热害矿井气流与围岩热交换的数值模拟

为了研究热害矿井中的气流与围岩热交换问题,基于热力学理论建立了气流与围岩热交换的数学模型,并采用METLAB对数学模型进行求解。计算和实验对比结果表明,在通常情况下闹岩中温度场和温度矢量的分布是对称的,气流速度会明显影响温度的分布．但不会改变温度场的对称分布状态。巷道的温度会随着气流速度的增加而降低,但并没有急剧减小,因此风速的确定应与矿井通风相结合。     

深井高温工作面的围岩散热效应研究

深井工作面高温热害严重影响着煤矿的安全生产,而围岩散热是高温热害的主要热源体。为了探索高温围岩散热对巷道内通风风流温度的影响规律,以淮南矿业集团某高温工作面为工程背景,采用理论分析和数值模拟方法对工作面及两侧巷道内风流的温度场分布规律进行了研究,并与现场实测结果进行了对比分析。结果表明:1)随着巷道走向的延伸,巷道内风流的温度以e指数的形式呈增高趋势,巷道越长,在其末端风流温度越接近巷道围岩温度;2)在工作面与运输巷和轨道巷相交区域,由于风流涡旋效应,该区域风流热量不易散出,形成风流温度场与速度场的异常区域,也是回采工作面高温热害治理的关键区域。     

深部巷道围岩瞬态温度-热应力的耦合作用

为了研究深部巷道温度场与应力场的耦合作用,采用理论推导得到圆形巷道围岩瞬态热-弹性耦合解析解,分析了巷道围岩温度场和热应力的分布规律,并通过数值模拟和现场观测研究了热应力对巷道围岩稳定性的影响。研究表明:围岩温度分布呈非线性变化,表层温度梯度大,围岩深处温度梯度小;随通风时间延长,围岩温度逐渐降低,冷却圈不断增大,温度梯度逐渐减小,温度分布曲线趋于平缓;通风能够改变围岩应力状态,切向热应力在围岩表层表现为较大的拉应力,而在深处表现为较小的压应力;径向热应力为拉应力,热应力加剧了巷道围岩顶底板塑性区扩展的深度。     

煤矿井下热害分析与风流温度预测

针对矿井热害问题,在统计国内外矿井产生热害原因的基础之上,分析得到风流与围岩热交换及风流压缩放热是大多数矿井产生高温的主要因素.通过对巷道围岩温度场的解析和干燥巷道风温的预测,进一步指出了井下风流温度的分布规律,从而为制定矿井降温措施提供可靠的理论依据及必要的基础资料.     

金川矿区深部巷道围岩流固耦合稳定性数值模拟

 地下水渗流会影响巷道围岩力学性质,本文结合流固耦合基本原理,以金川二矿区深部巷道为例,采用MIDAS/GTS建立了金川二矿区1000m水平某巷道流固耦合模型,研究渗流对围岩应力场、围岩变形及开挖卸载影响。计算结果表明,渗流作用对巷道围岩竖向应力的影响大于水平应力,渗流也导致围岩最大、最小主应力比无水时偏大。渗流和无水状态下围岩变形空间分布具有相似性,渗流对巷道围岩水平位移影响相对较小,但对围岩竖向位移影响较大,其中巷道拱部竖向位移明显大于无水状态,渗流时拱部最大位移约为8.2mm,而无水时仅2.3mm左右。因此,渗流效应将导致巷道顶板稳定性变差。开挖卸载对渗流场的影响表明,开挖后巷道周边压力水头迅速降低,孔隙水压力最小降为零,且孔隙水压力也从水平层状分布变为沿巷道轮廓环形带状分布。     

利用FLUENT研究矿井干燥巷道围岩对风流传热

为研究围岩对风流温度的影响,分析了围岩调热圈形成的各时期及影响调热圈的因素,利用FLUENT对干燥巷道风流受围岩传热的影响进行模拟.研究结果表明:巷道内风流速度相对较小时,围岩对风流温度的影响就相对明显;随着风流距离入风端距离的增加,风流温度的变化与巷道围岩调热圈半径变化相关;风流温度在变化过程中分为3个阶段:初期阶段,缓步阶段与稳定阶段;在巷道风流温度变化的各阶段中初期阶段所占长度比例为77.2%,缓步阶段所占长度比例为11.55%,稳定阶段所占长度比例为11.25%.     

