渦北煤礦降溫機(jī)電硐室：圍巖穩(wěn)定性的深度剖析與控制技術(shù)創(chuàng)新一、引言1.1研究背景與意義隨著煤礦開采深度的不斷增加，一系列復(fù)雜的地質(zhì)問題接踵而至，其中高溫問題尤為突出。地下巖層溫度隨深度增加而梯度上升，一般地溫梯度約為3℃/100m，當(dāng)井深達(dá)到1000-5000m時(shí)，巖溫可達(dá)40-130℃。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)超過700米的金屬礦有100多座，超過700米后巖溫普遍超過35℃。在煤礦開采中，機(jī)械化程度的提高使得機(jī)械散熱大幅增加，進(jìn)一步加劇了井下高溫問題。如在炎熱季度，井下作業(yè)環(huán)境悶、潮、熱，從事繁重體力勞動(dòng)的工人8小時(shí)內(nèi)排汗量可達(dá)8-10升甚至更高，若不及時(shí)補(bǔ)充水分，可能導(dǎo)致脫水、失鈉等癥狀，引發(fā)熱疲勞、中暑等，嚴(yán)重時(shí)危及生命。高溫環(huán)境對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)帶來了多方面的挑戰(zhàn)。從人員安全角度，長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境會(huì)使人體體溫調(diào)節(jié)發(fā)生障礙，鹽、水代謝紊亂，神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等功能受到影響，導(dǎo)致作業(yè)人員精神恍惚、疲勞無力，大大增加了事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)調(diào)查，在礦井高溫高濕環(huán)境下，事故率增加1.7-2.3倍。從設(shè)備運(yùn)行角度，高溫會(huì)加速設(shè)備零部件的磨損和老化，降低設(shè)備的可靠性和使用壽命，增加設(shè)備維護(hù)成本和故障率，影響煤礦生產(chǎn)的連續(xù)性和效率。在深部礦井中，地面集中制冷下送模式無法滿足深部礦井差異化需求，易受礦壓影響，維護(hù)難度大，現(xiàn)有局部制冷設(shè)備則存在出風(fēng)溫度高、對(duì)水及新風(fēng)資源消耗過多、設(shè)備故障率高等問題。機(jī)電硐室作為煤礦生產(chǎn)中各類機(jī)電設(shè)備的集中安置場(chǎng)所，是煤礦正常運(yùn)行的關(guān)鍵樞紐。機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過程中本身會(huì)產(chǎn)生大量熱量，而高溫環(huán)境又會(huì)進(jìn)一步影響設(shè)備的散熱和性能。若機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性不足，出現(xiàn)變形、破裂等情況，不僅會(huì)威脅到硐室內(nèi)設(shè)備的安全運(yùn)行，還可能導(dǎo)致通風(fēng)不暢、散熱困難，加劇硐室內(nèi)的高溫問題。一旦機(jī)電硐室出現(xiàn)故障，將可能引發(fā)整個(gè)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的癱瘓，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，保障機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)和降溫至關(guān)重要，它是確保煤礦生產(chǎn)連續(xù)性、提高生產(chǎn)效率、保障人員和設(shè)備安全的必要條件。通過對(duì)渦北煤礦降溫機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析，并提出有效的控制技術(shù)，不僅能解決該礦面臨的實(shí)際問題，還能為其他類似煤礦提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和借鑒，具有重要的工程實(shí)際意義和理論研究?jī)r(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在礦井降溫領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究并取得了一系列成果。通風(fēng)降溫是最基礎(chǔ)且應(yīng)用廣泛的技術(shù)，在淺部礦井或高溫問題不太嚴(yán)重的區(qū)域，通過合理設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)，如優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、增加通風(fēng)量等方式，能夠有效降低井下溫度。隨著開采深度的增加，傳統(tǒng)通風(fēng)降溫難以滿足需求，人工制冷降溫技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。水冷技術(shù)在地面或地下制取冷水，通過高低壓換熱器和空冷器冷卻風(fēng)流后送至工作面降溫。在夏甸金礦深部開采中，采用水冷機(jī)組進(jìn)行降溫，取得了較好的效果，改善了井下作業(yè)環(huán)境。冰冷技術(shù)則是在井上制出粒狀冰或泥狀冰，送至井下融冰池融冰，利用融冰形成的冷水進(jìn)行噴霧降溫，南非姆波尼格金礦就采用了在地上建制冰廠，制冰漿送入地下冰壩為礦井降溫的方式。局部降溫技術(shù)作為輔助措施，能進(jìn)一步增強(qiáng)降溫效果。個(gè)人降溫通過穿戴降溫服實(shí)現(xiàn)，風(fēng)流降溫可利用冰塊、壓氣引射器和局部制冷等方式。中國(guó)黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司取得的“一種礦井降溫循環(huán)系統(tǒng)”專利，將礦道分成三部分分別送風(fēng)，避免深層位置所用降溫冷氣為前端進(jìn)行過熱交換的氣體，有效避免了降溫效果降低和資源浪費(fèi)。在機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)方面，研究成果也較為豐富。在圍巖穩(wěn)定性分析方法上，解析分析方法用一般數(shù)學(xué)力學(xué)方法計(jì)算取得閉合解，適用于圍巖能自穩(wěn)、處于全應(yīng)力-應(yīng)變峰前曲線段且應(yīng)力應(yīng)變不超過彈性范疇的情況，可采用彈性力學(xué)方法研究；若超出彈性范疇，則采用彈塑性力學(xué)或損傷力學(xué)方法。數(shù)值分析方法通過計(jì)算機(jī)模擬，能更真實(shí)地反映復(fù)雜地質(zhì)條件和工程因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，如有限元方法可有效預(yù)測(cè)巖體的應(yīng)力分布、變形和破壞形態(tài)等，在渦北煤礦機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性分析中就借助該方法建立了分析模型。實(shí)驗(yàn)方法則通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)，獲取圍巖的物理力學(xué)參數(shù)和變形破壞特征，為理論分析和數(shù)值模擬提供依據(jù)。