围岩温度对巷道变形规律的影响

内容摘要“三高一时效”是深部巷道工程重要特点,它严重影响巷道围岩的力学响应。高地温是其中一个非常重要特点, 温度的变化会影响到岩体的性质[ 1] 。在温度作用下岩体内部可能出现促使应变产生或发展的各种热效应, 以及能引起岩石相变的应力张弛。一般来说, 随着温度的增高, 岩石的延性加大, 屈服点降低, 强度也降低, 从而影响巷道围岩的稳定性[ 2] 。温度场对深部巷道围岩应力产生重要影响, 同样温度的作用必将影响巷道围岩的流变特性[4]。

岩体温度是热害矿户的最大热源之一在满足工程计算精度要求的前提下, 简便地计算出井巷围岩中任意空间点的温度分布随通风时间变化的规街, 是矿井风温预测计算的基础理论问题。

国内外学者对深井巷道围岩地温场的温度分布规律曾进行过大量的研究〔’一4 〕, 归纳起来说, 对地温场的分析有三大类方法: (l) 通过地质钻孔测温法了解地温场; (2) 建立理想化的数学模型, 借助电子计算机进行地温场的数值模拟分析; (3) 建立理想化的数学模型, 从数学分析出发, 求解地温场温度分布控制微分方程的解析式。由于描述地温场分布的控制微分方程求解困难, 随着计算机技术的飞速发展, 人们便借助计算机来求其数值解, 并在矿山地热学中取得了一定的成果印随着我国煤矿开采深度的不断增加, 其高温环境引起的热害问题越来越受到国内外学者和工程技术人员的关注, 深井巷道岩体温度是热害矿井的最大热源。巷道围岩的温度场分布研究是基础问题之一, 本文基于地质学和热力学理论, 给出巷道围岩温度场受不同的风流冷却时间的无因次解析式, 并导出调热圈外半径的近似计算式, 针对淮南矿区深部开采的高地温(42 ℃左右),采用有限元软件ANSYS9 .0 对深井巷道围岩的温度分布进行了数值模拟分析。

巷道围岩温度场分部

( 1) 无渗流状态下, 温度场和温度矢量呈对称分

布, 风流速度对温度分布有明显的影响, 但不改变其

对称分布的状态。

( 2) 渗流所伴随的热迁移现象改变了温度场和

温度矢量原有的对称分布的状态, 热交换平衡区随

着渗流速度的增加, 将向顺渗流的方向移动, 平衡区

的范围也随之扩大。

气流对温度分布的影响

在无渗流状态下, 分别针对风速为1.0 m/s和2.0 m/s的情况, 采用METLAB- PDE工具箱计算了巷道围岩的温度场分布, 获得了围岩热交换达到平衡时的温

度场分布及其温度矢量( 图2) 。在无渗流状态下的数值模拟结果表明, 此时的

温度场成左右对称分布, 温度矢量围绕巷道中心呈向内扩散的对称分布。随着

风流速度的增加, 对巷道围岩温度影响圈的范围将随之增大, 但不改变温度场及温度矢量的对称分布状态。从等温线的分布来看, 在风流与围岩的相互作用下, 无渗流巷道的上方会出现一个热交换平衡区, 并且随着风速的增加, 该平衡区将向上移动。渗流对温度分布的影响针对图2( a) 情况, 在研究区域的上方施加自左向右的渗流场, 渗流速度分别为100 cm/d和200 cm/d,围岩热交换达到平衡时, 获得的温度场分布及其温度矢量见图3。

