掘进巷道多热源热流固耦合传热数值模拟

边梦龙; 王文才; 李建伟

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507557

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (27) :11685-11692 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507557

矿冶工程

掘进巷道多热源热流固耦合传热数值模拟

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Numerical Simulation of Heat Transfer in Heat-solid Coupling about Multiple Heat Sources in Excavation Roadway

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摘要

为获得矿井掘进巷道多热源复合影响下传热特性,采用数值模拟方法,依托ANSYS中Fluent、Steady-State Thermal、Static Structural模块进行热流固耦合传热分析,获得了岩体热流密度、热应变分布与掘进巷道在不同风速、入风温度影响下温度场分布规律。结果表明:热水对岩体与空气温度场产生最重要影响,在热水与岩石交界面存在热流密度和等效弹性应变最大值;空气在热水区加热后,温度曲线阶跃式变化且之后稳定增加;产热矿车对其附近岩石热流密度分布影响较小,但该区域的等效弹性应变值较高。入风温度可以从整体上改变巷道内空气温度场,温度值越低降温效果越好。通过风速增加进行降温具有局限性,如风速从15 m/s增加到20 m/s,绝大部分测点空气温度下降值在0.7 ℃以下,风速达到一定数值后,通风降温效果非常有限。

Abstract

In order to obtain the heat transfer characteristics under the influence of multiple heat sources in mine roadway, numerical simulation method was adopted to analyze the heat transfer of heat and solid coupling by relying on fluent, steady-state thermal and static structural modules in ANSYS, and the heat flux density, thermal strain distribution of rock mass and temperature field distribution law of roadway under the influence of different wind speed and inlet air temperature are obtained. The results show that hot water has the most important influence on the temperature field of rock mass and air, and there are maximum values of heat flux and equivalent elastic strain at the interface between hot water and rock. After air is heated in hot water area, the temperature curve changes step by step and then increases steadily. The heat flux distribution of rock near it is less affected by heat producing car, but the equivalent elastic strain value in this area is higher. The temperature of the inlet air can change the air temperature field in the tunnel as a whole, and the lower the temperature, the better the cooling effect. Cooling by increasing wind speed has limitations, such as increasing wind speed from 15 m/s to 20 m/s, the air temperature drop value of most measuring points is below 0.7 ℃, and after the wind speed reaches a certain value, the ventilation cooling effect is very limited.

Graphical abstract

关键词

掘进巷道 / 热流固耦合传热 / ANSYS / 等效弹性应变 / 空气温度场

Key words

excavation roadway / heat-fluid-solid coupling heat transfer / ANSYS / equivalent elastic strain / air temperature field

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边梦龙, 王文才, 李建伟. 掘进巷道多热源热流固耦合传热数值模拟[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(27): 11685-11692 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507557

BIAN Meng-long, WANG Wen-cai, LI Jian-wei. Numerical Simulation of Heat Transfer in Heat-solid Coupling about Multiple Heat Sources in Excavation Roadway[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(27): 11685-11692 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507557

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目前,煤炭开采深度已达1 500 m,金属矿开采深度超过4 350 m,地热开采深度超过5 000 m,油气资源开采深度达8 800 m^[1-2]。正在或计划兴建的大中型金属矿山几乎全部为地下深井矿山,未来十年,中国1/3以上的金属矿和53%的煤矿开采深度将达到或超过1 km,部分可达2~3 km^[3-4]。未来主要矿产开采深度将达到3 000~5 000 m,深部开采将成为中国矿产来源的重要组成部分^[5-6]。

矿井深部开采中,面临着高地压、高地温、高渗透压和强烈开采扰动等问题^[7-9]。中国已有上百个金属矿井出现了高温问题,140余个矿井的采掘工作面风温超过30 ℃^[10-11]。现阶段,在500~1 000 m开采深度的煤矿中,高温矿井占比达到63%^[12-13]。高温热害已成为采矿行业普遍面临的难题。