在支護(hù)技術(shù)方面，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土拱形支護(hù)采用鋼筋混凝土拱形結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土襯砌相結(jié)合，能有效支撐圍巖，但施工周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性較差；預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)通過預(yù)應(yīng)力錨桿將受力點(diǎn)向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，使圍巖圍繞支護(hù)體得到壓縮，安裝快捷、操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)性高；土釘支護(hù)利用鋼筋混凝土桿件加固圍巖，無需太多施工空間，經(jīng)濟(jì)性較好，但在圍巖較穩(wěn)定時(shí)可能存在浪費(fèi)。針對(duì)深部軟巖大斷面硐室，采用“錨網(wǎng)噴+錨索”和鋼筋混凝土綜合支護(hù)的施工方案，能有效應(yīng)對(duì)硐室斷面大、圍巖松軟及施工順序多變等問題。為解決深部泵房硐室群失穩(wěn)現(xiàn)象，提出以高預(yù)應(yīng)力NPR錨索+立體桁架為核心的集約化控制對(duì)策，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，該對(duì)策簡(jiǎn)化了硐室布局和施工程序，減小了巷道位移、應(yīng)力，使塑性區(qū)范圍減小并趨于均勻化，有效保證了巷道穩(wěn)定?，F(xiàn)有研究在礦井降溫、機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)方面取得了顯著成果，但仍存在一些不足。在礦井降溫技術(shù)上，部分技術(shù)對(duì)設(shè)備和資源要求較高，成本昂貴，限制了其在一些煤礦的推廣應(yīng)用；不同降溫技術(shù)的組合應(yīng)用還需進(jìn)一步優(yōu)化，以提高降溫效率和效果。在機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性分析中，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下的多場(chǎng)耦合作用（如溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)等）對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響研究還不夠深入，缺乏全面準(zhǔn)確的理論模型和分析方法。在支護(hù)技術(shù)方面，雖然不斷有新的支護(hù)材料和技術(shù)出現(xiàn)，但針對(duì)不同地質(zhì)條件和硐室類型，如何選擇最適宜的支護(hù)方案，還缺乏系統(tǒng)的研究和指導(dǎo)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究圍繞渦北煤礦降溫機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性展開，旨在深入剖析其穩(wěn)定性狀況，并提出有效的控制技術(shù)，具體研究?jī)?nèi)容如下：機(jī)電硐室圍巖力學(xué)特性分析：對(duì)渦北煤礦機(jī)電硐室所處的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)勘察，獲取圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，如彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。深入研究高溫環(huán)境下圍巖的力學(xué)特性變化規(guī)律，包括熱膨脹、熱應(yīng)力、蠕變等，分析這些因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響機(jī)制。通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，為后續(xù)的穩(wěn)定性分析和控制技術(shù)研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持?；谟邢拊椒ǖ姆€(wěn)定性分析模型構(gòu)建：運(yùn)用有限元軟件，建立渦北煤礦機(jī)電硐室圍巖的三維數(shù)值模型，考慮地質(zhì)條件、硐室形狀與尺寸、支護(hù)結(jié)構(gòu)等因素，模擬硐室開挖過程中圍巖的應(yīng)力分布、變形和破壞形態(tài)。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析，確定圍巖的薄弱區(qū)域和潛在的破壞模式，評(píng)估圍巖的穩(wěn)定性狀況。通過參數(shù)敏感性分析，研究不同因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響程度，為優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。機(jī)電硐室加固措施研究：根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，結(jié)合工程實(shí)際情況，研究適合渦北煤礦機(jī)電硐室的加固措施。對(duì)傳統(tǒng)的鋼筋混凝土梁柱結(jié)構(gòu)加固方法和將植物纖維加入混凝土中的新型加固方法進(jìn)行對(duì)比分析，從施工工藝、成本、加固效果等方面進(jìn)行綜合評(píng)估。詳細(xì)闡述新型加固方法的執(zhí)行步驟和技術(shù)要點(diǎn)，包括植物纖維的選擇、混凝土配合比的優(yōu)化、施工過程中的質(zhì)量控制等。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，驗(yàn)證新型加固方法的有效性和可行性。降溫設(shè)備選擇及控制技術(shù)研究：對(duì)渦北煤礦的水文地質(zhì)條件進(jìn)行深入研究，評(píng)估深井水作為降溫介質(zhì)的可行性，包括水溫、水位、供水量、水質(zhì)等方面的分析。結(jié)合機(jī)電硐室的實(shí)際需求和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于深井水的降溫系統(tǒng)，包括制冷機(jī)組、換熱設(shè)備、管道系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等的選型和布局。研究機(jī)電硐室降溫設(shè)備的控制技術(shù)，通過對(duì)硐室內(nèi)溫度、濕度、壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)降溫設(shè)備的智能控制，確保降溫效果的穩(wěn)定性和可靠性。提出針對(duì)降溫系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的問題的解決方案，如設(shè)備故障、水質(zhì)處理、能耗優(yōu)化等。為實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本研究采用以下研究方法：理論分析：運(yùn)用巖石力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)機(jī)電硐室圍巖在高溫環(huán)境下的力學(xué)行為進(jìn)行分析，推導(dǎo)圍巖應(yīng)力、應(yīng)變的計(jì)算公式，建立穩(wěn)定性分析的理論模型。參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各種圍巖穩(wěn)定性分析方法和支護(hù)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和歸納，為研究提供理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬：利用有限元軟件，如ANSYS、FLAC3D等，對(duì)機(jī)電硐室圍巖的開挖過程和支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬。