高地溫掘進(jìn)巷水玻璃膨脹蛭石隔熱圍巖傳熱與降溫特性

薛韓玲，郭佩奇，彭俊杰，郭 棟，陳 柳，張 進(jìn)，張小艷

(西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著礦井開(kāi)采深度的增加，由主要熱源-地?zé)嵋鸬牡V井熱害愈發(fā)嚴(yán)重[1]。目前治理礦井熱害，國(guó)內(nèi)外主要采用圍巖隔熱、通風(fēng)降溫、礦井制冷及個(gè)體冷卻等方法[2-7]，其中圍巖隔熱法具有工期短、施工方便，使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可從源頭上控制地?zé)嵯蛳锏里L(fēng)流的傳熱。

隔熱材料的類(lèi)別對(duì)礦井巷道圍巖隔熱效果至關(guān)重要，早期前蘇聯(lián)使用爐渣混凝土噴層進(jìn)行隔熱研究，南非等國(guó)家研究使用聚氨基甲酸酯、膨脹珍珠巖保溫砂漿、聚乙烯泡沫等材料[8-10]。目前有以石英廢料[11]、預(yù)成型泡沫與粉煤灰[12-13]為原料，合成泡沫型隔熱材料，最具有典型性的 MERMER等人研發(fā)合成的二氧化硅疏水氣凝膠具有極低導(dǎo)熱性[14]。中國(guó)李珠等試驗(yàn)了玻化微珠類(lèi)保溫砂漿隔熱巷道熱釋放量減少了64%[15-16]，郭文兵等研制了主要成分為水泥、珍珠巖、粉煤灰等深井煤礦巷道隔熱材料[17]。

研究不同類(lèi)別隔熱材料對(duì)巷道圍巖傳熱的影響，數(shù)值模擬法已成為主要手段。王飛帆通過(guò)FLUENT對(duì)噴射粉煤灰陶粒?；⒅榛炷料锏绹鷰r溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，表明改性混凝土可有效減少?lài)鷰r向巷道的傳熱[18]。宋懷濤采用 C++和Qt圖形框架平臺(tái)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的非圓形和圓形巷道圍巖散熱計(jì)算模型，得到了非穩(wěn)態(tài)周期性風(fēng)溫對(duì)礦井圍巖溫度場(chǎng)的影響[19]。張?jiān)丛O(shè)計(jì)了高地溫巷道熱濕環(huán)境相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)高地溫巷道圍巖溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，得到了具有阻熱圈結(jié)構(gòu)巷道圍巖溫度分布特征及阻熱圈隔熱機(jī)理。宋東平等根據(jù)能量守恒定律和圍巖散熱特點(diǎn)，通過(guò)Matlab解算了隔熱巷道圍巖溫度場(chǎng)，得出了隔熱層對(duì)圍巖溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律[20]。

上述文獻(xiàn)多為隔熱材料對(duì)礦井圍巖溫度場(chǎng)變化及風(fēng)流降溫效果研究，供風(fēng)參數(shù)變化及隔熱層厚度對(duì)隔熱特性的影響不夠詳盡。一定工藝和配比下的水玻璃膨脹蛭石耐高溫、絕緣、防火且具有低的熱導(dǎo)率而被廣泛研究作為經(jīng)濟(jì)性圍護(hù)墻面保溫材料，在礦井圍巖隔熱應(yīng)用方面研究較少。采用以有限元為基礎(chǔ)的COMSOL Multiphysics模擬軟件，研究水玻璃膨脹蛭石對(duì)高地溫礦井掘進(jìn)巷道圍巖隔熱下調(diào)熱圈半徑和巷道風(fēng)流溫度的影響，分析隔熱材料不同厚度的隔熱性能，不同風(fēng)筒出口風(fēng)溫、風(fēng)速對(duì)圍巖傳熱的影響，從而為實(shí)際礦井隔熱層設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 掘進(jìn)巷道圍巖隔熱與風(fēng)流傳熱模型

