深部矿井煤岩体注水对围岩温度场的影响*

陈 浩，张登春，邹声华，卿 倩

(湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

煤炭是我国主要能源，2016年煤炭消耗占能源总量的62%[1]。我国煤炭开采深度平均每年以8～10 m的速度递增，而占当前煤矿1/3的东部矿井开采深度正以平均每年10～25 m的速度增加[2]。当矿井深度达到1 000 m时，矿井中温度升高50%由围岩散热造成。矿井热害问题，已经成为深部矿井开采的主要问题[3]。研究深部矿井煤岩体注水对围岩温度场的影响，对改善井下工人的作业环境具有重要意义。

长孔静压注水渗流场、岩体温度场和井巷内温度场相互影响，水流的迁移伴随着能量的交换，直接影响煤岩体温度分布。岩体与井巷内风流进行热交换，从而改变矿井内温度分布。国外对地温场研究较早，1955年，Lauwerier[4]建立矿井注水模型，得到了水温随时间和距离变化关系式；1983年，Pruess和Bodvarsson[5]在Lauwerier建立的模型基础上，将水注入到一条孔隙率为100%裂隙中，得到了新的水温随时间和距离变化关系式；2009年，Rodriguez和Diaz[6]对矿井注水降温问题建立了不同的模型，得到水温与距离的变化关系；孙培德等[7]提出了井巷围岩地温场温度分布规律的简洁数学表达式；侯祺棕等[8]建立了解算通风巷道调热圈半径及其内部温度场的不定区域异步长差分格式，得到了调热圈半径与通风时间的平方根成线性关系的结论；岑衍强等[9-10]探讨了井巷围岩与风流间的热湿交换，建立了风流温湿预测模型；周西华等[11]用CFD方法对掘进工作面及回采工作面的风流流场进行了计算分析；张树光[12]对渗流作用下巷道围岩与风流的热交换过程进行了数值模拟；苏昭桂[13]推导得出了围岩导热反演算法的精确解法计算式和近似解法计算式；赵靖[14]模拟了矿井围岩与风流的热湿交换过程，得出围岩传热系数和传湿系数的回归计算式；李瑞[15]建立了掘进巷道内风流热平衡方程，通过解算得到了局部通风机出口、风筒出口及掘进头的风温计算模型。

本文假定煤岩体注水为等效连续的介质渗流模型，将煤岩体作为多孔介质，建立水渗流场、水流温度场和煤岩体温度场三维耦合数学模型，利用FLUENT软件进行数值求解，研究了水在不同流速下对围岩温度场的影响，以及孔隙率和不同裂隙种类对注水降温效果的影响。

1 深部矿井煤岩体注水降温计算模型

1.1 物理模型

以三河尖矿-980 m水平作为研究对象[16]，该矿井夏季调温圈半径为2.5 m。计算区域取长×宽×高为100 m×25 m×16 m的围岩体，巷道断面为半圆拱形，断面高度为4.5 m，直墙和拱高分别为2.5 m和2 m，巷道底板距围岩底部为2 m。采用型号为MZ2170用钻机打钻，孔径为113 mm，孔间距为3 m，共43个钻孔。注水管采用外径为25 mm，壁厚为2.5 mm的聚氯乙烯硬管对煤岩体实施注水降温，注水压力为1～2 MPa，注水流量为15～20 L/min，坐标原点位于围岩体几何中心，该矿井注水降温物理模型如图1所示。

图1 深部矿井煤岩体注水降温物理模型Fig.1 Physical model of water injection cooling in deep mine coal and rock mass

1.2 数学模型

对深部矿井煤岩体注水降温建立模型时，作如下假设：

1)煤岩体为均质、各向同性、不可变形的连续介质。

2)注水为稳态不可压缩流体，无相变。

3)水流动规律服从线性达西定律。

根据以上假设和多孔介质渗流理论，建立水流渗流场及温度场三维数学模型。

水流连续性方程：

·

(1)

水流动量方程：

(2)

(3)

水流温度场控制方程[17-18]：

(4)

式中：Cpw为水的定压比热容，kJ/(kg·K)；Tw为水的温度，K；λr为岩体导热系数，W/(m·K)；λw为水的导热系数，W/(m·K)；δ为空隙宽度，m；Tr为岩体边缘温度，K；ρw为水的密度，kg/m3。