在高温环境下作业,人的体表温度升高,汗液蒸发量增加,血流量加大,心跳加快,疲劳感上升,心理状态开始恶化,高温下暴露时间过长甚至危及生命^[14-15]。据相关统计数据,气温升至32 ℃时劳动生产率会降低5%左右,气温升至34 ℃时劳动生产率将会降低50%,30~40 ℃气温的采掘工作面比低于30 ℃时的事故率高3.6倍^[16-18]。温度升高会削弱岩石的强度和弹性模量,降低其储能极限,岩石不可逆变形和破碎程度加剧,岩体稳定性下降^[19-20]。矿井深部高温环境给人员健康和安全生产带来了严重影响。

掘进巷道由于其独特的空间形态,热量容易积聚,成为井下热害最严重的地方^[21-22]。矿井深部掘进巷道大多为高温高湿空气,湿空气在不同压力、温湿条件下自身状态参数也会发生改变,对传热计算中相关的显热、潜热计算产生影响^[23]。掘进巷道中存在的涌水、产热设备、运输矿石的氧化等都在一定程度上加重了热害^[24]。进行掘进巷道热害治理必须综合考虑以上影响因素。

目前对矿井掘进巷道在多热源复合影响下传热过程的研究较少。为此,应用ANSYS中Fluent、Steady-State Thermal、Static Structural模块进行热流固耦合传热分析,获得岩体热流密度、热应变分布与巷道在不同风速、入风温度影响下的温度场分布。研究结论可对掌握掘进巷道多热源下温度场分布规律,针对性的热害治理提供重要参考。

1 掘进巷道耦合传热理论模型

随着通风时间的增加,围绕掘进巷道的岩体被冷却,被冷却的岩体区域被称为调热圈。假设围岩均质、各向同性,原岩温度恒定,冷却围岩的温度分布服从傅里叶热传导微分方程,即

(1)$\frac{\partial \mathit{t}}{\partial \mathit{\tau }}$=α

$\left(\frac{{\partial }^{2}\mathit{t}}{\partial {\mathit{r}}^{2}}+\frac{1}{\mathit{r}}\frac{\partial \mathit{t}}{\partial \mathit{r}}\right)$

式(1)中:t为围岩内温度,℃;τ为通风时间,s;r为围岩距巷道中心的距离,m;α为围岩热扩散系数,m²/s。

岩体与空气的对流传热量为

(2)Q_f=h(t_w-t_f)×2πr₁

式(2)中:h为对流传热系数,W/(m²·K);t_w为壁面温度,℃;t_f为空气温度,℃。

岩体内导热量为

(3)Q_w=$\frac{2\mathit{\pi }\mathit{\lambda }}{\mathit{l}\mathit{n}({\mathit{r}}_{2}/{\mathit{r}}_{1})}$(t₀-t_w)

式(3)中:λ为导热系数,W/(m·K);t₀为原岩温度,℃。

在巷道通风过程中,围绕巷道的岩体不断被冷却,经历一段时间通风后,冷却范围基本稳定且变化幅度很小。因为变化幅度较小,且对实际现场影响很小,此时可以将调热圈传热状态考虑为无限接近的稳态导热,岩体内导热量与岩壁上空气对流传热量近似相等,即Q_f=Q_w。

(4)t_w=$\frac{\mathit{\lambda }{\mathit{t}}_{0}+\mathit{h}{\mathit{t}}_{\mathit{f}}{\mathit{r}}_{1}\mathit{l}\mathit{n}({\mathit{r}}_{2}/{\mathit{r}}_{1})}{\mathit{\lambda }+\mathit{h}{\mathit{r}}_{1}\mathit{l}\mathit{n}({\mathit{r}}_{2}/{\mathit{r}}_{1})}$

矿井巷道中有时会有积水或涌水存在,水会蒸发吸热也会凝结放热,这引起巷道空气的空气压力、温度、湿度等参数的变化,复杂湿环境下传热计算是一个难点。

潜热计算公式为

(5)Q_q=h_mγ(d₂-d₁)