1.1 幾何模型

掘進(jìn)巷道圍巖與風(fēng)流傳熱物理模型如圖1所示，巷道圍巖計(jì)算區(qū)域?yàn)?0 m×50 m×1 500 m；截面為拱形的巷道位于圍巖中心，尺寸為寬5.5 m，高6.5 m，長(zhǎng)1 480 m；通風(fēng)方式為壓入式，風(fēng)筒半徑為0.75 m，長(zhǎng)1 455 m，如圖2、圖3所示。

圖1 物理模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh generation of physical model

圖2 壓入式通風(fēng)風(fēng)筒布置Fig.2 Air pipe layout of forced ventilation

圖3 風(fēng)管布置截面位置Fig.3 Cross-sectional layout of air pipe

由于水玻璃膨脹蛭石隔熱層厚度與巷道圍巖區(qū)域計(jì)算尺寸相差很大，COMSOL模擬采用傳熱接口中的薄層模擬隔熱層，對(duì)巷道空氣域以及邊界層部分進(jìn)行細(xì)化，設(shè)置最小單元大小為0.01 m，整個(gè)物理模型共具有1 470 197個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格平均單元質(zhì)量為0.645 7。

1.2 數(shù)學(xué)模型

建立掘進(jìn)巷道圍巖與風(fēng)流傳熱數(shù)學(xué)模型并設(shè)定以下條件[21]。

1)假設(shè)圍巖均質(zhì)且為各向同性的干圍巖。

2)隔熱層均勻，沿厚度方向的溫差忽略不計(jì)。

3)巷道風(fēng)流風(fēng)速不變，圍巖壁面無(wú)滑移。

4)忽略巷道內(nèi)熱輻射對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

5)圍巖和隔熱材料接觸良好，不考慮熱阻。

6)井下巷道中風(fēng)流不可壓縮，流動(dòng)連續(xù)且為充滿整個(gè)巷道的穩(wěn)定紊流。

巷道圍巖-隔熱傳熱遵循固體導(dǎo)熱微分方程

(1)

初始條件：T(x，y，z，0)=T0

式中T為溫度，℃；t為通風(fēng)時(shí)間，s；α為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；T0為原始巖溫，℃。

對(duì)巷道風(fēng)流建立直角坐標(biāo)系下三維非穩(wěn)態(tài)質(zhì)量守恒方程為

(2)

式中ρ為風(fēng)流密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；ux為速度u在x方向的分量，m/s；uy、uz同理。

巷道風(fēng)流為不可壓縮，即ρ為常數(shù)，方程(2)可變換為

(3)

對(duì)巷道風(fēng)流建立直角坐標(biāo)系下三維非穩(wěn)態(tài)動(dòng)量守恒方程為

(4)

(5)

(6)

式中τxx，τxy和τxz為作用在微元體表面的切應(yīng)力τ的分量，Pa；p為流體微元體上的壓力，Pa；fx是x方向上的單位質(zhì)量力，m/s2；fy，fz同理，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

巷道風(fēng)流流動(dòng)過(guò)程的質(zhì)量力為重力，忽略在x，z方向的重力分量，以上動(dòng)量方程可變換為

(7)

(8)

(9)

對(duì)巷道風(fēng)流建立直角坐標(biāo)系下三維非穩(wěn)態(tài)焓能量守恒方程為

(10)

式中h為風(fēng)流焓值，kJ/kg；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K))；φ為耗散函數(shù)。

1.3 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

水玻璃膨脹蛭石隔熱材料，蛭石組分密度為80～120 kg/m3，粒徑為0.25～7 mm；水玻璃密度為1 270 kg/m3，模數(shù)為3.3；水玻璃∶膨脹蛭石為2∶1，增強(qiáng)劑氟硅酸鈉用量為水玻璃的13%。此隔熱材料滿足導(dǎo)熱系數(shù)<0.23 W/(m·K)，抗壓強(qiáng)度在齡期28 d>1.0 MPa，表觀密度≤1 000 kg/m3的礦井要求[22]。此配比隔熱材料及圍巖傳熱模擬計(jì)算物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隔熱材料及模擬計(jì)算空氣物性參數(shù)Table 1 Thermal physical parameters of insulating material and air