通過建立合理的數(shù)值模型，模擬不同工況下圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布，預(yù)測(cè)圍巖的變形和破壞趨勢(shì)。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理和分析，直觀展示圍巖的穩(wěn)定性狀況，為優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)：在渦北煤礦機(jī)電硐室現(xiàn)場(chǎng)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用位移計(jì)、壓力計(jì)、應(yīng)變片等監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)硐室圍巖的變形、應(yīng)力、溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。收集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析圍巖的實(shí)際變形和受力情況，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)支護(hù)方案和降溫系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，確保其有效性和可靠性。二、渦北煤礦降溫機(jī)電硐室工程概況2.1渦北煤礦基本情況渦北煤礦位于淮北平原西部，行政區(qū)劃屬安徽省渦陽(yáng)縣管轄，井田中心南距渦陽(yáng)縣城4km，地理坐標(biāo)為東徑116°09′58″-116°12′45″，北緯33°30′53″-33°34′48″。其南起F9斷層，北至劉樓斷層，東起太原組第一層灰?guī)r頂界面的隱伏露頭線，西止于32煤層-1000m水平等高線的地面投影線，平面上近似為一矩形，南北長(zhǎng)5.62-6.53km，東西寬2.33-3.71km，面積約為17.1km2。該煤礦處于華北石炭-二疊紀(jì)含煤地層，主要含煤地層包括二疊紀(jì)上石盒子組、下石盒子組和山西組。上石盒子組下部含1、2、3三個(gè)煤組，多為薄煤層；下石盒子組含4、5、6、8等四個(gè)煤組，是礦井主要含煤段；山西組下部含10、11兩個(gè)煤組，煤層薄，煤分層少?？刹擅簩佑?2、62、63、81、82、112等六層，其中81、82為主要可采煤層，平均總厚7.37m，占可采煤層總厚的73%，其它為局部可采煤層。渦北煤礦所在區(qū)域?qū)俅箨懪c海洋過渡性氣候，四季分明，冬冷夏熱。每年夏季多東南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)，最大風(fēng)速14.0m/s。年均氣溫14.0℃左右，最高氣溫可達(dá)40.0℃，最低氣溫為-17.2℃，年均降雨800mm。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2001）》，該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度。在水文地質(zhì)方面，井田內(nèi)主要河流為渦新河，其支流勝利河、嶺孜河、大寨溝、五道溝、白洋溝、洪溝和青龍河等均流入渦新河，且溝、河流量受大氣降水影響隨季節(jié)性變化。礦井涌水量方面，采用比擬法預(yù)計(jì)一水平（-650m）礦井正常涌水量和最大涌水量分別為450m3/h和610m3/h；采用地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)計(jì)一水平（-650m）太灰?guī)r溶裂隙含水組的可能突水量為109m3/h?？紤]到建設(shè)和生產(chǎn)過程中井筒淋水、井下灑水和防火灌漿等因素，礦井正常排水量和最大排水量分別取500m3/h和650m3/h。在煤塵爆炸與煤的自燃特性上，可采煤層均有煤塵爆炸危險(xiǎn)，其中10煤層為不自燃-不易自燃煤層，7煤層為不易自燃煤層。地溫方面，恒溫帶深度為自地表向下垂深25m，相應(yīng)溫度為17.2℃，地溫梯度為2.35℃/hm。通風(fēng)方式上，該礦井為高瓦斯礦井，前期采用中央并列式通風(fēng)方式，主、副井進(jìn)風(fēng)，中央回風(fēng)井回風(fēng)；后期增開西風(fēng)井，通風(fēng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌鲜酵L(fēng)方式，并選用FBCDZ-No32/2*800型軸流式風(fēng)機(jī)2臺(tái)，1用1備。礦井設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力120萬(wàn)噸，可采儲(chǔ)量6715萬(wàn)噸，服務(wù)年限40年，煤種以國(guó)家稀缺的焦煤為主。2.2降溫機(jī)電硐室布置與功能渦北煤礦降溫機(jī)電硐室位于礦井井底車場(chǎng)附近，該區(qū)域地質(zhì)條件相對(duì)穩(wěn)定，便于與其他巷道和硐室相連通，為機(jī)電設(shè)備的安裝、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)提供了便利條件。從交通便利性來看，井底車場(chǎng)是礦井運(yùn)輸?shù)臉屑~，便于設(shè)備和材料的運(yùn)輸；從安全性考慮，遠(yuǎn)離采掘工作面等容易發(fā)生礦壓顯現(xiàn)和瓦斯涌出的區(qū)域，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。降溫機(jī)電硐室采用矩形斷面，凈寬6m，凈高4m，長(zhǎng)度根據(jù)設(shè)備布置需求確定為30m。采用錨噴支護(hù)與鋼筋混凝土襯砌相結(jié)合的支護(hù)方式，錨噴支護(hù)能及時(shí)封閉圍巖，防止圍巖風(fēng)化和松動(dòng)，提高圍巖的自穩(wěn)能力；鋼筋混凝土襯砌則提供了強(qiáng)大的承載能力，增強(qiáng)了硐室的整體穩(wěn)定性。在硐室的頂部和側(cè)墻，均勻布置錨桿，錨桿長(zhǎng)度為2.5m，間距1m，噴射混凝土厚度為150mm。鋼筋混凝土襯砌厚度為300mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。硐室內(nèi)主要設(shè)備包括制冷機(jī)組、高低壓開關(guān)柜、變壓器、水泵等。制冷機(jī)組選用螺桿式冷水機(jī)組，其制冷量為1000kW，能滿足礦井深部區(qū)域的降溫需求。高低壓開關(guān)柜負(fù)責(zé)電力的分配和控制，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。變壓器將高壓電轉(zhuǎn)換為適合設(shè)備使用的低壓電。水泵用于輸送制冷循環(huán)水，保證制冷系統(tǒng)的正常工作。制冷機(jī)組布置在硐室的中央位置，周圍留出足夠的空間用于設(shè)備的檢修和維護(hù)。高低壓開關(guān)柜和變壓器布置在制冷機(jī)組的一側(cè)，便于電力的接入和分配。水泵布置在制冷機(jī)組的另一側(cè)，靠近水源，減少管道阻力。設(shè)備之間通過電纜和管道連接，電纜采用阻燃電纜，管道采用無縫鋼管，確保系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。降溫機(jī)電硐室在礦井降溫系統(tǒng)中發(fā)揮著核心作用，其主要功能如下：制冷功能：制冷機(jī)組通過壓縮制冷循環(huán)，將制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收熱量，使冷凍水溫度降低，為礦井提供冷源。