图3 渗流对温度( 矢量) 分布的影响

渗流场的施加, 改变了温度场和温度矢量原有的对称分布的状态。在巷道的左

侧( 逆渗流方向) 等温线密集, 而在右侧( 顺渗流方向) 等温线分布相对疏松, 这

表明渗流伴随着热迁移现象。热交换平衡区受到渗流的影响, 将向顺渗流的方

向移动, 并且随着渗流速度的增加, 热交换平衡区的范围( 宽度) 有所边界g q扩大。热交换平衡区的存在, 成为温度矢量改变方向的“分水岭”。

2.1 围岩体的热传递方式

热力学第二定律指出，在一个物体内部或物系之间，只要存在着温度差，热量

总是自发地由高温处传向低温处。这种靠温差推动的能量传递称为热传递过程。由于温度差在自然界和生产领域中广泛存在着，故热量传递就成为自然界和生

产领域中一种普遍现象。

从热量传递的机理上说，有三种基本热传递方式，即热传导、热对流和热辐射。

热传导简称导热，它是指热量由物体的高温部分向低温部分的传递，或者由一

个高温物体向与其接触的低温物体的传递。这种传热过程是依靠物质微观质点

的能量传递而实现的，与宏观运动无关。导热是物质的本能，尽管导热能力有

所差异，但任何物质不论处于固态、液态或气态都能进行热传导。

借助于流体宏观运动传递热量的过程称为热对流或对流换热。对流换热通常是

流体与固体表面之间的传热。热辐射是另一种热传递方式。它是指物体由于自

身温度的原因而向外发射可见的和不可见的射线（称电磁波或光子）来传递热

量的方式。热传导和热对流都要通过物质进行热传递，而辐射传热机理则完全

不同，它是借助于电磁辐射波传递热量的，在完全真空的地方热辐射仍能进行。

隧道周围岩体中的热量传递方式也是传导、对流、辐射三种方式或者是其综合。理论上，只要有温差，不论物体间有无接触或介质存在，都有热辐射发生。但

是由于隧道工程位于地壳浅层，围岩的温度变化辐度较小，而热辐射的量值与

物体绝对温度的四次方的差值成正比，故其值较小，可以忽略不计。所以在隧

道工程的围岩温度场研究中只需考虑导热与对流，其中传导是岩体内部的热

量传递的主要方式；对流传热主要发生在隧道内表面与隧道内流动空气之间。

影响巷道围岩温度分部的因素影响巷道围岩温度分布的因素

国内外许多学者对围岩温度场及调热圈内温度的分布进行了大量的研究, 了解

和掌握了在不考虑巷道壁面水分蒸发情况下围岩温度分布规律。调热圈半径的

大小一般随着巷道通风时间的增长而增加。在巷道开挖初期, 围岩与风流的热

交换量大, 调热圈内围岩的温度变化率非常大; 随着通风时间的增长, 围岩冷却

范围逐渐向围岩内部扩展。当巷道通风一定时间后, 通风时间对围岩温度及调

热圈半径的影响甚微, 几乎可以认为不变[ 3~ 6] 。

在实际矿井巷道中都有水分存在, 巷道壁面或顶底板的水分不断向风流中蒸发。围岩温度分布除受通风时间、岩石热物理性质影响外, 还受壁面水分蒸发、风

流相对湿度等因

素影响。巷道表面水分的蒸发对围岩与风流的热交换起着重要作用。

1围岩温度场分布的解析解

开掘巷道瞬间, 岩体内各处温度都等于原始岩温Ty , 当恒定风温为Tf(Tf < Ty)的空气通过后, 岩热就开始流向巷道。在t 1时刻内, 围岩壁温度为Tb , 随着时刻的继续增长, 围岩壁温也不断接近风温(如图1 所示), 即lim Tb※ Tk , 但严格地说, Tb 永远不会绝对等于Tk 。当围岩壁温极为接近风温后, 调热圈抵达相对稳定的最大半径[ 1] 。新掘进的巷道, 围岩中受风流冷却的调热圈不大, 这时围岩可当作半无限体来求出温度场。当巷道掘通100 d 以上时, 围岩受风流冷却

时间较长, 调热圈就会变大到相当程度, 这时围岩的温度场将受到巷道形状的影响, 就不能把围岩单纯看作是半无限体, 要采用其他方法求解[ 2] 。

1.1受风流冷却时间短的围岩温度场