基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法及系统

本技术涉及采矿，特别涉及一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法及系统。

背景技术：

1、随着煤矿资源需求的不断增加，以及开采强度的不断提高，浅部资源逐渐枯竭，矿山开采即将进入深部开采阶段。

2、随着采深的增加，伴随着高地温的出现，部分围岩温度将高达42℃，导致掘进风流温度超过36℃，严重超过了规定的采掘工作面风流温度（30℃），同时也远远超过了人体劳动时的适宜温度，甚至导致出现中暑、热虚脱、热衰竭等。

3、矿山地热造成的高温热害问题日趋严重，比如，矿井热害造成煤岩体性质劣化、支护结构失效、导致高温高湿环境等，特别是高温高湿环境还会对工人的生理、心理和行为都造成不利的影响，热害问题严重威胁了井下的生产安全。

4、矿井热害防治的前提是精准计算掘进过程中产生的总散热量，在掘进工作面掘进过程中，围岩散热是最主要的散热源，其散热量约占总散热量的90%，围岩散热量的计算是精准计算总散热量的关键，但随着掘进迎头的推进，掘进迎头处的对流换热系数不断变化，导致其散热强度变化规律极为复杂。

5、因而，亟需提供一种针对上述现有技术不足的技术方案。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法及系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

2、为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、本技术提供一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法，包括：步骤s101、将所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场简化为轴对称无内热源导热的物理模型，确定所述掘进巷道在固定坐标下围岩温度场的边界条件；步骤s102、基于预设的坐标变换模型，将所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场转化为移动坐标下的温度预测模型；其中，所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型的边界条件与所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场的边界条件相同；步骤s103、对所述掘进巷道移动坐标下的温度预测模型进行解算，得到所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场；步骤s104、根据所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场，确定所述掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度；步骤s105、基于牛顿冷却定律，根据所述掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度，确定所述掘进巷道的围岩散热量。

4、优选的，在步骤s101中，所述边界条件为：

5、；

6、其中，表示所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场对应的围岩温度；表示所述掘进巷道的围岩原始岩温，取值为常数；表示所述掘进巷道的围岩导热系数；表示边界的法向方向；表示所述掘进巷道的巷道围岩与风流之间的对流换热系数；表示所述掘进巷道的围岩壁面温度；表示所述掘进巷道内的风流温度；

7、表示所述掘进巷道的巷道围岩内部的原始岩温边界；表示所述掘进巷道的巷道壁面与风流之间的对流换热边界。

8、优选的，在步骤s102中，预设的坐标变换模型为：

9、；

10、其中，表示移动坐标的横向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；表示移动坐标的径向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离；表示所述掘进巷道的平均掘进速度，表示掘进时间；表示固定坐标的水平方向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；表示固定坐标的垂直方向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离。

11、优选的，在步骤s102中，所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型为：

12、；

13、其中，表示所述掘进巷道的围岩温度；表示所述温度预测模型中的积分区域面积；表示所述掘进巷道的围岩导热系数；表示移动坐标的横向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；表示移动坐标的径向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离；表示所述掘进巷道的围岩密度；表示所述掘进巷道的围岩比热容；表示所述掘进巷道的平均掘进速度。

14、优选的，在步骤s103中，沿所述掘进巷道的径向，采用等比划分方法，对所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型进行三角形网格划分。

15、优选的，在步骤s103中，对所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型进行离散化，并基于有限体积法确定所述掘进巷道在移动坐标下的各节点温度，以构建所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场。

16、优选的，在步骤s104中，按照公式：

17、；

18、确定所述掘进巷道围岩壁面热流密度；

19、其中，表示所述掘进巷道的巷道壁面与风流之间的对流换热边界；表示所述掘进巷道的巷道围岩与风流之间的对流换热系数；表示所述掘进巷道的围岩壁面温度；表示所述掘进巷道内的风流温度。

20、优选的，在步骤s105中，按照公式：

21、；

22、确定所述掘进巷道的围岩散热量；

23、其中，表示所述掘进巷道的围岩壁面热流密度；表示所述掘进巷道的长度；表示所述掘进巷道的围岩壁面温度；表示所述掘进巷道的周长；表示所述掘进巷道内的风流温度；表示所述掘进巷道的特征半径；表示移动坐标的横向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；表示移动坐标的径向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离。

24、本技术实施例还提供一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析系统，包括：边界确定单元，配置为将所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场简化为轴对称无内热源导热的物理模型，确定所述掘进巷道在固定坐标下围岩温度场的边界条件；

25、移动坐标温度场单元，配置为基于预设的坐标变换模型，将所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场转化为移动坐标下的温度预测模型；其中，所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型的边界条件与所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场的边界条件相同；

26、温度场解算单元，配置为对所述掘进巷道移动坐标下的温度预测模型进行解算，得到所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场；

27、参数确定单元，配置为根据所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场，确定所述掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度；

28、散热量确定单元，配置为基于牛顿冷却定律，根据所述掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度，确定所述掘进巷道的围岩散热量。

29、有益效果：

30、本技术实施例提供的基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法中，首先，将掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场简化为轴对称无内热源导热的物理模型，确定掘进巷道在固定坐标下围岩温度场的边界条件；然后，基于预设的坐标变化模型，将掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场转化为移动坐标下的温度预测模型，且掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型的边界条件与掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场的边界条件相同；接着，对掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型进行解算，得到掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场。最后，根据掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场，确定掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度，并基于牛顿冷却定律，得到掘进巷道的围岩散热量。

31、籍以，通过将掘进巷道固定坐标下的围岩温度场转换为移动坐标下的温度预测模型，通过移动坐标实现对掘进巷道动态掘进特性的模拟，结合掘进速度对巷道围岩散热强度变化的影响，有效减小了围岩散热强度变化对围岩散热量计算造成的误差，提高了掘进巷道围岩温度场和散热量计算的准确性和可靠性。