圍巖深處的邊界條件為第1類(lèi)邊界條件，調(diào)熱圈范圍邊界以外為原巖溫度50 ℃。調(diào)熱圈為圍巖溫度降低值超過(guò)原巖溫度0.1%的范圍。風(fēng)流溫度邊界為風(fēng)筒出口溫度，速度邊界為風(fēng)筒出口速度。在模擬中，殘差曲線中的連續(xù)性方程、速度方程、能量方程及k-ε湍流方程均在1e-04以下，同時(shí)進(jìn)、出口流量達(dá)到穩(wěn)定平衡。

2 結(jié)果分析

2.1 厚度對(duì)隔熱效果的影響

礦井隔熱層厚度一般為5～20 cm，選取水玻璃膨脹蛭石材料厚度為0，6，12，18 cm，在風(fēng)筒出口風(fēng)溫26 ℃，出口風(fēng)速8 m/s，通風(fēng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，掘進(jìn)工作面即巷道長(zhǎng)度Z=1 480 m截面處圍巖隔熱與風(fēng)流傳熱溫度場(chǎng)分布如圖4所示。沿徑向的溫度變化如圖5所示，其中橫坐標(biāo)0 m為巷道中心位置，調(diào)熱圈半徑以模擬區(qū)域的對(duì)角線計(jì)。

圖4 水玻璃膨脹蛭石不同厚度隔熱巷道圍巖與風(fēng)流傳熱溫度場(chǎng)分布Fig.4 Temperature field distribution of heat transfer balance between surrounding rock and airflow under different adiabatic thickness of water glass/expanded vermiculite in roadway

從圖4可以看出，在無(wú)隔熱層以及隔熱層厚度為6,12,18 cm條件下，掘進(jìn)工作面截面最低溫度分別為27.0,26.3,26.3,26.3 ℃，可看出圍巖壁面隔熱后，掘進(jìn)工作面最低溫度有所降低，但由于風(fēng)筒出口到掘進(jìn)工作面距離較短，風(fēng)流與隔熱層外表面對(duì)流換熱量較小，截面最低溫度受隔熱層厚度影響較小，在隔熱層厚度為6 cm時(shí)換熱已達(dá)到平衡。依據(jù)調(diào)熱圈半徑范圍是原始巖溫的99%，從圖5可以看出，調(diào)熱圈半徑分別為29.62,28.44,27.65,27.01 m，即隨著隔熱層厚度的增加，圍巖調(diào)熱圈半徑逐漸減小，減小的幅度隨著隔熱層厚度的增加而降低，隔熱層厚度18 cm比12 cm調(diào)熱圈半徑僅減小了2.3%。

圖5 水玻璃膨脹蛭石不同厚度隔熱巷道圍巖與風(fēng)流徑向溫度變化Fig.5 Radial temperature variations of surrounding rock and airflow under different adiabatic thickness of water glass/expanded vermiculite

水玻璃膨脹蛭石不同厚度隔熱條件下，沿巷道中心軸線風(fēng)流溫度模擬結(jié)果如圖6所示。橫坐標(biāo)0 m表示掘進(jìn)巷道始端平面位置，1 455 m處為風(fēng)筒末端平面位置，1 480 m為掘進(jìn)工作面所在位置。

圖6 水玻璃膨脹蛭石不同隔熱厚度掘進(jìn)巷道風(fēng)流溫度變化Fig.6 Airflow temperature changes under different adiabatic thickness of water glass/expanded vermiculite in excavation roadway

