深井巷道热湿传递规律及壁面隔阻降温机理研究结题摘要

针对深部矿井巷道内高温高湿的特点，进行了三个方面的研究：孔隙介质热物性、含湿巷道围岩传热传质规律以及隔热材料和隔热效果分析。第一根据有效导热系数的定义和热阻模拟方法，计算了干燥破碎煤体的导热系数，与实测值吻合；对于孔隙岩体，模拟了不同孔隙率条件下孔隙规则分布与随机分布两类模型的稳态热传导。结果表明等效导热系数与固体基质率之间呈双对数线性关系，拟合指数符合Archie定律；含小孔隙且未集中分布的岩体导热系数是各向同性的。第二针对深部巷道湿壁巷道与风流间非稳态传热传质问题，研究发现在瞬态传热传质试验初始阶段，巷道围岩温度迅速降低，此后降幅趋缓并逐渐稳定为定值。水分扩散半径要比热扰动半径小，湿壁巷道的出风口焓值要远远高于干燥巷道，水分传递引起的潜热在深部热环境中具有重要作用。周期性传热发现，巷道风流的温度、湿度和焓值以及围岩温度均呈现周期性变化。距离壁面越远的位置，巷道围岩温度波动幅度越小，且巷道温度波相位滞后于风流。第三研究了隔热材料的力学性质，发现抗压强度与干密度呈指数关系；水灰比对纤维最优添加量有一定影响。对低干密度泡沫混凝土，添加短纤维对抗压、抗拉强度提升明显，最高增幅分别为180%和86%；网状纤维对抗压、抗拉强度的提升优于丝状纤维；添加纤维后泡沫混凝土弹性模量和峰后残余强度分别为原来的4倍和2倍。隔热材料导热系数与干密度也呈指数关系，且随含水率增大迅速增加，增幅主要受孔隙率决定。求解了巷道隔热层瞬态传热方程，计算发现铺设隔热层后围岩原始温度受到风流扰动显著降低，通风5年时未隔热巷道传热量为铺设隔热层的1.6倍；巷道/隔热层热阻与隔热层铺设厚度呈线性变化，随着铺设厚度增加热阻迅速增加，同时换热强度不断降低。当巷道铺设双隔热层时，热阻与厚度间仍呈线性关系且与顺序无关。巷道/隔热层热阻受导热系数小的材料影响更大。隔热层厚度增加后，传热系数对传热量影响也逐渐降低。数值计算发现，一定长度的巷道壁面与风流温度沿轴向呈线性增加，但两者增加率并不相同。铺设隔热层的轴向风流温升率明显低于未铺设时；巷道风速越高、巷道尺寸越大、原始围岩温度越低、冷却半径越大，出风口风流温升越小。项目研究所获得的结论，可为高温高湿矿井采用壁面隔热阻湿技术实现热环境改善提供一定参考。 2100433B

继瓦斯、煤尘、顶板、水灾和火灾事故后，热害已成为威胁煤矿安全生产的第六大灾害，且随着开采深度的不断增加有日趋严重的趋势。项目以热害治理为工程背景，针对深部热环境高温、高湿的特点，基于当前降温系统大投入、高耗能的现状，紧紧围绕围岩壁面热湿输运及阻断机理这一关键科学问题，通过物理模拟试验、试样试验、理论分析及数值模拟相结合的方法，研究裂隙岩体热物理及渗透性质，获得等效导热系数变化及非达西渗流规律；研究含湿围岩体热量与水分输运特性，建立热湿耦合传递方程并深入分析巷道壁面热湿传递规律；研究巷道壁面阻热隔湿机理和分析壁面散热与散湿量，获得巷道内风流温湿度变化规律，同时研制低导热系数和低渗透系数的泡沫材料并测试其隔热阻湿效果，为深部热害治理技术的研究及工程应用提供可靠的理论支持和科学依据。

深井软岩巷道持续损伤破坏是我国东部矿区巷道支护面临的主要问题之一，目前仍沿用浅部巷道支护方法，部分巷道经数次返修仍持续变形，威胁安全生产，亟需进行高应力下已损伤软岩的时效损伤和支护结构支护机理研究，为巷道支护设计提供理论支撑。首先，进行损伤状态可控的煤岩流变损伤耦合试验，揭示煤岩损伤与其流变相互作用规律，建立能反映煤岩流变损伤耦合特征的本构模型及数值分析方法；其次，改进钻孔弹模仪，对巷道围岩在开挖和开采扰动下的损伤演化进行现场测试，结合钻孔声波仪和钻孔成像系统对围岩内部裂隙发育情况的探测结果和理论模型分析结果，揭示围岩损伤时效演化机理；同时，利用自行研制的锚杆无损检测仪和应变传感器等检测锚杆(索)和U型钢支架等支护结构的受力变化，依此分析围岩损伤演化和不同支护结构响应特征的相互关系；最后，通过数值分析研究不同支护条件下深井软岩巷道开挖瞬时及长期稳定性，根据巷道服务年限提出支护方案和参数。

《深井高应力巷道底鼓机理及预应力锚固技术》以新汶矿区为工程背景，对深井高应力巷道围岩大变形进行了区域划分，建立了各分区的岩体结构力学模型，推导出各分区结构岩体变形公式和破坏判据。主要内容包括：力学测试及变形规律监测，巷道底鼓发生的机理、控制原理与控制技术，预应力锚索注浆封孔原理及封孔方法，锚固孔成孔技术及装备，井下工业性试验等。

《深井高应力巷道底鼓机理及预应力锚固技术》可供煤炭行业地质从业人员及相关科研人员学习借鉴，也可供高等院校相关专业师生参考。

随着开采深度的增加，巷道矿压显现由帮顶逐渐转变为全断面来压，锚杆（索）和注浆加固是治理底鼓的技术方向，底板下向成孔稳定性及成孔质量是实施底板加固的前提条件。本课题针对深井软岩巷道底板下向加固钻孔孔壁稳定性问题展开研究，通过分析确定成孔过程中影响孔壁稳定性的主控因素，结合对孔壁稳定性可测显性因素的量化描述，建立各因素影响程度的特征指标，并作出各影响因素对孔壁稳定的敏感性判断，揭示下向孔孔壁多因素耦合失稳机理；利用圆柱孔扩张理论结合弹塑性力学对下向孔孔壁岩体进行弹塑性力学分析，结合典型下向孔钻进方式分析成孔过程中孔周应力场演化规律，建立考虑主控因素的深井软岩巷道下向孔孔壁稳定性模型；并通过分形维数、损伤变量、孔壁表面粗糙度等量化反映下向孔的成孔质量，进而分析其对岩锚承载强度的影响规律，为合理实施下向孔加固底板提供理论指导。