煤岩体传热性能的离散元数值模拟

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近年来,煤炭消耗量的日益增加导致矿井开采的深度越来越深,开采难度也随之增大,其中高温热害问题成为了开采过程中不可避免的危害之一。煤岩体是矿井煤层中重要的组成部分,煤层中煤岩体的岩性组合以及岩石与煤之间接触面的厚度往往是多种多样的,两者的改变会导致煤岩体内热量传递情况发生变化,直接影响到煤岩体的表面温度,容易造成煤层自燃、矿井热害、瓦斯事故等危害隐患,因此展开不同岩性和不同接触面厚度煤岩体的热传导研究在工程实际当中具有重要的意义。基于以上工程背景,本文采用数值模拟的方法,分析了岩性和接触面厚度的改变对煤岩体传热性能的影响,主要研究内容如下:(1)针对不同岩性(粉砂岩、泥岩、砂岩和细砂岩)煤岩体,开展热传导二维数值模拟研究,重点分析温度场云图和各测点曲线对比图的变化情况。研究结果表明:煤岩体的导热性能会受其内部导热系数分布的影响,导热系数越大的区域,导热性能越好,导热速度越快;四种不同岩性的煤岩体中,岩石区导热系数最大的煤岩体,导热能力最强,其中岩石区为细砂岩的煤岩体导热性能最好。(2)针对不同接触面厚度(2mm、3mm、4mm和5mm)煤岩体,开展热传导二维数值模拟研究,重点分析温度场云图和各测点曲线对比图的变化情况。研究结果表明:接触面厚度的变化也会影响煤岩体内部导热作用的强弱分布。当厚度为2mm时,煤岩体高温侧的导热作用最强,整体的导热性能最好;当厚度为3mm、4mm和5mm时,煤岩体低温侧的导热作用最强。(3)开展不同岩性(粉砂岩、泥岩、砂岩和细砂岩)和接触面厚度(2mm、3mm、4mm和5mm)工况下煤岩体热传导的三维数值模拟研究,重点分析温度场和各测点曲线对比图的变化情况,并将二维数值模拟分析结果和三维数值模拟分析结果进行对比。结果表明:三维模型状态下不同岩性和不同接触面厚度煤岩体的热传导数值模拟结果与二维模型状态下不同岩性和不同接触面厚度煤岩体的热传导数值模拟结果大致相同,但由于三维数值模拟得到的煤岩体热传导到达稳态所需的时间更加符合实际情况,因而三维模型能更好地模拟煤岩体的传热性能。
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