從圖6可以看出，風(fēng)筒末端1 455 m與掘進(jìn)工作面1 480 m處，風(fēng)流溫度相差不大。巷道始端平面位置，在無(wú)隔熱層時(shí)，風(fēng)流溫度為35.26 ℃，隔熱層厚度為6,12,18 cm時(shí)，風(fēng)流溫度分別為34.27,33.67,33.26 ℃，與無(wú)隔熱相比，溫度分別降低了2.8%，4.5%，5.7%；不同隔熱層厚度的隔熱效果相比，隨著隔熱層厚度的增加巷道出口風(fēng)流溫度逐漸降低，且降低幅度逐漸減小，分別為1.8%，1.2%。

2.2 風(fēng)筒出口風(fēng)溫的影響

水玻璃膨脹蛭石隔熱材料厚度為12 cm，風(fēng)筒出口風(fēng)速為8 m/s，出口風(fēng)溫分別為24，26，28 ℃，在通風(fēng)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，掘進(jìn)工作面1 480 m截面處圍巖及風(fēng)流溫度沿徑向分布如圖7所示，橫坐標(biāo)0 m處為巷道中心位置。沿巷道中心軸線風(fēng)流溫度模擬結(jié)果如圖8所示，圖中橫坐標(biāo)表示位置同圖6。

圖7 風(fēng)筒不同出口風(fēng)溫掘進(jìn)工作面處圍巖與風(fēng)流徑向溫度變化(Z=1 480 m)Fig.7 Radial temperature changing course of surrounding rock and airflow around the drifting face at different supply air temperature(Z=1 480 m)

圖8 風(fēng)筒不同出口風(fēng)溫下巷道風(fēng)流溫度變化Fig.8 Airflow temperature variation at different supply air temperature from venting duct

在風(fēng)筒出口風(fēng)溫分別為24，26，28 ℃條件下，從圖7可以看出，調(diào)熱圈半徑分別為28.23，27.65，26.94 m，調(diào)熱圈半徑隨著風(fēng)筒出口風(fēng)溫的增大而減小。

從圖8可以看出，風(fēng)筒末端平面即1 455 m處，無(wú)隔熱層時(shí)，溫度分別為24.04，26.03，28.03 ℃，添加隔熱層后溫度分別為24.03，26.03與28.03 ℃，溫度基本未發(fā)生變化。在掘進(jìn)工作面即1 480 m處，無(wú)隔熱層時(shí)，溫度分別為25.21，27.09，28.97 ℃，添加隔熱層后溫度分別為24.36，26.34，28.31 ℃，模擬結(jié)果未超過(guò)掘進(jìn)工作面停止作業(yè)的30 ℃溫度規(guī)定，對(duì)應(yīng)的降低幅度分別為3.4%，2.8%，2.3%。在巷道始端位置處，無(wú)隔熱層時(shí)，風(fēng)流溫度分別為34.13，35.35，36.58 ℃，添加隔熱層后溫度分別為32.30，33.67，35.03 ℃，降低幅度分別為5.4%，4.8%，4.2%；可以看出在添加隔熱層后，巷道出口風(fēng)流溫度均降低，而且在風(fēng)筒出口風(fēng)溫為24 ℃時(shí)，降低幅度最大。

2.3 風(fēng)筒出口風(fēng)速的影響

隔熱材料水玻璃膨脹蛭石厚度為12 cm，風(fēng)筒出口風(fēng)溫26 ℃，根據(jù)煤巷與半煤巖巷道允許風(fēng)速為0.15～4 m/s范圍，經(jīng)風(fēng)量核算風(fēng)筒出口風(fēng)速，選取風(fēng)筒出口風(fēng)速分別為6，8，10 m/s，通風(fēng)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，掘進(jìn)工作面截面Z=1 480 m處圍巖隔熱與風(fēng)流傳熱溫度場(chǎng)分布如圖9所示，沿徑向的溫度變化如圖10所示，圖中橫坐標(biāo)位置表示同圖5。

圖9 掘進(jìn)工作面隔熱圍巖與風(fēng)流傳熱溫度場(chǎng)分布Fig.9 Temperature field distribution of heat transfer balance between insulation surrounding rock and airflow around the drifting face(Z=1 480 m)