矿井巷道掘进过程中含水构造附近岩体温度场的模型试验研究

分析含水构造附近渗流作用影响下的热扩散理论,采用典型的流-固耦合相似材料配比和相似模拟试验架,完善光栅温度、渗透压力监测系统。对含水构造附近的巷道掘进进行试验模拟,对掘进过程中围岩变形和渗流边界条件改变引起的渗流场、温度场的变化规律进行分析。研究结果表明:含水构造附近的岩体具有明显的低温异常特征;掘进过程中,水体附近渗透压力显著降低,岩体的热对流作用随巷道开挖逐步加强,岩体温度逐步降低,但水体的温度影响范围变化较小;通过Peclet数的对比分析,为探测矿井突水提供了一种新途径;对巷道掘进中的岩体温度场进行数据拟合,得出温度法预报的经验公式,为岩体温度法探水提供了可靠的试验依据。     

掘进巷道风流温度场分布规律的研究

从质量，能量和动量守恒原理出发，导出了描述掘进巷道风流紊流流动和温度分布的微分方程，通过理论分析和现场实测，系统地开展矿内掘进巷道风流流场和风流温度场的分布规律及其耦合作用机理的理论分析研究，并采用SIMPLE算法，利用PHOEENICS程序进行数值模拟，初步得步了掘进巷道风流温度随风速提高呈负幂函数规律降低，随入风流温度升高而线性升高的变化规律，对矿井掘进工作面高温治理具有一定的指导意义和使用价值。     

富水巷道流固耦合效应FLAC-3D模拟

为探索富水岩层中开挖拱形巷道的稳定性问题,基于流固耦合分析理论,运用FLAC-3D中的等效连续介质渗流模型及FISH语言实现了巷道开挖后流固耦合效应的模拟,探讨了渗流场及场内流动矢量的分布特征,针对围岩塑性区、应力场及变形规律与非流固耦合进行对比分析.在流固耦合模式下,研究了开挖步长对孔隙水压力和竖向位移的影响规律.结果表明:流固耦合模式下,巷道围岩中形成了一个类似降水漏斗的形状,在巷道拱脚处流动矢量分布密集而且数值较大,随着开挖步长的增大,巷道拱顶孔隙水压力及竖向位移则有所减小.与非流固耦合相比,围岩塑性区范围和剪切带尺寸均有所增大,竖向总应力相对增大了10%.     

深部矿井季节性通风风流与围岩换热特性

 针对矿井通风入口风流季节性差别大的现象,对不同季节通风巷道风流温变规律进行现场测试,建立巷道围岩-风流换热的数学物理模型,数值模拟通风风流与围岩的换热特性。研究结果表明,风流在煤巷中流动过程中不断与围岩进行热交换,进而导致风流温度不断升高,但在工作面段风流升温缓慢,数值计算结果与实测结果相吻合。不同季节通风巷道内风流升温效果差别明显,入口风流温度越低,风流在巷道内流动相同距离时,温度越低,但温升越大。     

基于正交试验的寒区隧道温度场影响因素敏感度研究

影响寒区隧道温度场的因素众多,建立基于有限差分的隧道非稳态传热计算模型,以实际寒区铁路隧道南山隧道为例,采用正交试验法分别以隧道衬砌内部节点平均温度、隧道某断面衬砌温度和隧道洞口纵向冻结长度为指标对影响隧道温度场的各因素进行敏感度研究.结果表明:不同指标下各因素敏感度排列有局部差异;总体来讲,隧道埋深、洞内风向、隧道断面大小、洞内风速、入口风温、围岩导热系数、隧道埋深是影响隧道温度场的主要因素,围岩比热容、围岩密度是影响隧道温度场的次要因素.在寒区隧道抗防冻设计中,除去围岩比热容、围岩密度、围岩导热系数、入口风温等不可更改因素,对隧道温度场影响较大的隧道埋深、洞内风向、洞内风速、隧道断面大小、隧道埋深等隧道设计参数必须合理设置.     

祁连山隧道洞内空气及围岩温度场分析

为了探究寒区隧道洞内空气及围岩温度场设计问题,以世界上海拔最高的高原冻土隧道-祁连山隧道为研究对象,建立非稳态的隧道温度场模型,采用变量控制法探讨不同时间、距离以及有无保温层条件下寒区隧道洞内空气和围岩温度场的变化规律。研究结果表明:当洞外气温为-16.77℃,围岩地温为5℃条件下,祁连山隧道单侧防寒保温长度应该大于1 770m;当洞外气温为-16.77℃,围岩地温为5℃,计算时间为10 d条件下,5 cm厚的聚酚醛保温板保温效果很好,可以保证不出现冻害;当洞外气温为-16.77℃,围岩地温为5℃,当计算时间超过30 d,有保温层时距离进口10 m处隧道初支和二衬范围内出现负温,说明保温层具有一定的适用范围,并不能完全消除寒区隧道的冻害问题。     