式(5)中:Q_q为潜热传热量,W;h_m为表面传质系数,m/s;γ为汽化潜热,kJ/kg;d₂为2点含湿量,kg(水蒸气)/kg(干空气);d₁为1点含湿量,kg(水蒸气)/kg(干空气)。

对于淋湿的巷道,围岩通过淋湿面减弱或阻止传热,其热交换流量为

(6)Q_s=(β_w-1)hU(t_w-t_f)

式(6)中:Q_s为热交换流量,W/(m²·s);β_w为巷道壁面涌水淋湿系数;U为巷道周长,m。

数值模拟是求解矿井巷道复杂传热问题的方法。流体计算中采用Navier-Stokes建立风流流动控制方程组,采用标准k-ε(k为湍动能,ε为湍动能耗散率)双方程模型计算其流动特性,连续方程为

(7)$\frac{\partial }{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}$(ρu_i)=0

动量方程为

(8)$\frac{\partial }{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}$(ρu_iu_j)=-$\frac{\partial \mathit{p}}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}$+$\frac{\partial }{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}\left[(\mathit{\mu }+{\mathit{\mu }}_{\mathit{t}})\left(\frac{\partial {\mathit{u}}_{\mathit{j}}}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}+\frac{\partial {\mathit{u}}_{\mathit{i}}}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{j}}}\right)\right]$

k方程为

(9)$\frac{\partial }{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}$(ρu_ik)=$\frac{\partial }{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}\left[\left(\mathit{\mu }+\frac{\mathit{\mu }}{{\mathit{\delta }}_{\mathit{k}}}\right)\frac{\partial \mathit{k}}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}\right]$+G_k-ρε

ε方程为

(10)$\frac{\partial }{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}$(ρu_iε)=$\frac{\partial }{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}\left[\left(\mathit{\mu }+\frac{\mathit{\mu }}{{\mathit{\delta }}_{\mathit{\epsilon }}}\right)\frac{\partial \mathit{k}}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}\right]$+$\frac{{\mathit{C}}_{\mathit{\epsilon }1}\mathit{\epsilon }}{\mathit{k}}$G_k-G_ε₂ρ

$\frac{{\mathit{\rho }}^{2}}{\mathit{k}}$

(11)μ_t=C_μρ

$\frac{{\mathit{k}}^{2}}{\mathit{\epsilon }}$

(12)G_k=μ_t

$\frac{\partial {\mathit{u}}_{\mathit{j}}}{\partial {\mathit{X}}_{\mathit{i}}}\left(\frac{\partial {\mathit{u}}_{\mathit{j}}}{\partial {\mathit{X}}_{\mathit{i}}}+\frac{\partial {\mathit{u}}_{\mathit{i}}}{\partial {\mathit{X}}_{\mathit{j}}}\right)$

式中:x_i和x_j为坐标;ρ为空气密度,kg/m³;p为湍流有效压力,Pa;u_i和u_j为流体速度,m/s;μ为层流黏性系数,Pa·s;μ_t为湍流黏性系数,Pa·s;k为湍动能,m²/s²;ε为湍动能耗散率,m²/s³;δ_k为k方程湍流普朗特数;δ_ε为ε方程湍流普朗特数;G_k为影响系数,kg/(s³·m);C_μ为经验常数;C_ε₁、C_ε₂为常数,分别为1.43、1.91。

2 现场实验

选取中国山东省夏甸金矿-1 020 m一段新掘进通风巷道作为实验对象。该拱形巷道宽3.5 m,高3.32 m,长65 m,断面11.05 m²。该段巷道原岩温度为40 ℃,岩石密度为2 800 kg/m³,比定压热容920 J/(kg·K),导热系数为3 W/(m·K)。实验巷道中有功率92 kW的铲运机作业,设备发热区域表面温度38.7~41.5 ℃。该段巷道采用压入式通风方式,风筒型号DJK50NO.6.5,风筒直径0.5 m,风筒长50 m,风筒断面0.196 25 m²。风筒入口风速13.7~16.2 m/s,入风温度13.5 ℃。巷道内有热水从岩体内流出,水流量约2 kg/s。