在風(fēng)筒出口風(fēng)速分別為6，8，10 m/s條件下，從圖9、圖10可以看出，無(wú)隔熱層條件下，掘進(jìn)工作面最低溫度分別為27.4，27.0，26.7 ℃，調(diào)熱圈半徑分別為28.27，28.62，28.67 m。添加隔熱層后，掘進(jìn)工作面最低溫度分別為26.4，26.3，26.2 ℃，調(diào)熱圈半徑分別為27.38，27.65，27.82 m，同無(wú)隔熱層相比，截面最低溫度均降低，降低幅度分別為3.6%，2.6%，1.9%；圍巖調(diào)熱圈半徑均減小，減小幅度分別為3.1%，3.4%，3.0%。

圖10 風(fēng)筒不同出口風(fēng)速下隔熱巷道圍巖與風(fēng)流徑向溫度變化Fig.10 Radial temperature variations of surrounding rock and airflow under different airflow speed from venting duct

從圖11可以看出，在不同風(fēng)筒出口風(fēng)速條件下，風(fēng)筒末端平面1 455 m與掘進(jìn)工作面1 480 m處，有、無(wú)隔熱層對(duì)溫度影響不大。在風(fēng)筒出口風(fēng)速分別為6,8,10 m/s條件下，巷道始端平面0 m處，無(wú)隔熱層時(shí)，風(fēng)流溫度分別為37.39,35.35,33.93 ℃；添加隔熱層后，該處風(fēng)流溫度分別為35.46,33.67,32.44 ℃，降低幅度分別為5.2%,4.8%,4.4%；可以看出在添加隔熱層后，巷道出口風(fēng)流溫度均降低，且在風(fēng)筒出口風(fēng)速為6 m/s時(shí)，降低幅度最大為1.93 ℃。

圖11 風(fēng)筒不同出口風(fēng)速下掘進(jìn)巷風(fēng)流溫度變化Fig.11 Airflow temperature variation at differentsupply air speed from venting duct

3 隔熱對(duì)流換熱系數(shù)變化規(guī)律

非隔熱圍巖與風(fēng)流換熱的主要形式為對(duì)流換熱，隔熱圍巖主要增加了隔熱層的導(dǎo)熱熱阻，熱量通過(guò)隔熱層傳遞至近風(fēng)流側(cè)表面后，仍然以對(duì)流換熱的形式與風(fēng)流進(jìn)行熱量交換。本研究為干圍巖狀態(tài)，風(fēng)流得熱量?jī)H用于風(fēng)流顯熱的增加，即平均對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算式為

h=[mcp·g(tf2-tf1)]/A(tw-tf)

(11)

式中h為平均對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為圍巖散熱面積，m2；tw,tf為分別為圍巖壁面平均溫度和風(fēng)流平均溫度，℃；m為空氣的質(zhì)量流量，kg/s；cp·g為干空氣的定壓比熱，1.005 J/(kg·℃)；tf1,tf2為巷道進(jìn)、出口風(fēng)流溫度，℃。

不同隔熱厚度、風(fēng)筒出口風(fēng)溫、風(fēng)速條件下，對(duì)流換熱系數(shù)變化規(guī)律如圖12～14所示。

圖12 對(duì)流換熱系數(shù)隨隔熱層厚度的變化Fig.12 Variation of convective heat transfer coefficient with thickness of insulating layer

無(wú)隔熱層時(shí)，h為0.278 W/(m2·K)，從圖12可以看出，隔熱層厚度為6,12,18 cm，h為0.249,0.230,0.218 W/(m2·K)，分別降低約10%,17%,22%；隔熱層厚度由0 cm增至6 cm時(shí)，由6 cm增至12 cm時(shí)，由12 cm增至18 cm時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)分別減小了0.029，0.019，0.012 W/(m2·K)，隨著隔熱層厚度的增大，對(duì)流換熱系數(shù)減小，且減小幅度降低，這與圖5、圖6所反映的隨著隔熱層厚度的增加巷道出口溫度逐漸降低的結(jié)果相一致。