冷凍水通過管道輸送到井下各個(gè)需要降溫的區(qū)域，如采掘工作面、機(jī)電設(shè)備集中處等，吸收熱量后返回制冷機(jī)組，進(jìn)行循環(huán)制冷。電力供應(yīng)與控制功能：高低壓開關(guān)柜和變壓器組成的供配電系統(tǒng)，為制冷機(jī)組、水泵等設(shè)備提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。同時(shí)，通過對(duì)電力參數(shù)的監(jiān)測(cè)和控制，確保設(shè)備的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)降溫系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。調(diào)節(jié)與監(jiān)控功能：通過安裝在硐室和井下各區(qū)域的溫度、濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)范圍，自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，如調(diào)節(jié)制冷量、控制水泵的流量等，以保證井下各區(qū)域的溫度和濕度保持在適宜的范圍內(nèi)。2.3硐室圍巖地質(zhì)條件渦北煤礦降溫機(jī)電硐室所處區(qū)域的圍巖主要由砂巖、泥巖和頁(yè)巖組成。砂巖主要分布在硐室的頂部和底部，其顏色多為灰白色或淺灰色，顆粒較粗，結(jié)構(gòu)致密，主要礦物成分包括石英、長(zhǎng)石等。泥巖則在硐室的周邊廣泛分布，顏色呈灰色或深灰色，質(zhì)地細(xì)膩，具有良好的可塑性。頁(yè)巖主要出現(xiàn)在局部區(qū)域，呈薄層狀，頁(yè)理發(fā)育，容易發(fā)生剝落。通過現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)，獲取了圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。砂巖的彈性模量為20-30GPa，泊松比為0.2-0.3，單軸抗壓強(qiáng)度為60-80MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為5-8MPa。泥巖的彈性模量為10-20GPa，泊松比為0.3-0.4，單軸抗壓強(qiáng)度為30-50MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為3-5MPa。頁(yè)巖的彈性模量為5-10GPa，泊松比為0.4-0.5，單軸抗壓強(qiáng)度為10-30MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為1-3MPa。這些參數(shù)表明，砂巖的強(qiáng)度較高，具有較好的承載能力；泥巖的強(qiáng)度相對(duì)較低，容易發(fā)生變形；頁(yè)巖的強(qiáng)度最低，穩(wěn)定性較差。在地質(zhì)構(gòu)造方面，硐室所在區(qū)域受到多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，存在多條斷層和褶皺。其中，F(xiàn)1斷層貫穿硐室附近，走向?yàn)楸睎|-南西向，傾角約為60°，斷層破碎帶寬度約為5-10m。褶皺主要表現(xiàn)為寬緩的背斜和向斜，背斜軸部巖石較為破碎，向斜軸部則相對(duì)完整。這些地質(zhì)構(gòu)造使得圍巖的完整性遭到破壞，力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，在斷層破碎帶和褶皺軸部，圍巖的強(qiáng)度降低，容易出現(xiàn)坍塌、冒頂?shù)仁鹿?。水文地質(zhì)條件方面，硐室上方和周邊存在多個(gè)含水層，主要包括第四系松散層含水層、煤系砂巖裂隙含水層和灰?guī)r巖溶裂隙含水層。第四系松散層含水層厚度約為20-30m，富水性中等，主要接受大氣降水和地表水的補(bǔ)給。煤系砂巖裂隙含水層厚度較大，分布廣泛，富水性不均一，部分區(qū)域富水性較強(qiáng)，與其他含水層存在水力聯(lián)系?；?guī)r巖溶裂隙含水層富水性強(qiáng)，巖溶發(fā)育，是礦井涌水的主要來源之一。由于含水層的存在，硐室圍巖可能受到地下水的影響。地下水的滲透會(huì)降低圍巖的有效應(yīng)力，使圍巖的抗剪強(qiáng)度降低，增加了硐室變形和破壞的風(fēng)險(xiǎn)。在斷層破碎帶和巖石裂隙發(fā)育部位，地下水容易集中滲流，可能引發(fā)突水事故，威脅硐室的安全。此外，地下水的長(zhǎng)期作用還可能導(dǎo)致圍巖的軟化、泥化，進(jìn)一步降低圍巖的穩(wěn)定性。三、降溫機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性分析3.1圍巖力學(xué)特性分析3.1.1高溫對(duì)圍巖力學(xué)性質(zhì)的影響在煤礦開采過程中，隨著開采深度的增加，地溫逐漸升高，這對(duì)圍巖的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)圍巖處于高溫環(huán)境時(shí)，其內(nèi)部的礦物顆粒會(huì)發(fā)生熱膨脹。不同礦物的熱膨脹系數(shù)存在差異，這會(huì)導(dǎo)致顆粒之間產(chǎn)生熱應(yīng)力。在花崗巖中，長(zhǎng)石和石英的熱膨脹系數(shù)不同，隨著溫度升高，顆粒間的熱應(yīng)力不斷積累，可能使顆粒之間的聯(lián)結(jié)力減弱，從而降低圍巖的強(qiáng)度。高溫還會(huì)促使圍巖內(nèi)部的微裂紋擴(kuò)展和貫通。一方面，熱應(yīng)力的作用會(huì)使原本存在的微裂紋進(jìn)一步張開和延伸；另一方面，高溫會(huì)使巖石中的水分蒸發(fā)，導(dǎo)致孔隙壓力變化，也會(huì)加劇微裂紋的發(fā)展。當(dāng)微裂紋相互連通形成宏觀裂紋時(shí)，圍巖的承載能力大幅下降。研究表明，大理巖在常溫下具有較高的強(qiáng)度，但經(jīng)過高溫處理后，由于微裂紋的大量擴(kuò)展，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯降低。通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，高溫對(duì)圍巖的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)有明顯的改變。一般來說，彈性模量會(huì)隨著溫度的升高而降低，這意味著圍巖在高溫下更容易發(fā)生變形。泊松比則可能會(huì)增大，反映出圍巖在橫向變形的趨勢(shì)增強(qiáng)?？箟簭?qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均會(huì)下降，其中抗壓強(qiáng)度的降幅相對(duì)較大。有研究對(duì)砂巖進(jìn)行了不同溫度下的力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)溫度從常溫升高到500℃時(shí)，砂巖的彈性模量從25GPa降至15GPa，泊松比從0.25增大到0.32，抗壓強(qiáng)度從80MPa降至40MPa，抗拉強(qiáng)度從8MPa降至3MPa。3.1.2巷道開挖對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響巷道開挖是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過程，它打破了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布。在巷道開挖前，巖體處于原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，受到上覆巖層的自重應(yīng)力以及地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的作用。