2 边界条件处理

围岩体区域：设置为多孔介质区域，孔隙率为0.15，材料为砂岩，密度为2 350 kg/m3，比热0.84 kJ/(kg·K)，热传导系数λr=1.43 W/(m·K)。

水：密度ρw=998.2 kg/m3，比热Cpw=4 182 J/(kg·K)，热传导系数λw=0.6 W/(m·K)。

进口边界条件：采用速度入口边界，水流速分别为0.7，0.8，0.9，1.0，1.1 m/s；采用常温注水，水温为293 K；采用标准k-ε湍流模型，湍流动能k=0.05v2，湍流动能耗散率ε=Cμ0.75k1.75/0.07D，其中：D为水力直径，0.113 m，Cμ取常数0.09。

巷道围岩壁面：定义材料为砂岩，温度为312 K。

围岩体底面：定义材料为砂岩，温度为318 W，热生成率85 W/m3[19]。

3 数值模拟结果与分析

3.1 注水速度对围岩温度场的影响

在研究煤岩体注水降温对围岩体温度场影响时，选取掘进面x=-50 m断面进行分析。未注水时，巷道围岩体的热量传递仅为热传导作用，x=-50 m断面温度分布如图2所示。由图2可知，该断面温度场呈对称分布，平均温度为315.2 K，温度梯度为2.5 ℃/100 m左右[20]。

图2 未注水时x=-50 m断面温度分布Fig.2 Temperature distribution of x=-50 m section in original temperature field

改变注水速度(v=0.7，0.8，0.9，1.0，1.1 m/s)，得到x=-50 m断面温度分布如图3～7所示。由图3～7可知，在注水速度较低的情况下，围岩体温度场也能对称分布；速度越大，在某些区域内产生附壁效应，导致温度场不对称情况产生。当注水速度v=0.7 m/s时，x=-50 m断面平均温度为313.9 K；v=0.8 m/s时，x=-50 m断面平均温度为313.7 K；v=0.9 m/s时，x=-50 m断面平均温度为313.6 K；v=1.0 m/s时，x=-50 m断面平均温度为313.5 K；v=1.1 m/s时，x=-50 m断面平均温度为313.3 K。可见，注水速度越大，对矿井围岩体的温度影响越大，当v=1.1 m/s时，与原始岩温的温差为2℃左右。

图3 注水速度v=0.7 m/s时x=-50 m断面温度分布Fig.3 Temperature distribution of x=-50 m section at water injection velocity v=0.7 m/s

图4 注水速度v=0.8 m/s时x=-50 m断面温度分布Fig.4 Temperature distribution of x=-50 m section at water injection velocity v=0.8 m/s

图5 注水速度v=0.9 m/s时x=-50 m断面温度分布Fig.5 Temperature distribution ofx=-50m section at water injection velocity v=0.9 m/s

图6 注水速度v=1.0 m/s时x=-50 m断面温度分布Fig.6 Temperature distribution of x=-50 m section at water injection velocity v=1.0 m/s

图7 注水速度v=1.1 m/s时x=-50 m断面温度分布Fig.7 Temperature distribution of x=-50 m section at water injection velocity v=1.1 m/s

不同注水速度下，围岩体y=0 m，z=0 m，x=-20～45 m范围内温度分布如图8所示。由图8可知，随着注水速度的增大，同一位置的温度逐渐减小；在起始端，水与岩石发生强烈的热交换，导致围岩温度快速降低，在x=30～45 m之间，水压为水动力的主要部分，当在x=30 m处，水依靠重力在裂隙缝中流动，流速急速降低，在x=25～30 m之间，水能够和围岩体进行充分热交换，因此围岩体的温度降低量有所增加；随后，由于水温的增加，热交换减弱，水带走的围岩热量减少，围岩温度降低量变小；但在不同流速下，水均能和围岩体进行充分的热量交换，速度越大，热交换量越多，围岩体温度降低越多。

图8 不同注水速度下x=-20～45 m处温度对比Fig.8 Temperature contrast on x=-20～45 m indifferent water injection velocity