圖13表明無(wú)隔熱層風(fēng)筒出口風(fēng)溫分別為24，26，28 ℃時(shí)，h為0.261，0.282，0.300 W/(m2·K)，在隔熱層厚度為12 cm時(shí)，h為0.210，0.223，0.238 W/(m2·K)，隨著風(fēng)筒出口風(fēng)溫的增大，對(duì)流換熱系數(shù)均增大。隔熱層厚度從0 cm變?yōu)?2 cm，風(fēng)筒出口風(fēng)溫24 ℃下減小0.051 W/(m2·K)，26 ℃下減少0.059 W/(m2·K)，28 ℃下減少0.062 W/(m2·K)；與無(wú)隔熱相比，對(duì)應(yīng)工況隔熱層的對(duì)流換熱系數(shù)均降低約21%。

圖13 對(duì)流換熱系數(shù)隨風(fēng)筒出口風(fēng)溫的變化Fig.13 Variation of convective heat transfer coefficient with outlet airflow temperature of venting duct

從圖14可以看出，無(wú)隔熱層時(shí)，風(fēng)筒出口風(fēng)速分別為6，8，10 m/s時(shí)，h為0.256，0.278，0.299 6 W/(m2·K)，在隔熱層厚度為12 cm時(shí)，h為0.213，0.229，0.245 W/(m2·K)，隨著風(fēng)筒出口風(fēng)速的增大，對(duì)流換熱系數(shù)均增大。隔熱層厚度從0 cm變?yōu)?2 cm，風(fēng)筒出口風(fēng)速6 m/s下減小0.043 W/(m2·K)，8 m/s下減少0.049 W/(m2·K)，10 m/s下減少0.054 6 W/(m2·K)，對(duì)應(yīng)工況有隔熱層的對(duì)流換熱系數(shù)均降低約18%。

圖14 對(duì)流換熱系數(shù)隨風(fēng)筒出口風(fēng)速的變化Fig.14 Variation of convective heat transfer coefficient with outlet airflow speed of venting duct

4 結(jié) 論

1)掘進(jìn)工作面處隨著水玻璃膨脹蛭石隔熱層厚度的增加，圍巖調(diào)熱圈半徑減小，掘進(jìn)巷道出口風(fēng)流溫度降低，隔熱效果越好，且調(diào)熱圈半徑減小及風(fēng)流溫度降低的幅度隨隔熱厚度的增加逐漸變小，隔熱層18 cm比12 cm厚的調(diào)熱圈半徑僅減小了2.3%，巷道出口風(fēng)溫僅降低1.2%，厚度≥6 cm其溫度不再降低。實(shí)際應(yīng)用中綜合分析地?zé)嵩错?xiàng)及通風(fēng)參數(shù)，確定最優(yōu)隔熱層經(jīng)濟(jì)厚度。

2)與無(wú)隔熱對(duì)應(yīng)的風(fēng)筒出口風(fēng)溫、風(fēng)速相比，圍巖調(diào)熱圈半徑減??；隨著風(fēng)筒出口風(fēng)溫、風(fēng)速的增大，掘進(jìn)工作面處調(diào)熱圈半徑分別減小、增大，掘進(jìn)工作面處及巷道出口的風(fēng)流溫度對(duì)比相應(yīng)的無(wú)隔熱工況，降溫幅度逐漸減小，即風(fēng)筒出口風(fēng)溫24 ℃、風(fēng)筒出口風(fēng)速6 m/s隔熱降溫幅度最大。

3)平均對(duì)流換熱系數(shù)隨隔熱層厚度的增加而減小，隨風(fēng)筒出口風(fēng)溫、風(fēng)速的增大而增大；與無(wú)隔熱相比，添加隔熱層后的平均對(duì)流換熱系數(shù)在厚度為6～18 cm范圍內(nèi)降低約10%～22%，在風(fēng)筒出口風(fēng)溫24～28 ℃之間降低約21%，在風(fēng)筒出口風(fēng)速6～10 m/s時(shí)降低約18%。