高温矿井含瓦斯煤岩多场耦合传热界面效应及作用机制研究

With the background of high-temperature need to be solved urgently in deep mining, we want to study the interfacial effect and mechanism during mechanical-gaseous-thermal coupling heat-transfer of coal containing gas in high-temperature mine. Research results will provide a basis for thermal environment analysis and optimal design of cooling system in mine. Studing the physical and mechanics parameters of coal, dynamic models of porosity, conductivity and permeability with the stress are built. Using related theories of engineering thermodynamics and multi-field coupling, we will build unsteady mechanical-gaseous-thermal coupling heat-transfer model. We will have a strong focus on mixed boundary condition, closure and harmony of controlling equations, which in turn improves computing method of temperature field in condition of coupling heat-transfer. Through simulating time-space distribution of temperature field in coal-wall-flow system, analyzing the action of gastransport, wall’s heat exchange and ventilation, we put forward conception and determining methods of “wall thermal resistance”. Aanalyzing evolutionary process and thermodynamics action of temperature field in coal-wall-flow system, studing control factors of space-time distribution and coupling actiom during evolution of temperature field，we turned to state the interfacial effect of wall and action mechanism of coupling heat-transfer. The research results not only has strong motivational role for perfecting related basic theory and key technology for prevent high-temperature, but also can be used in coal mine, metal mine, tunnel engineering, and other fields.

以煤炭深部开采迫切需要解决的高温热害问题为背景，研究高温矿井含瓦斯煤岩固-气-热耦合传热的界面效应及作用机制，为煤矿井下热环境分析和降温系统优化设计提供依据。进行含瓦斯煤岩物理力学性质的试验研究，建立孔隙率、导热率和渗透系数随应力变化的动态模型；运用工程热力学和多场耦合的相关理论，建立含瓦斯煤岩的非稳态固-气-热耦合传热模型，解决控制方程组的混合边界条件、封闭性和协调性问题，改进耦合传热温度场的计算方法；数值模拟含瓦斯煤岩-壁面-风流系统温度场的时空分布，分析瓦斯运移、界面换热和通风风流的作用，提出壁面热阻的概念和确定方法；分析煤岩-壁面-风流体系壁面区域温度场的演化过程和热动力学作用，寻求温度场时空分布的控制因素和内外因对温度场演化的耦合作用，阐述壁面的界面效应和耦合传热的作用机制。研究成果对完善矿井高温防治基础理论及关键技术起到促进作用，可在煤炭开采、金属矿山和隧道工程等领域推广应用。

项目以煤炭深部开采迫切需要解决的高温热害问题为背景，研究高温矿井含瓦斯煤岩固-气-热耦合传热的界面效应及作用机制，为煤矿井下热环境分析和降温系统优化设计提供依据。开展含瓦斯煤岩物理力学性质的试验研究，建立孔隙率、导热率和渗透系数随应力变化的动态模型；运用工程热力学和多场耦合的相关理论，建立含瓦斯煤岩的非稳态固-气-热耦合传热模型，解决控制方程组的混合边界条件、封闭性和协调性问题，改进耦合传热温度场的计算方法；数值模拟含瓦斯煤岩-壁面-风流系统温度场的时空分布，分析瓦斯运移、界面换热和通风风流的作用，提出壁面热阻的概念和确定方法；分析煤岩-壁面-风流体系壁面区域温度场的演化过程和热动力学作用，寻求温度场时空分布的控制因素和内外因对温度场演化的耦合作用，阐述壁面的界面效应和耦合传热的作用机制。. 建立了不同加载条件下的孔隙率-导热系数、孔隙率-导热系数-渗透系数动态模型，开展了采场区域煤岩体热-固耦合的相似模拟实验，测得了模型内部温度场的时空分布，分析了模型内部温度场的时空演化规律。建立了考虑传质与传热耦合作用的非稳态热传导与非稳态热对流能量微分方程并给出了定解条件，通过实例采用数值计算对风流热交换模型进行了验证；从质量守恒原理、动量定理和热力学第一定律出发，考虑固体动量对多孔介质动量守恒方程的影响，构建了采场区域含瓦斯煤岩体满足封闭性和协调性的固-气-热耦合传热模型。研究成果揭示了高温矿井含瓦斯煤岩多场耦合传热的界面效应及作用机制，提出了含瓦斯煤岩多场耦合传热“壁面热阻”和“界面效应”的基本概念及确定方法，为工程实践中简化计算和数值模拟中科学计算提供依据；系统地研究了瓦斯运移和通风风流作用下壁面区域传热的时空演化、数值计算方法和热动力学作用机制，为计算围岩散热量和采掘工作面风温提供依据，进而科学合理地确定矿井需冷量进行矿井降温系统的优化设计。