实验中使用温湿度记录仪测试环境温度和相对湿度,使用风速仪测试实验区域风速,使用红外测温仪测试巷道壁面和水体温度。温湿度记录仪型号为RC-4,温度范围为-30~60 ℃,相对湿度范围为0~99%,如图1(a)所示。风速仪型号为AZ 9651,风速范围为0~45 m/s,如图1(b)所示。红外线测温仪型号为希玛ST980,温度测量范围:-50~680 ℃,如图1(c)所示。

实验时每隔5 m布置一个测试断面,每个测试面布置4组测点,监测断面气温、风速、湿度等参数变化,4组测点平均值作为实验值,如图2所示。

实验温度数据如表1所示。表1中距离0 m位置为巷道出口,65 m位置为掘进迎头处。实验时,入风温度为13.5 ℃,入风平均风速为15 m/s。

3 数值模型与参数设定

3.1 几何模型

根据实测尺寸数据,通过ANSYS软件建立数值模型,如图3所示。该段巷道为新掘进巷道,通风时间较短,围岩传热受影响范围较小,将通风巷道周围10 m岩体作为研究对象。热水从斜上方穿过岩体流入巷道,在巷道底部形成长度为10 m的积水区,该积水区距巷道出口25 m,热水从积水区经排水沟流出。热水入口0.4 m×0.4 m,巷道水深度0.4 m,排水沟0.4 m×0.4 m。新风经过风筒到达作业地点,距风筒出口5 m有一辆矿车,矿车长5.8 m、高2.5 m、宽2 m,矿车后部为散热面。

对模型划分网格,Nodes为450 890,Elements为2 090 506,网格最大偏斜度0.84,网格质量可以满足数值模拟需要。

3.2 参数设定

实验中将Fluent与Steady-State Thermal与Static Structural模块耦合,在Fluent求解完成后将流场解算结果分别导入Steady-State Thermal与Static Structural模块中,解算固体区域温度场与热应变。Fluent中参数设定如表2所示。

在数值模拟实验中,风筒入口风速分别设置为5、10、15、20、25 m/s,风筒入口风流温度分别设置为10、13.5、17、20.5、24 ℃。其中风筒入口风速为15 m/s的实验数据与实测风筒入口风速13.7~16.2 m/s时的实验数据进行比较验证。因为热水流速较小,对数值模拟结果影响较小,为节约数值计算资源,将水设置为静止状态,水体温度同原岩温度均为40 ℃。

4 实验数据分析

4.1 流固耦合传热温度场分析

在入风温度为13.5 ℃、风速为15 m/s条件下,巷道与岩体通风传热达到稳定状态后,温度云图如图4所示。

由图4可知,靠近掘进头部分因风流温度较低,该区域岩体被冷却范围较大,调热圈范围较大。从巷道纵向截面图来看,调热圈(岩石被冷却范围)的温度场围绕通风巷道呈圆环状分布。在距巷道出口30 m位置(截面:z=30 m)是热水影响区域,调热圈的分布范围明显受到热水影响,因为热水与原岩温度相同,该区域调热圈范围较小。在其他区域,各温度区间围绕巷道呈圆环状分布,且分布均匀,变化很小。

Fluent计算结果导入Steady-State Thermal中,计算完成后,岩体区域热流密度分布如图5所示。

如图5所示,岩体区域热流密度值分布在0.009 362 7~9 789.3 W/m²,绝大部分区域热流密度在1 087.7 W/m²以下。在热水区附近的热流密度值较高,在热水与岩石交界存在热流密度最大值,数值为9 789.3 W/m²。从等值面图分布来看,热流密度围绕通风巷道以近似圆环状分布,靠近热水的岩石区域热流密度数值较大。巷道通风时,矿车作业时产生的热量经风流带走,靠近矿车的岩石区域的热流密度分布没有明显变化。靠近热水的岩石区域是热流密度最高区域,也是传热最强烈的区域。