當(dāng)巷道開挖后，圍巖失去了原有的支撐，應(yīng)力開始重新調(diào)整。在巷道周邊，由于巖體的卸載作用，會(huì)形成應(yīng)力降低區(qū)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，圍巖的應(yīng)力小于原巖應(yīng)力，巖體處于松弛狀態(tài)，容易發(fā)生變形和破壞。而在遠(yuǎn)離巷道的一定范圍內(nèi)，會(huì)形成應(yīng)力集中區(qū)。在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，圍巖的應(yīng)力顯著高于原巖應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過圍巖的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致圍巖的破裂和失穩(wěn)。在圓形巷道中，巷道周邊的切向應(yīng)力會(huì)隨著距巷道中心距離的減小而增大，在巷道壁處達(dá)到最大值，而徑向應(yīng)力則在巷道壁處降為零。巷道開挖導(dǎo)致的應(yīng)力集中區(qū)域和大小與多種因素有關(guān)。巷道的形狀和尺寸是重要影響因素之一，不同形狀的巷道在開挖后應(yīng)力分布存在明顯差異。矩形巷道的角部容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而圓形巷道的應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻。巷道尺寸越大，應(yīng)力集中程度越高，對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響也越大。圍巖的力學(xué)性質(zhì)也會(huì)影響應(yīng)力分布，強(qiáng)度較高的圍巖能夠承受更大的應(yīng)力，應(yīng)力集中區(qū)域相對(duì)較??；而強(qiáng)度較低的圍巖則更容易發(fā)生應(yīng)力集中和破壞。3.1.3頂板下沉對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響頂板下沉是煤礦巷道圍巖變形的一種常見現(xiàn)象，其原因主要包括以下幾個(gè)方面。在開采過程中，頂板受到上覆巖層的壓力作用，隨著開采深度的增加，這種壓力不斷增大。當(dāng)頂板的強(qiáng)度不足以承受上覆巖層的壓力時(shí)，就會(huì)發(fā)生下沉。在采場(chǎng)空間，雖然處于應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)，但頂板仍然受到自重和上覆巖層的作用，也會(huì)導(dǎo)致頂板下沉。頂板下沉的過程是一個(gè)逐漸發(fā)展的過程。在初期，頂板會(huì)出現(xiàn)微小的變形，隨著時(shí)間的推移和開采活動(dòng)的進(jìn)行，變形逐漸加劇，下沉量不斷增大。當(dāng)頂板下沉到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致頂板與圍巖之間的接觸狀態(tài)發(fā)生改變，從而影響圍巖的穩(wěn)定性。頂板下沉可能會(huì)使頂板與側(cè)幫圍巖之間產(chǎn)生分離，形成空洞，削弱了圍巖的整體承載能力。頂板下沉對(duì)圍巖穩(wěn)定性的破壞機(jī)制主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。頂板下沉?xí)?dǎo)致頂板的彎曲和拉伸，當(dāng)應(yīng)力超過頂板的抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂板會(huì)出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而發(fā)展為冒頂事故。頂板下沉還會(huì)引起側(cè)幫圍巖的應(yīng)力重新分布，使側(cè)幫圍巖承受更大的壓力，容易導(dǎo)致側(cè)幫圍巖的片幫和坍塌。頂板下沉形成的空洞會(huì)改變巷道內(nèi)的通風(fēng)條件，可能導(dǎo)致瓦斯積聚等安全隱患。在某煤礦的巷道中，由于頂板下沉嚴(yán)重，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)多條裂縫，最終發(fā)生冒頂事故，不僅影響了正常生產(chǎn)，還對(duì)人員安全造成了威脅。3.2圍巖穩(wěn)定性分析模型3.2.1有限元方法原理與應(yīng)用有限元方法作為一種強(qiáng)大的數(shù)值分析工具，其基本原理是將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)單元的組合體。通過在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)近似函數(shù)，將復(fù)雜的物理問題轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程組進(jìn)行求解。在地下工程圍巖穩(wěn)定性分析中，有限元方法具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。以隧道工程為例，在分析隧道圍巖穩(wěn)定性時(shí)，首先根據(jù)隧道的實(shí)際幾何形狀和地質(zhì)條件，將圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)劃分成眾多小單元，如三角形單元、四邊形單元等。然后，基于彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等理論，建立每個(gè)單元的力學(xué)平衡方程?？紤]到單元之間的相互作用和邊界條件，將所有單元的方程進(jìn)行組裝，形成整個(gè)求解域的總體方程。通過求解總體方程，就可以得到各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力等物理量，進(jìn)而分析圍巖的穩(wěn)定性狀況。在實(shí)際應(yīng)用中，有限元方法能夠充分考慮多種復(fù)雜因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。它可以準(zhǔn)確模擬不同地質(zhì)條件下圍巖的力學(xué)特性，如不同巖石類型的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等參數(shù)的差異。對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、節(jié)理等，也能通過合理的模型設(shè)置進(jìn)行模擬，分析其對(duì)圍巖應(yīng)力分布和變形的影響。有限元方法還可以模擬地下工程的施工過程，包括開挖順序、支護(hù)時(shí)機(jī)等因素，研究這些因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)影響。在某大型地下洞室群的穩(wěn)定性分析中，利用有限元方法，考慮了巖體的非線性力學(xué)行為、地下水滲流以及施工分步開挖等因素，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了圍巖的變形和破壞區(qū)域，為洞室群的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工方案提供了科學(xué)依據(jù)。3.2.2模型建立與參數(shù)設(shè)置依據(jù)渦北煤礦的地質(zhì)條件和降溫機(jī)電硐室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用有限元軟件建立了三維數(shù)值模型。在模型建立過程中，充分考慮了硐室的形狀、尺寸以及圍巖的分布情況。