3.2 不同位置围岩体温度场的变化趋势

以每隔3 m设置1个注水口，相邻的4个注水口之间形成一个正方形，当注水速度v=1.1 m/s时，在注水平面内(x=50 m)选取4个点，分别为(0,0)(此点即为注水点)，(1.5,0)，(1.5,1.5)和(1,1)，选取x=-20～45 m处的截线温度(在小正方形中温度场对称分布)，相同注水速度下不同位置处温度对比曲线如图9所示。由图9可知，各截线上的温降趋势相似；距离注水点越远，温度越低，这是由于注水点位置的水速相对较快，水和岩体之间并没有进行充分的热量交换，使得注水点处的温度相对高于其他点的位置，通过渗流的方式从注水点处流动到四周，即在注水平面点(1.5,1.5)处的温度为312 K，比注水点处的温度低1℃；在x=25～45 m范围内，通过(0，0)点(即注水点)截线上的温度均高于其他截线上的温度，表明围岩体温度与水流速有关，水流速越快，低温水与围岩体之间的换热就不充分；在x=-25～25 m范围内，在重力和水压作用下，垂直方向的水渗流量高于水平方向的水渗流量，通过点(0，0)截线上的温度均低于其他截线上的温度，这表明围岩体温度与注水量有关，水量越多，带走的热量就越多。

图9 相同注水速度下不同位置处温度对比Fig.9 Temperature contrast at different locations in the same water injection velocity

3.3 2种裂隙情况下降温对比分析

当孔隙率均为15%时，在围岩体中设置2种不同情况的裂隙。一种在y=5 m和y=-5 m处，大小为80 m×0.1 m×14 m，用H表示(表现为张性裂隙)；另一种在x=20 m和x=-20 m处，大小为0.1 m×25 m×16 m，用S表示(表现为剪性裂隙)。当注水速度v=1.1 m/s时，围岩体y=0，z=0，x=-25～45 m范围内温度变化如图10所示。由图10可知，H和S的温度变化相似，但H的温降更大。H和S这2种情况下，x=-50 m断面的平均温度分别为314.1 K和314.8 K。可见，注水降温对张性裂隙占主体的矿井降温效果更好，这是由于相同的深度中，在张性裂隙中的水压和水速均超过剪性裂隙的水压和水速，水压和水速越高，降温效果越明显。

图10 2种裂隙情况下注水降温对比Fig.10 Temperature coolingcontrast of two kinds of cracks

图11 不同孔隙率下注水降温对比Fig.11 Temperature cooling contrast of different porosity

3.4 孔隙率对煤岩体注水降温的影响

图11为注水速度v=1.1 m/s时，不同孔隙率φ条件下，取y=0，z=0，x=-25～45 m范围内温度变化。由图11可知，在孔隙率φ=5%和φ=10%时，两者的温度变化相似，温度差在0.5 ℃以内。当φ=5%时，x=-50 m断面平均温度为314.2 K，当φ=10%时，x=-50 m断面平均温度为314.13 K，相对于原始断面温度315.2 K，温度只降低1℃左右；对比φ=12.5%和φ=15%可知，以同样的方式注水降温，孔隙率越大，降温效果越好。可见，在孔隙率φ≤10%时，采用低流量中压注水对矿井围岩体降温效果不佳。对比φ=5%和φ=15%，将x=-20～45 m分为3个阶段，x=20～45 m为第1阶段，x=0～20 m为第2阶段，x=-20～0 m为第3阶段。由图11可知，在第1阶段，在相同流速和压强下，孔隙率对降温效果起主要作用，孔隙率越大，水与围岩体的接触面积越大，降温效果越好；在第2阶段，孔隙率高的围岩温度升高而孔隙率低的围岩温度反而降低，这是由于随着矿井深度的增加，重力是水往深处流动的主要推动力，水沿着裂隙运动，孔隙率越低，水与围岩体接触时间就越长，水就可以和围岩体进行充分热交换，交换的热量也就会高于孔隙率高的情况；在第3阶段，无论孔隙率的大小情况，水温较开始注水时的温度有了很大的升高，这时水与围岩体之间的热量交换趋于平缓，围岩体温度场变化不大。

4 结论

1)不同的孔隙率、裂隙类型和注水速度对深部矿井围岩体温度场的分布有重要影响。水的迁移伴随能量的转换，沿着注水的流动方向，水、岩温差逐渐减小，围岩温度降低值逐渐减小。

2)注水速度对围岩体温度场的分布有着重要影响。在本文采用低流量中压缓慢注水的方法中，当v=1.1 m/s、孔隙率为15%时，降低岩温2 ℃左右，效果明显；注水速度越低，降温效果越差。

3)本文研究了深部矿井煤岩体注水时注水速度、孔隙率和裂隙种类对围岩体温度场的影响，煤岩体温度场直接影响工作面温度，下一步将研究煤岩体注水对工作面温度的影响。

[1] 2016年国民经济和社会发展统计公报, http://www.gov.cn/shuju/2017-02/28/content_5171643.htm.