斜风作用下季冻区隧道冻胀力分布规律及结构安全性评价

为分析不均匀冻胀荷载对季冻区隧道结构受力及安全性的影响,本文依托某新建铁路隧道工程,在凝练工程区气象特征的基础上,利用数值模拟手段分析了斜风作用下隧道温度场的分布特征,解析得到了支护结构的冻胀力荷载,在此基础上分析了支护结构的受力特征并开展了安全性评价。研究结果表明：斜风作用下隧道较小进深范围内迎风侧与背风侧温度场存在差异,进深10m处差异最为显著;未铺设保温层条件下迎风侧围岩冻结深度约为背风侧的1.8倍,铺设保温层后迎风侧围岩冻结深度减小了约80%,背风侧围岩冻结区基本消失;围岩冻结深度不一致导致冻胀力荷载不均匀分布,冻胀力荷载作用下支护结构迎风侧的应力、轴力、弯矩均明显高于背风侧;未铺设保温层条件下仅仰拱区域符合安全性要求,铺设保温层后各区域均满足要求,但迎风侧安全性明显低于背风侧。     

深井大断面交岔点加固机理及应用技术研究

根据深井井底车场交岔点断面大、裂隙水大、复合顶板和围岩松软的特点,通过数值模拟分析了不同支护条件下交岔点围岩塑性区发展范围和围岩变形特性,得出塑性区分布范围,阐述了不同支护条件的机理,提出了顶板锚索补强和化学注浆加固交岔点的方案,有效封堵了顶板砂岩裂隙水和控制了围岩变形,并得到工程实践的验证。     

寒区长大隧道温度实测与仿真

基于现场实测数据对寒区长大隧道内温度的变化规律进行了分析,基于数值仿真分析对不同环境气温、围岩原始地温、自然风速、列车运行速度和频率条件下隧道洞内温度场和冻结深度的变化规律及保温层的适用范围进行了研究.研究结果表明:若环境气温或围岩原始地温低,自然风速大,或列车运行速度大和运行频率高,则洞内可能出现负温分布,所以寒区长大隧道结构防寒不应仅在洞口段;保温层法不能完全解决寒区长大隧道洞口保温问题,当环境气温低于15℃,持续冻结时间超过45d时,需要采取主动保温措施.     

非均匀应力场下圆形隧洞围岩弹性应力分析

为了能更好的研究隧洞围岩在非均匀应力场下开挖过程中整体的稳定性,根据隧洞围岩在非均匀应力场下的模型特点,将隧洞围岩周围应力划分为两部分进行叠加。基于D-P准则与理想弹塑性本构关系,采用双调和方程和半逆解法,推导出非均匀应力场下圆形隧洞弹性区围岩应力的解析表达式,并通过Flac3D数值模拟对理论分析结果加以验证。结果表明：考虑中间主应力系数的影响时,中间主应力系数越大与之对应的侧压系数范围越小;侧压系数越大隧洞帮部集中应力降低,拱顶的集中应力增大;同时理论分析结果与数值模拟结果基本一致。在考虑非均匀应力场分布的力学模型更为准确地反映了隧洞围岩应力分布特点,对隧洞围岩的支护方案具有一定的意义。     

岩石内含物对激光破岩的影响

根据非定常传热原理分析了高斯激光光束作用到岩石表面时岩石内部的温度场分布情况,应用温度场分布结合热应力方程的方法分别模拟了岩石内部有无内含物时的热应力分布情况。数值模拟结果表明,同一激光光束作用相同时间,有内含物的岩石在内含物边缘附近产生的热应力比无内含物的大,即相同的激光功率和照射时间分别作用到有无内含物的岩石时,有内含物的岩石碎裂的可能性更大。在自然界中大多是含有杂质的岩石,该研究为含有内含物情况下的激光破岩提供了理论依据。     

圆形巷道围岩破坏机制解析及静动耦合响应力学行为

非等压圆形巷道围岩塑性区相关问题是影响围岩破坏失稳的重要因素。首先,基于Mohr-Coulomb破坏准则,分析非等压圆形巷道围岩塑性区边界条件,探究侧压系数对塑性区形成的影响机制。此外,利用ANSYS/LS-DYNA仿真平台对不同侧压系数下的巷道围岩力学行为进行静动载荷耦合响应数值模拟。结果表明：侧压系数的增大显著改变围岩有效应力的分布特征。有效应力场的分布特性与塑性区边界理论解具有一定的吻合性。不同侧压系数的应力场作用时,巷道围岩的变形具有显著的差异性,随着侧压系数的增大,围岩发生较大的非均匀性变形。静动耦合作用下顶板和底板的围岩破坏区域显著增加,但两帮围岩的破坏面积有减小的趋势。