將降溫機(jī)電硐室簡(jiǎn)化為矩形斷面，凈寬6m，凈高4m，長(zhǎng)度30m。模型的范圍確定為：以硐室為中心，在水平方向上向兩側(cè)各延伸30m，在垂直方向上向上延伸20m，向下延伸30m，以確保邊界條件對(duì)硐室圍巖穩(wěn)定性分析結(jié)果的影響較小。模型中涉及的材料主要包括圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)。圍巖材料根據(jù)前文所述的現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置其物理力學(xué)參數(shù)。砂巖的彈性模量取25GPa，泊松比取0.25，單軸抗壓強(qiáng)度取70MPa，單軸抗拉強(qiáng)度取6MPa；泥巖的彈性模量取15GPa，泊松比取0.35，單軸抗壓強(qiáng)度取40MPa，單軸抗拉強(qiáng)度取4MPa；頁(yè)巖的彈性模量取8GPa，泊松比取0.45，單軸抗壓強(qiáng)度取20MPa，單軸抗拉強(qiáng)度取2MPa。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用錨噴支護(hù)與鋼筋混凝土襯砌相結(jié)合的方式，錨桿選用高強(qiáng)度螺紋鋼，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，直徑為22mm，長(zhǎng)度為2.5m，間距1m；噴射混凝土的彈性模量取20GPa，泊松比取0.2，抗壓強(qiáng)度為25MPa；鋼筋混凝土襯砌的彈性模量取30GPa，泊松比取0.2，抗壓強(qiáng)度為30MPa。邊界條件的設(shè)置對(duì)于模型的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。在模型的底部，限制其在垂直方向上的位移，模擬圍巖底部的固定約束；在模型的四周，限制其在水平方向上的位移，模擬圍巖受到的側(cè)向約束。在頂部，施加與上覆巖層自重相等的均布荷載，模擬上覆巖層對(duì)圍巖的壓力。考慮到地下水的影響，根據(jù)水文地質(zhì)條件，在模型中設(shè)置相應(yīng)的滲透邊界條件，模擬地下水在圍巖中的滲流。荷載方面，主要考慮巖體的自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力。根據(jù)渦北煤礦的地質(zhì)資料，巖體的平均重度為25kN/m3，據(jù)此計(jì)算巖體的自重應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征，在水平方向上施加一定的應(yīng)力，假設(shè)水平構(gòu)造應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值為1.5。3.2.3模擬結(jié)果與分析通過有限元模擬，得到了渦北煤礦降溫機(jī)電硐室圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和塑性區(qū)分布結(jié)果。從應(yīng)力分布結(jié)果來看，在硐室周邊，圍巖的應(yīng)力出現(xiàn)了明顯的集中現(xiàn)象。在硐室的頂角和底角部位，切向應(yīng)力達(dá)到了最大值，約為原巖應(yīng)力的3-4倍。這是由于巷道開挖后，圍巖的應(yīng)力重新分布，在這些部位形成了應(yīng)力集中區(qū)域。隨著距離硐室壁的距離增加，應(yīng)力逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力水平。在斷層破碎帶附近，應(yīng)力分布也較為復(fù)雜，由于斷層的存在，破壞了圍巖的連續(xù)性，導(dǎo)致應(yīng)力在斷層兩側(cè)發(fā)生突變，且在斷層破碎帶內(nèi)，應(yīng)力值相對(duì)較低，表明該區(qū)域的巖體承載能力較弱。應(yīng)變分布結(jié)果顯示，硐室周邊的圍巖應(yīng)變較大，尤其是在硐室的頂部和底部，垂直方向的應(yīng)變最為明顯。這是因?yàn)樵陂_挖過程中，這些部位的圍巖受到的擾動(dòng)較大，導(dǎo)致其變形較為顯著。在塑性區(qū)范圍內(nèi)，圍巖的應(yīng)變進(jìn)一步增大，表明巖體已經(jīng)發(fā)生了塑性變形，其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了改變。在遠(yuǎn)離硐室的區(qū)域，圍巖的應(yīng)變較小，處于彈性變形階段。位移分布結(jié)果表明，硐室圍巖的位移主要集中在硐室周邊。在硐室的頂部，最大垂直位移達(dá)到了50mm左右，在硐室的側(cè)墻，水平位移最大約為30mm。隨著距離硐室壁的距離增加，位移逐漸減小。在斷層破碎帶附近，由于巖體的破碎和強(qiáng)度降低，位移明顯增大，這也進(jìn)一步說明了斷層對(duì)圍巖穩(wěn)定性的不利影響。塑性區(qū)分布結(jié)果顯示，硐室周邊形成了一定范圍的塑性區(qū)。在硐室的頂部和底部，塑性區(qū)范圍相對(duì)較大，深度約為2-3m。在側(cè)墻部位，塑性區(qū)范圍相對(duì)較小，深度約為1-2m。塑性區(qū)的存在表明這些區(qū)域的圍巖已經(jīng)發(fā)生了破壞，其承載能力降低。在斷層破碎帶附近，塑性區(qū)范圍明顯擴(kuò)大，且塑性區(qū)的形狀較為復(fù)雜，這是由于斷層的存在加劇了圍巖的破壞。綜合以上模擬結(jié)果，可以看出渦北煤礦降溫機(jī)電硐室圍巖在開挖后，其穩(wěn)定性受到了較大的影響。硐室周邊的應(yīng)力集中、應(yīng)變和位移較大，塑性區(qū)的出現(xiàn)表明圍巖已經(jīng)發(fā)生了一定程度的破壞。尤其是在硐室的頂角、底角以及斷層破碎帶附近，這些區(qū)域是圍巖的薄弱部位，容易發(fā)生坍塌、冒頂?shù)仁鹿?。因此，在后續(xù)的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工中，需要針對(duì)這些薄弱區(qū)域采取有效的加固措施，以提高圍巖的穩(wěn)定性。3.3圍巖穩(wěn)定性影響因素敏感性分析3.3.1敏感性分析方法敏感性分析方法在工程領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，用于研究各種因素對(duì)系統(tǒng)性能或結(jié)果的影響程度。在渦北煤礦降溫機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性分析中，常用的敏感性分析方法包括單因素敏感性分析、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面法。單因素敏感性分析是最基本的敏感性分析方法，它每次只改變一個(gè)因素的值，而保持其他因素不變，通過觀察目標(biāo)函數(shù)（如圍巖的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)范圍等）的變化，來確定該因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響程度。在研究硐室埋深對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響時(shí)，固定其他因素，如巖石力學(xué)參數(shù)、硐室尺寸和支護(hù)參數(shù)等，逐步改變硐室埋深，計(jì)算不同埋深下圍巖的應(yīng)力和位移，分析埋深的變化對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。這種方法簡(jiǎn)單直觀，能夠清晰地展示單個(gè)因素的變化對(duì)結(jié)果的影響，但它忽略了因素之間的相互作用。