1 矿井主要热源概述

2.2 围岩热量的来源

2.2.1 地球内部热量

2.2.2 地表温度场

2.3 矿井传热学基本理论

2.3.1井下热传递的基本方式

2.3.2 围岩调热圈

2.3.3 围岩与风流间的换热特性

2.4 本章小结

3 风流温度周期性变化的围岩传热数学模型的研究

3.1 围岩传热数学模型概述

3.2 周期性变化的巷道围岩散热数学模型的构建

3.2.1 巷道围岩传热的物理模型

3.2.2 径向一维非稳态传热数学模型的构建

3.2.3 求解条件与风流温度周期性变化研究

3.3 数学模型中主要影响因素分析

3.4 本章小结

4 矿用隔热材料适用性及其隔热机理分析

4.1 矿井隔热材料概述

4.1.1 无机隔热材料

4.1.2 有机隔热材料

4.2 矿用隔热材料适用性要求分析

4.3 矿用隔热材料的选择及其隔热机理

4.3.1 矿用隔热材料的选择

4.3.2 矿用隔热材料的隔热机理

4.4 本章小结

5 矿用隔热材料的试验研究

5.1 试验材料的选择

5.1.1 骨料

5.1.2 掺合料

5.1.3 胶凝材料

5.1.4 外加剂

5.2 试验试件的制作

5.2.1 试验设计

5.2.2 试验步骤

5.3 试件的导热系数测定试验

5.3.1 试验设计与步骤

5.3.2 试验数据统计与分析

5.4 试件的抗压强度测定试验

5.4.1 试验设计与步骤

5.4.2 试验数据统计与分析

5.5 本章小结

6 隔热材料对高温井巷围岩散热控制效果的模拟验证

6.1 巷道周期性风流温度变化数学通式

6.2 巷道相关表征参数

6.3 矿用隔热材料隔热效果模拟验证

6.3.1 模型的建立与网格的划分

6.3.2 定解条件的设置

6.3.3 矿用隔热材料隔热效果模拟结果及分析

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 研究展望

参考文献

附录

作者简历

致谢

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