在掘进巷道通风过程中,岩体温度不断下降会产生热应变,受温度应力影响岩体会发生微小几何形状或尺寸变化。长期的通风条件下,岩体可能发生裂隙与破坏,影响到安全生产。等效弹性应变可以反映岩体区域热应变强弱程度。Fluent和Steady-State Thermal中的计算结果导入Static Structural中,解算完成后,岩体区域等效弹性应变分布如图6所示。

从图6可以看出,岩体等效弹性应变数值在0.000 009 796 9~0.000 545 32 m/m,大部分区域在0.000 069 299 m/m以下。在热水和矿车附近的等效弹性应变较高,最大值出现在与热水接触的岩体壁面处,最大值为0.000 545 32 m/m。受热水、矿车、通风影响较小的模型边缘位置存在热应变最小值。从等值面图分布来看,从巷道出口到热水区,等效弹性应变呈圆环状分布。在靠近热水和矿车的岩石区域,等效弹性应变等值面图分布较为复杂,且距离巷道壁面越近,等效弹性应变数值越高。

4.2 不同入风参数对温度场影响分析

在入口风速v为15 m/s,入风温度t₀分别为10、13.5、17、20.5、24 ℃条件下,巷道内各测点温度变化如图7所示,其中纵坐标0 m位置为巷道出口位置,25~35 m位置为积水区,55~60.8 m区域有矿车存在,65 m位置为掘进头。

如图7所示,入风温度t₀分别为10、13.5、17、20.5、24 ℃条件下,在L=0 m时,空气温度t分别为15.79、18.71、21.63、24.55、27.46 ℃;在L=25 m时,空气温度分别为14.84、17.87、20.9、23.92、26.95 ℃;在L=35 m时,空气温度分别为13.82、16.91、20.03、23.09、26.18 ℃;在L=55 m时,空气温度分别为15.72、18.57、21.4、23.61、26.53 ℃;在L=65 m时,空气温度分别为13.63、16.7、19.78、22.86、25.93 ℃;从各测点数据可以看出,从在掘进头(L=65 m)到巷道出口(L=0 m)总体上空气温度逐渐增加。掘进头处,通风不良,导致测点(L=65 m)温度值较高。在L=55 m处,因为受到矿车产热的影响,测点温度值较高。分析积水区前后温度变化,可以看出空气经过积水区后,整体温度曲线有阶跃式上升,对比L=25 m和L=35 m测点数据,温度上升0.77~1.02 ℃。

从温度曲线变化可以看出,矿车产热可对巷道内局部空间空气温度产生影响,远离矿车区域的空气温度受影响较小。热水对巷道空气温度影响范围更大,空气在积水区加热后,温度曲线阶跃式变化且之后稳定增加。在不同的入风温度下,各条温度曲线等距分布,这说明,入风温度的改变可以从整体上改变巷道内空气温度场,入风温度越低降温效果越好。

在入口空气温度为13.5 ℃,入口风速分别为5、10、15、20、25 m/s条件下,进行数值模拟实验,巷道内各测点温度变化如图8所示。

如图8所示,入口风速分别为5、10、15、20、25 m/s条件下,在L=0 m时,空气温度分别为22.41、19.9、18.71、18.09、17.53 ℃;在L=25 m时,空气温度分别为21.02、18.76、17.87、17.34、16.9 ℃;在L=35 m时,空气温度分别为19.73、17.68、16.91、16.43、16.02 ℃;在L=55 m时,空气温度分别为20.18、18.97、18.57、18.31、18.14 ℃;在L=65 m时,空气温度分别为20.11、17.67、16.7、16.1、15.55 ℃;在掘进头位置(L=65 m)和矿车位置(L=55 m),空气温度较高,从掘进头到巷道出口(L=0 m),空气温度整体上在上升。在掘进头和矿车位置的空气温度较高。空气经过积水区后,温度有阶跃式上升,对比L=25 m和L=35 m测点数据,温度上升0.88~1.29 ℃。