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)則是一種多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，它通過合理地安排試驗(yàn)方案，利用正交表來減少試驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)能夠分析多個(gè)因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響以及因素之間的交互作用。在分析巖石力學(xué)參數(shù)（彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等）、硐室尺寸（寬度、高度）和支護(hù)參數(shù)（錨桿長(zhǎng)度、間距，噴射混凝土厚度等）對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響時(shí)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將這些因素作為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素設(shè)置多個(gè)水平，通過正交表安排試驗(yàn)組合，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以全面考慮多個(gè)因素的綜合影響，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更全面的信息。響應(yīng)面法是一種基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)建模的敏感性分析方法，它通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立響應(yīng)變量（目標(biāo)函數(shù)）與自變量（影響因素）之間的數(shù)學(xué)模型，然后利用該模型來分析因素的敏感性和交互作用。在渦北煤礦降溫機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性分析中，利用響應(yīng)面法，以巖石力學(xué)參數(shù)、硐室尺寸、埋深、溫度和支護(hù)參數(shù)等作為自變量，以圍巖的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)范圍等作為響應(yīng)變量，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，得到響應(yīng)面方程，進(jìn)而分析各因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響程度和規(guī)律。響應(yīng)面法不僅能夠考慮因素之間的交互作用，還可以對(duì)不同因素的影響進(jìn)行量化評(píng)估，為工程決策提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。3.3.2影響因素選取影響渦北煤礦降溫機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性的因素眾多，綜合考慮地質(zhì)條件、工程實(shí)際和相關(guān)研究成果，選取以下因素進(jìn)行敏感性分析。巖石力學(xué)參數(shù)是影響圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，包括彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等。彈性模量反映了巖石抵抗變形的能力，彈性模量越大，巖石在受力時(shí)的變形越小；泊松比則描述了巖石在橫向變形與縱向變形之間的關(guān)系?？箟簭?qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別表示巖石抵抗壓縮和拉伸破壞的能力。在深部礦井中，巖石的力學(xué)參數(shù)會(huì)受到高溫、高應(yīng)力等環(huán)境因素的影響而發(fā)生變化，進(jìn)而影響圍巖的穩(wěn)定性。硐室尺寸，如寬度、高度和長(zhǎng)度，對(duì)圍巖穩(wěn)定性也有重要影響。硐室尺寸的增大，會(huì)導(dǎo)致圍巖的暴露面積增加，應(yīng)力集中程度加劇，從而降低圍巖的穩(wěn)定性。較大尺寸的硐室在開挖后，圍巖周邊的應(yīng)力集中區(qū)域更大，更容易出現(xiàn)變形和破壞。埋深決定了圍巖所承受的原巖應(yīng)力大小，隨著埋深的增加，原巖應(yīng)力增大，圍巖的穩(wěn)定性面臨更大挑戰(zhàn)。在深部礦井中，埋深的增加不僅會(huì)導(dǎo)致圍巖的應(yīng)力增大，還可能引發(fā)巖石的非線性力學(xué)行為，如塑性變形、蠕變等，進(jìn)一步影響圍巖的穩(wěn)定性。溫度是降溫機(jī)電硐室特有的影響因素，機(jī)電設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量以及礦井深部的高溫環(huán)境，會(huì)使硐室圍巖處于高溫狀態(tài)。高溫會(huì)改變巖石的力學(xué)性質(zhì)，如降低巖石的強(qiáng)度、增大巖石的熱膨脹系數(shù)等，從而對(duì)圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。高溫還可能導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的性能下降，進(jìn)一步削弱圍巖的穩(wěn)定性。支護(hù)參數(shù)，如錨桿長(zhǎng)度、間距，噴射混凝土厚度，鋼筋混凝土襯砌厚度等，直接關(guān)系到支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的支撐作用。合理的支護(hù)參數(shù)能夠有效地約束圍巖的變形，提高圍巖的穩(wěn)定性。增加錨桿長(zhǎng)度和減小錨桿間距，可以增強(qiáng)錨桿對(duì)圍巖的錨固作用；增大噴射混凝土厚度和鋼筋混凝土襯砌厚度，可以提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力。3.3.3分析結(jié)果與討論通過單因素敏感性分析、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面法的分析，得到了各因素對(duì)渦北煤礦降溫機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性的影響程度和規(guī)律。在巖石力學(xué)參數(shù)中，彈性模量對(duì)圍巖位移的影響最為顯著。隨著彈性模量的增大，圍巖的位移明顯減小，表明巖石抵抗變形的能力增強(qiáng)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性有積極影響。抗壓強(qiáng)度對(duì)圍巖的塑性區(qū)范圍影響較大，抗壓強(qiáng)度越高，塑性區(qū)范圍越小，說明巖石的抗壓能力越強(qiáng)，越能抵抗破壞，有利于圍巖的穩(wěn)定。泊松比和抗拉強(qiáng)度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響相對(duì)較小，但在特定情況下，如圍巖受到拉伸應(yīng)力作用時(shí)，抗拉強(qiáng)度的作用就不容忽視。硐室尺寸方面，硐室寬度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響比高度更為明顯。隨著硐室寬度的增加，圍巖周邊的應(yīng)力集中程度顯著增大，位移和塑性區(qū)范圍也隨之增大，導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性降低。這是因?yàn)閷挾鹊脑黾邮沟庙鲜业目缍仍龃?，圍巖在水平方向上的受力更加復(fù)雜，更容易出現(xiàn)變形和破壞。