渗流作用下深部矿场采动围岩的传热机理研究
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摘要
随着煤矿、冶金等矿山的深部开采,高温害的威胁日益严峻,由此带来的井下工作条件恶化、支护结构养护、引起煤层发火以及阻碍井下救援工作等潜在威胁迫切需要解决,因此,伴随着矿场的深部开采和地热资源的开发利用,深部岩体传热机理的研究具有很强的实际意义。目前,对深部岩体渗流场与温度场的研究已成为工程界内非常关注的问题之一,它是影响工程正常运转和工程安全性的重要因素,被广泛应用于工程各领域。
本文从采动裂隙岩体的渗透特性及传热特性理论出发,将渗流理论与传热学相结合,建立了单裂隙渗流模型及耦合基本方程,并运用有限元数值模拟软件,进行了瞬态温度场模拟;在此基础上,建立了裂隙岩体的耦合传热模型,然后采用导热微分方程描述了裂隙岩体的温度场分布,并用加权余量的Galerkin法对岩体热传导方程进行了离散,结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流固耦合传热进行了数值求解,为分析三维渗流作用下深部岩体的传热机理奠定了基础。其次,通过分析深部岩体地下温度场分布及三维裂隙岩体中渗流场、岩块温度场和水流温度场的相互作用关系,推导了三者的耦合方程,建立了渗流作用下采动围岩传热数学模型,并讨论了这种耦合模型的求解思路。采用有限元数值软件,在原有模块的基础上,对相关模型做了改进,从而实现了该耦合问题的有限元求解。最后,结合潘西煤矿地温监测资料验证模型的有效性。
As the coal and metallurgical mine are mining deeply, the threat of high temperature are increasingly serious. At the same time it brings all kinds of problems,such as deterioration in working conditions, the curing of supporting structure, coal combustion and underground rescue, which need to work out. Thus,accompanied by the deep mine exploitation and development, utilization of geothermal resource, the mechanism of heat transfer on deep rock has a strong practical significance. Currently, research of seepage and temperature fields in deep rock is one of the issues of the engineering field, which is one important factor about normal operation and security of project and is widely used in engineering fields.
The paper is based on the permeability of fractured rock mass and heat transfer of theory. The model of a single fracture flow and basic coupling equation is setted up based on heat transfer and seepage theory. Transient temperature field is simulated by using finite element software. On this basic, the coupling model of heat-transfer is established. Temperature field distribution of fracture rock is described by using heat-transfer differential equation. At the same time, the heat-transfer equation is discretized by using weighted residual Galerkin finite element. Combined with boundary condition and parameters, the numerical solution is obtained, which lays a foundation for three-dimensional coupled seepage-temperature.Sceond, by analyzing the temperature distribution of deep rock , action mechanism of three dimensional seepage field, rock block field and flow temperature field in fractured rock mass, their coupling effect has been deduced. The model of heat transfer in deep rock is established under the action of seepage. At the same time, a preliminary solving approach is also discussed. Basing on default models in finite element software, I make some improvements in order to solve the coupling problem. Finally, the validity of the model is verified by the temperature of monitoring data on Paxi mine.
本文从采动裂隙岩体的渗透特性及传热特性理论出发,将渗流理论与传热学相结合,建立了单裂隙渗流模型及耦合基本方程,并运用有限元数值模拟软件,进行了瞬态温度场模拟;在此基础上,建立了裂隙岩体的耦合传热模型,然后采用导热微分方程描述了裂隙岩体的温度场分布,并用加权余量的Galerkin法对岩体热传导方程进行了离散,结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流固耦合传热进行了数值求解,为分析三维渗流作用下深部岩体的传热机理奠定了基础。其次,通过分析深部岩体地下温度场分布及三维裂隙岩体中渗流场、岩块温度场和水流温度场的相互作用关系,推导了三者的耦合方程,建立了渗流作用下采动围岩传热数学模型,并讨论了这种耦合模型的求解思路。采用有限元数值软件,在原有模块的基础上,对相关模型做了改进,从而实现了该耦合问题的有限元求解。最后,结合潘西煤矿地温监测资料验证模型的有效性。
As the coal and metallurgical mine are mining deeply, the threat of high temperature are increasingly serious. At the same time it brings all kinds of problems,such as deterioration in working conditions, the curing of supporting structure, coal combustion and underground rescue, which need to work out. Thus,accompanied by the deep mine exploitation and development, utilization of geothermal resource, the mechanism of heat transfer on deep rock has a strong practical significance. Currently, research of seepage and temperature fields in deep rock is one of the issues of the engineering field, which is one important factor about normal operation and security of project and is widely used in engineering fields.
The paper is based on the permeability of fractured rock mass and heat transfer of theory. The model of a single fracture flow and basic coupling equation is setted up based on heat transfer and seepage theory. Transient temperature field is simulated by using finite element software. On this basic, the coupling model of heat-transfer is established. Temperature field distribution of fracture rock is described by using heat-transfer differential equation. At the same time, the heat-transfer equation is discretized by using weighted residual Galerkin finite element. Combined with boundary condition and parameters, the numerical solution is obtained, which lays a foundation for three-dimensional coupled seepage-temperature.Sceond, by analyzing the temperature distribution of deep rock , action mechanism of three dimensional seepage field, rock block field and flow temperature field in fractured rock mass, their coupling effect has been deduced. The model of heat transfer in deep rock is established under the action of seepage. At the same time, a preliminary solving approach is also discussed. Basing on default models in finite element software, I make some improvements in order to solve the coupling problem. Finally, the validity of the model is verified by the temperature of monitoring data on Paxi mine.
引文
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