空气经过积水区后,空气温度保持稳定增长,矿车产热仅对局部环境温度产生影响。从图8和图9看出,热水比矿车对巷道空气影响更大。对矿内空气热环境影响最大的是热水,为控制巷道内空气温度的上升,应对热水进行隔绝和排出。随着工作面的推进,矿车工作地点随之改变,矿车对巷道内热环境影响具有不确定性,但是其影响范围较小,通过通风的方法就可以进行控制。

对比不同风速下空气温度的变化趋势,风速越大,降温幅度越大,且降温幅度并不与风速发生同等变化。从图中可以看出,风速从5 m/s增加到10 m/s,绝大部分测点空气温度下降2 ℃以上;当风速从15 m/s增加到20 m/s,绝大部分测点空气温度下降0.7 ℃以下。这说明,风速达到一定数值后,通风降温效果非常有限。为实现较好的降温效果,应设置合理的通风参数。

4.3 数值模拟结果验证

将入风温度为13.5 ℃,入风风速15 m/s条件下的数值模拟实验数据和实测数据对比,如图9所示。

如图9所示,实测地点有14个位置,在L=0,50,55,60 m四个位置的差值较大,实测值与数值模拟实验值分别相差-1.2、0.96、2.4、1.7 ℃。在其他10个地点,两者温度值相差在0.5 ℃以下。

在实际作业环境中受到多种冷源或热源的影响,这导致两者个别测点差值较大。在L=0 m,受到巷道出口新鲜风流的影响导致该位置实测值较低;在L=50~60 m区域,因矿车加热、矿车阻挡风流传热和工人作业活动的影响,使得该区域热量不易散失,实测值与数值模拟值差别较大。因为数值模拟实验的条件非常理想,而实际工作环境会受到多种因素影响。总体上看,除了个别几个位置外,在其他位置数值模拟实验值和实测值相差是比较小的,数值模拟实验可以反映真实作业环境特点。数值模拟实验可以用来分析矿井掘进巷道耦合传热特性。

5 结论

(1)调热圈(岩石被冷却范围)的温度场围绕通风巷道呈圆环状分布,其分布范围明显受到热水影响。靠近掘进头部分因风流温度较低,该区域岩体调热圈范围较大。

(2)靠近热水的岩石区域是热流密度最高区域,在热水与岩石交界存在热流密度最大值,数值为9 789.3 W/m²。在热水和矿车附近的等效弹性应变较高,最大值出现在与热水接触的岩体壁面处,最大值为0.000 545 32 m/m。在靠近热水和矿车的岩石区域,距离巷道壁面越近,等效弹性应变数值越高。从热流密度和热应变数值分布来看,靠近热水的岩体区域受温度应力影响发生结构破坏风险较大,其次是靠近矿车的岩石区域。

(3)热水对巷道空气温度场影响范围最大,空气在积水区加热后,温度曲线阶跃式变化且之后稳定增加。矿车产热可对巷道内局部空间空气温度产生影响,远离矿车区域的空气温度受影响较小。

(4)入风温度的改变可以从整体上改变巷道内空气温度场,入风温度越低降温效果越好。风速越大,降温幅度越大,且降温幅度并不与风速发生同等变化。风速从5 m/s增加到10 m/s,绝大部分测点空气温度下降2 ℃以上;当风速从15 m/s增加到20 m/s,绝大部分测点空气温度下降0.7 ℃以下。风速达到一定数值后,通风降温效果非常有限。

通过研究掘进巷道多热源热流固耦合传热现象,分析其温度场分布与通风参数相关性,揭示高温岩体、机电设备、巷道空气、热水等多热源之间耦合传热特性,研究成果可以优化矿井通风降温方案,减少矿井热害治理经济投入;可以从热害防控角度优化围岩结构稳定防护方案,丰富矿山压力控制理论,为各类地下矿山热害防治与安全开采提供理论依据和技术指导。

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