围岩温度对巷道变形规律的影响

内容摘要“ 三高一时效”是深部巷道工程重要特点,它严重影响巷道围岩的力学响 应。高地温是其中一个非常重要特点,温度的变化会影响到岩体的性质 1。在 温度作用下岩体内部可能出现促使应变产生或发展的各种热效应, 以及能引起 岩石相变的应力张弛。一般来说, 随着温度的增高,岩石的延性加大, 屈服点降 低,强度也降低,从而影响巷道围岩的稳定性 2 。温度场对深部巷道围岩应力 产生重要影响, 同样温度的作用必将影响巷道围岩的流变特性4。岩体温度是热害矿户的最大热源之一在满足工程计算精度要求的前提下, 简便 地计算出井巷围岩中任意空间点的温度分布随通风时间变化的规街, 是矿井风 温预测计算的基础理论问题。国内外学者对深井巷道围岩地温场的温度分布规律曾进行过大量的研究一 4 , 归纳起来说, 对地温场的分析有三大类方法 : (l) 通过地质钻孔测温法了解 地温场; (2)建立理想化的数学模型,借助电子计算机进行地温场的数值模拟分 析; (3)建立理想化的数学模型,从数学分析出发,求解地温场温度分布控制微分 方程的解析式。由于描述地温场分布的控制微分方程求解困难, 随着计算机技 术的飞速发展, 人们便借助计算机来求其数值解,并在矿山地热学中取得了一定 的成果印随着我国煤矿开采深度的不断增加, 其高温环境引起的热害问题越来越受到国内外学者和工程技术人员的关注, 深井巷道岩体温度是热害矿井 的最大热源。巷道围岩的温度场分布研究是基础问题之一, 本文基于地质学和 热力学理论, 给出巷道围岩温度场受不同的风流冷却时间的无因次解析式, 并导 出调热圈外半径的近似计算式，针对淮南矿区深部开采的高地温(42 C左右)，采 用有限元软件ANSYS9 .0对深井巷道围岩的温度分布进行了数值模拟分析。巷道围岩温度场分部( 1) 无渗流状态下 , 温度场和温度矢量呈对称分 布, 风流速度对温度分布有明显的影响, 但不改变其 对称分布的状态。( 2) 渗流所伴随的热迁移现象改变了温度场和 温度矢量原有的对称分布的状态, 热交换平衡区随 着渗流速度的增加, 将向顺渗流的方向移动, 平衡区 的范围也随之扩大。气流对温度分布的影响 在无渗流状态下，分别针对风速为1.0 m/s和2.0 m/s的情况,采用METLAB- PDE工具箱计算了巷道围岩的温度场分布,获得了围岩热交换达到平衡时的温 度场分布及其温度矢量（图2） 。在无渗流状态下的数值模拟结果表明,此时的 温度场成左右对称分布, 温度矢量围绕巷道中心呈向内扩散的对称分布。随着 风流速度的增加, 对巷道围岩温度影响圈的范围将随之增大, 但不改变温度场及 温度矢量的对称分布状态。从等温线的分布来看, 在风流与围岩的相互作用下, 无渗流巷道的上方会出现一个热交换平衡区, 并且随着风速的增加, 该平衡区将 向上移动。渗流对温度分布的影响针对图2（ a）情况，在研究区域的上方施加自 左向右的渗流场，渗流速度分别为100 cm/d和200 cm/d,围岩热交换达到平衡 时, 获得的温度场分布及其温度矢量见图 3。图 3 渗流对温度（ 矢量） 分布的影响渗流场的施加, 改变了温度场和温度矢量原有的对称分布的状态。在巷道的左 侧（逆渗流方向）等温线密集,而在右侧（顺渗流方向）等温线分布相对疏松,这 表明渗流伴随着热迁移现象。热交换平衡区受到渗流的影响, 将向顺渗流的方 向移动，并且随着渗流速度的增加，热交换平衡区的范围（宽度）有所边界g q扩 大。热交换平衡区的存在, 成为温度矢量改变方向的“分水岭”。2.1 围岩体的热传递方式热力学第二定律指出，在一个物体内部或物系之间，只要存在着温度差，热量 总是自发地由高温处传向低温处。这种靠温差推动的能量传递称为热传递过程。 由于温度差在自然界和生产领域中广泛存在着，故热量传递就成为自然界和生 产领域中一种普遍现象。从热量传递的机理上说，有三种基本热传递方式，即热传导、热对流和热辐射。热传导简称导热，它是指热量由物体的高温部分向低温部分的传递，或者由一 个高温物体向与其接触的低温物体的传递。这种传热过程是依靠物质微观质点 的能量传递而实现的，与宏观运动无关。导热是物质的本能，尽管导热能力有 所差异，但任何物质不论处于固态、液态或气态都能进行热传导。借助于流体宏观运动传递热量的过程称为热对流或对流换热。对流换热通常是 流体与固体表面之间的传热。热辐射是另一种热传递方式。