[2] 郭平业.我国深井地温场特征及热害控制模式研究[D].北京:中国矿业大学,2009.

[3] 高志鹏.矿井降温技术研究现状及展望[J].应用能源技术,2014(11):38-43.

GAO Zhipeng. Mine cooling technology research situation and prospect [J]. Applied Energy Technology, 2014(11):38-43.

[4] LAUWERIER H A. The transport of heat in an oil layer caused by the injection of hot fluid[J]. Applied Scientific Research, 1955, 5(2-3):145-150.

[5] HOFER E, SCHWEIGHOFER B. Thermal effects of reinjection in geothermal reservoirs with major vertical fractures[J]. Journal of Petroleum Technology, 1984, 36(9):1567-1578.

[7] 孙培德,朱萃琦.深井巷道围岩地温场的研究[J].中国矿业大学学报,1989,19(2):27-34.

SUN Peide, ZHU Cuiqi. Study on the geothermal fields of country rock on deep tunnels [J]. Journal of China University of Mining & Technology, 1989, 19(2):27-34.

[8] 侯祺棕,沈伯雄.调热圈半径及其温度场的数值解算模型[J].湘潭矿业学院学报,1997,12(1):9-16.

HOU Qizong, SHEN Boxiong. The calculation model of control heat circle radius and its temperature field [J]. Journal of Xiangtan Mine Institute, 1997, 12(1):9-16.

[9] 岑衍强,胡春胜,侯祺棕.井巷围岩与风流间不稳定换热系数的探讨[J].阜新矿业学院学报,1987,6(3):105-113.

CEN Yanqiang, HU Chunsheng, HOU Qizong. Investigation into unsteady heat transfer coefficient between the surrounding rock of mine wells or lanes and airflow [J]. Journal of Fuxin Mine Institute, 1987, 6(3):105-113.

[10] 岑衍强,侯祺棕.矿内热环境工程[M].武汉:武汉工业大学出版社,1989.

[11] 周西华,王继仁,卢国斌.回采工作面温度场分布规律的数值模拟[J].煤炭学报,2002,27(1):59-63.

ZHOU Xihua, WANG Jiren, LU Guobin. The numerical simulation of distribution law of temperature field in coal face [J]. Journal of China Coal Society, 2002, 27(1):59-63.

[12] 张树光,李永靖.裂隙岩体的流固耦合传热机理及其应用[M].沈阳:东北大学出版社,2012:64-83.

[13] 苏昭桂.巷道围岩与风流热交换量的反演算法及其应用[D].泰安:山东科技大学,2004.

[14] 赵靖.矿井围岩与风流热湿交换若干问题的实验研究[D].天津:天津大学,2007.

[15] 李瑞.深井掘进巷道热灾害预测模型研究[D].西安:西安科技大学,2009.

[16] 朱帅.深部热害矿井热环境特性及调温技术研究[D].山西:太原理工大学,2017:130-131.

[17] 赵延林,王卫军,曹平,等.不连续面在双重介质热-水-力三维耦合分析中的有限元数值实现[J].岩土力学,2010,31(2):638-644.

ZHAO Yanlin, WANG Weijun, CAO Ping, et al. Numerical implementation of discontinuities in dual media 3D model for thermo-hydro-mechanical coupling [J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(2):638-644.

[18] 王瑞凤,赵阳升,胡耀青.高温岩体地热开发的固流热耦合三维数值模拟[J].太原理工大学学报,2002,33(3):275-278.

WANG Ruifeng, ZHAO Yangsheng, HU Yaoqing. 3D numerical simulation in exploitation of HDR [J]. Journal of Taiyuan University of Technology, 2002, 33(3):275-278.

[19] 张源.高地温巷道围岩体非稳态温度场及隔热降温机理研究[D].北京:中国矿业大学,2013.

[20] 何满潮,郭平业,陈学谦,等.三河尖矿深井高温体特征及其热害控制方法[J].岩石力学与工程学报,2010,29(S1):2593-2597.

HE Manchao, GUO Pingye, CHEN Xueqian, et al. Research on characteristics of high-temperature and control of heat-harm of Sanhejian coal mine [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(S1):2593-2597.