深井巷道熱濕傳遞規律及壁面隔阻降溫機理研究

《深井巷道熱濕傳遞規律及壁面隔阻降溫機理研究》是依託中國礦業大學，由王義江擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：深井巷道熱濕傳遞規律及壁面隔阻降溫機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王義江
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

繼瓦斯、煤塵、頂板、水災和火災事故後，熱害已成為威脅煤礦安全生產的第六大災害，且隨著開採深度的不斷增加有日趨嚴重的趨勢。項目以熱害治理為工程背景，針對深部熱環境高溫、高濕的特點，基於當前降溫系統大投入、高耗能的現狀，緊緊圍繞圍岩壁面熱濕輸運及阻斷機理這一關鍵科學問題，通過物理模擬試驗、試樣試驗、理論分析及數值模擬相結合的方法，研究裂隙岩體熱物理及滲透性質，獲得等效導熱係數變化及非達西滲流規律；研究含濕圍岩體熱量與水分輸運特性，建立熱濕耦合傳遞方程並深入分析巷道壁面熱濕傳遞規律；研究巷道壁面阻熱隔濕機理和分析壁面散熱與散濕量，獲得巷道內風流溫濕度變化規律，同時研製低導熱係數和低滲透係數的泡沫材料並測試其隔熱阻濕效果，為深部熱害治理技術的研究及工程套用提供可靠的理論支持和科學依據。

結題摘要

針對深部礦井巷道內高溫高濕的特點，進行了三個方面的研究：孔隙介質熱物性、含濕巷道圍岩傳熱傳質規律以及隔熱材料和隔熱效果分析。第一根據有效導熱係數的定義和熱阻模擬方法，計算了乾燥破碎煤體的導熱係數，與實測值吻合；對於孔隙岩體，模擬了不同孔隙率條件下孔隙規則分布與隨機分布兩類模型的穩態熱傳導。結果表明等效導熱係數與固體基質率之間呈雙對數線性關係，擬合指數符合Archie定律；含小孔隙且未集中分布的岩體導熱係數是各向同性的。第二針對深部巷道濕壁巷道與風流間非穩態傳熱傳質問題，研究發現在瞬態傳熱傳質試驗初始階段，巷道圍岩溫度迅速降低，此後降幅趨緩並逐漸穩定為定值。水分擴散半徑要比熱擾動半徑小，濕壁巷道的出風口焓值要遠遠高於乾燥巷道，水分傳遞引起的潛熱在深部熱環境中具有重要作用。周期性傳熱發現，巷道風流的溫度、濕度和焓值以及圍岩溫度均呈現周期性變化。距離壁面越遠的位置，巷道圍岩溫度波動幅度越小，且巷道溫度波相位滯後於風流。第三研究了隔熱材料的力學性質，發現抗壓強度與乾密度呈指數關係；水灰比對纖維最優添加量有一定影響。對低乾密度泡沫混凝土，添加短纖維對抗壓、抗拉強度提升明顯，最高增幅分別為180%和86%；網狀纖維對抗壓、抗拉強度的提升優於絲狀纖維；添加纖維後泡沫混凝土彈性模量和峰後殘餘強度分別為原來的4倍和2倍。隔熱材料導熱係數與乾密度也呈指數關係，且隨含水率增大迅速增加，增幅主要受孔隙率決定。求解了巷道隔熱層瞬態傳熱方程，計算發現鋪設隔熱層後圍岩原始溫度受到風流擾動顯著降低，通風5年時未隔熱巷道傳熱量為鋪設隔熱層的1.6倍；巷道/隔熱層熱阻與隔熱層鋪設厚度呈線性變化，隨著鋪設厚度增加熱阻迅速增加，同時換熱強度不斷降低。當巷道鋪設雙隔熱層時，熱阻與厚度間仍呈線性關係且與順序無關。巷道/隔熱層熱阻受導熱係數小的材料影響更大。隔熱層厚度增加後，傳熱係數對傳熱量影響也逐漸降低。數值計算發現，一定長度的巷道壁面與風流溫度沿軸向呈線性增加，但兩者增加率並不相同。鋪設隔熱層的軸向風流溫升率明顯低於未鋪設時；巷道風速越高、巷道尺寸越大、原始圍岩溫度越低、冷卻半徑越大，出風口風流溫升越小。項目研究所獲得的結論，可為高溫高濕礦井採用壁面隔熱阻濕技術實現熱環境改善提供一定參考。