它是指物体由于自 身温度的原因而向外发射可见的和不可见的射线（称电磁波或光子）来传递热 量的方式。热传导和热对流都要通过物质进行热传递，而辐射传热机理则完全 不同，它是借助于电磁辐射波传递热量的，在完全真空的地方热辐射仍能进行。隧道周围岩体中的热量传递方式也是传导、对流、辐射三种方式或者是其综合。 理论上，只要有温差，不论物体间有无接触或介质存在，都有热辐射发生。但 是由于隧道工程位于地壳浅层，围岩的温度变化辐度较小，而热辐射的量值与 物体绝对温度的四次方的差值成正比，故其值较小，可以忽略不计。所以在隧 道工程的围岩温度场研究中只需考虑导热与对流，其中传导是岩体内部的热量传递的主要方式；对流传热主要发生在隧道内表面与隧道内流动空气之间。影响巷道围岩温度分部的因素影响巷道围岩温度分布的因素国内外许多学者对围岩温度场及调热圈内温度的分布进行了大量的研究, 了解 和掌握了在不考虑巷道壁面水分蒸发情况下围岩温度分布规律。调热圈半径的 大小一般随着巷道通风时间的增长而增加。在巷道开挖初期, 围岩与风流的热 交换量大,调热圈内围岩的温度变化率非常大;随着通风时间的增长, 围岩冷却 范围逐渐向围岩内部扩展。当巷道通风一定时间后, 通风时间对围岩温度及调 热圈半径的影响甚微, 几乎可以认为不变 3 6 。在实际矿井巷道中都有水分存在 , 巷道壁面或顶底板的水分不断向风流中蒸发 围岩温度分布除受通风时间、岩石热物理性质影响外, 还受壁面水分蒸发、风 流相对湿度等因素影响。巷道表面水分的蒸发对围岩与风流的热交换起着重要作用。1 围岩温度场分布的解析解开掘巷道瞬间，岩体内各处温度都等于原始岩温Ty ,当恒定风温为Tf(Tf Ty) 的空气通过后，岩热就开始流向巷道。在t 1时刻内，围岩壁温度为Tb ,随着时 刻的继续增长，围岩壁温也不断接近风温(如图1所示)，即lim 丁匕Tk ,但严格 地说,Tb永远不会绝对等于Tk。当围岩壁温极为接近风温后，调热圈抵达相对 稳定的最大半径 1。新掘进的巷道,围岩中受风流冷却的调热圈不大,这时围 岩可当作半无限体来求出温度场。当巷道掘通100 d以上时，围岩受风流冷却 时间较长, 调热圈就会变大到相当程度, 这时围岩的温度场将受到巷道形状的影 响, 就不能把围岩单纯看作是半无限体, 要采用其他方法求解 2 。1.1 受风流冷却时间短的围岩温度场 受风流冷却时间短的围岩可当作半无限体来求出温度场。设围岩均质、干燥, 根据传热学有 3 :T -TfTy -Tf=erfx2 at, 0 dt 0.1）以后， R=2 处的围岩开始发生明显降温，之后是 R=3 处，最后发生温度 扰动的是 R=4 处的围岩。由此可见，温度扰动范围是由巷道壁面逐渐扩展到围岩 深部的。（ 2）随着通风时间的延长，巷道壁面的温度不断降低，但是温度降幅也在不断减小，以致于一段时间以后（Fo.8 ），巷道壁面的温度-时间关系曲线趋 于平缓。（ 3）除巷道壁面温度降幅在不断减小外，其余各测点的温度都在逐渐降低，但是降低速率首先会出现一个增长的阶段（Fo0.4，图（b ）中圈出的部分）， 之后再缓慢降低，总体表现为曲线斜率先增大后减小。由于模型中模拟巷道围岩的厚度（6 m ）还是偏小，所以2 巷道变形与破坏的主要影响因素分析 巷道围岩稳定性受各种因素影响, 它不仅取决于各种 地质条件等自然因素的影响, 同时也取决于技术、管理等 人为因素。巷道围岩变形量是其稳定性的反映, 是各种因 素综合作用的结果。211 围岩性质及构造特征影响 围岩的性质包括岩体的强度、节理发育和分布情况、 分层厚度等, 围岩强度越低、节理越发育、分层厚度越小, 则巷道越不稳定, 越易变形破坏。如孙村矿- 800 泵房布置 在强度高、完整性好的十一层顶板砂岩中, 采用直墙半圆 拱支护, 受上覆4418 - 19 面跨采影响两帮变形量仅为 11mm,顶底移近量仅为14mm,支护状况完好；而相同条 件下处于围岩强度较低、完整性较差的- 800 东大巷粉砂岩 段，跨采影响两帮移近量平均8315mm,最大为99mm,顶 底移近量平均2581 7mm, 虽经锚梁、锚索加固, 仍出现底 臌、喷层离层严重的现象。2.3 温度变化围岩对变形的影响 深井巷道围岩的地温一般随着开采深度的增加相应升高, 从目前的资料来看, 增温的梯度约为每100m温度升高1.5碑.5e在一些深井巷道，温度的变化引起 的岩石力学性质改变很明显图4一6给出了几种岩石在围压一定的情况下,不 同 温度下的应力差量与应变曲线33