埋深與圍巖穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即埋深越大，圍巖所受的原巖應(yīng)力越大，圍巖的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)范圍都明顯增大，穩(wěn)定性越差。在深部礦井中，隨著開采深度的增加，必須更加重視圍巖穩(wěn)定性問題，采取有效的支護(hù)和加固措施。溫度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響也較為明顯，隨著溫度的升高，巖石的力學(xué)參數(shù)發(fā)生劣化，彈性模量降低，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度減小，導(dǎo)致圍巖的位移和塑性區(qū)范圍增大，穩(wěn)定性下降。在降溫機(jī)電硐室中，必須加強(qiáng)通風(fēng)和降溫措施，控制硐室內(nèi)的溫度，以減少溫度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的不利影響。支護(hù)參數(shù)中，錨桿長(zhǎng)度和噴射混凝土厚度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響較大。增加錨桿長(zhǎng)度可以擴(kuò)大錨桿的錨固范圍，提高圍巖的整體穩(wěn)定性；增大噴射混凝土厚度可以增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的約束作用，減小圍巖的變形。相比之下，錨桿間距和鋼筋混凝土襯砌厚度的影響相對(duì)較小，但在合理范圍內(nèi)調(diào)整這些參數(shù)，也能對(duì)圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的改善作用。綜合分析各因素的影響程度，發(fā)現(xiàn)巖石力學(xué)參數(shù)和硐室尺寸是影響渦北煤礦降溫機(jī)電硐室圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。在工程設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)這些關(guān)鍵因素進(jìn)行優(yōu)化和控制。根據(jù)圍巖的實(shí)際力學(xué)性質(zhì)，選擇合適的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)，合理設(shè)計(jì)硐室尺寸，以提高圍巖的穩(wěn)定性。加強(qiáng)對(duì)溫度的控制，采取有效的降溫措施，也能在一定程度上改善圍巖的穩(wěn)定性。通過敏感性分析，為渦北煤礦降溫機(jī)電硐室的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工提供了科學(xué)依據(jù)，有助于保障硐室的安全穩(wěn)定運(yùn)行。四、降溫機(jī)電硐室圍巖控制技術(shù)4.1傳統(tǒng)加固措施分析4.1.1鋼筋混凝土梁柱結(jié)構(gòu)加固鋼筋混凝土梁柱結(jié)構(gòu)加固是一種較為常見的傳統(tǒng)加固方法，在各類建筑工程中有著廣泛的應(yīng)用。其加固原理主要基于混凝土的抗壓性能和鋼筋的抗拉性能?；炷辆哂休^高的抗壓強(qiáng)度，能夠承受較大的壓力；而鋼筋則具有出色的抗拉強(qiáng)度，能有效抵抗拉力。在鋼筋混凝土梁柱結(jié)構(gòu)中，鋼筋和混凝土協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外力作用時(shí)，混凝土主要承受壓力，鋼筋則承受拉力，通過兩者的緊密結(jié)合，提高了結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。在渦北煤礦降溫機(jī)電硐室的應(yīng)用中，鋼筋混凝土梁柱結(jié)構(gòu)加固的施工工藝較為復(fù)雜。首先需要對(duì)硐室的圍巖表面進(jìn)行清理，去除松動(dòng)的巖石和雜物，確保加固結(jié)構(gòu)與圍巖能夠緊密結(jié)合。然后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在硐室的關(guān)鍵部位，如墻角、頂部等，綁扎鋼筋骨架。鋼筋的規(guī)格和間距需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)計(jì)算確定，以保證其能夠提供足夠的抗拉強(qiáng)度。在綁扎鋼筋骨架時(shí)，要注意鋼筋的連接方式，常用的有焊接和機(jī)械連接，確保連接部位的強(qiáng)度不低于鋼筋本身的強(qiáng)度。完成鋼筋骨架的綁扎后，需要支設(shè)模板。模板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證在澆筑混凝土?xí)r不會(huì)發(fā)生變形或位移。模板的尺寸和形狀要與設(shè)計(jì)要求相符，確?；炷翝仓蟮牧褐叽鐪?zhǔn)確。在支設(shè)模板的過程中，要注意模板的密封性，防止混凝土澆筑時(shí)出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。模板支設(shè)完成后，進(jìn)行混凝土的澆筑。在渦北煤礦，選用了高強(qiáng)度的混凝土，以滿足硐室加固的要求。混凝土的配合比需根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保其具有良好的和易性、流動(dòng)性和強(qiáng)度。在澆筑過程中，采用振搗設(shè)備對(duì)混凝土進(jìn)行振搗，使混凝土密實(shí)，排除其中的氣泡，提高混凝土的質(zhì)量。澆筑完成后，要對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保持混凝土表面濕潤(rùn)，防止混凝土出現(xiàn)干裂。養(yǎng)護(hù)時(shí)間根據(jù)混凝土的類型和環(huán)境條件確定，一般不少于7天。鋼筋混凝土梁柱結(jié)構(gòu)加固具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。其承載能力較高，能夠有效承受較大的荷載，增強(qiáng)了硐室的穩(wěn)定性。這種加固方法的耐久性較好，鋼筋和混凝土在正常使用條件下，能夠長(zhǎng)期保持其力學(xué)性能，減少了后期維護(hù)的頻率和成本。鋼筋混凝土梁柱結(jié)構(gòu)加固的適應(yīng)性強(qiáng)，可以根據(jù)硐室的不同形狀、尺寸和受力情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。然而，該加固方法也存在一些缺點(diǎn)。施工工藝復(fù)雜，需要專業(yè)的施工隊(duì)伍和設(shè)備，施工周期較長(zhǎng)，這對(duì)于煤礦生產(chǎn)的連續(xù)性可能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在施工過程中，需要進(jìn)行大量的濕作業(yè)，如混凝土的攪拌、澆筑和養(yǎng)護(hù)等，這可能會(huì)導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境潮濕，影響施工人員的工作條件和施工安全。鋼筋混凝土梁柱結(jié)構(gòu)加固會(huì)增加硐室的自重，對(duì)于一些對(duì)自重有嚴(yán)格要求的工程，可能需要謹(jǐn)慎考慮。由于施工工藝復(fù)雜和材料成本較高，鋼筋混凝土梁柱結(jié)構(gòu)加固的成本相對(duì)較高。4.1.2錨網(wǎng)噴支護(hù)錨網(wǎng)噴支護(hù)是一種聯(lián)合支護(hù)方式，在煤礦巷道和硐室支護(hù)中發(fā)揮著重要作用。其作用機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面。錨桿通過錨固在圍巖中，將圍巖與穩(wěn)定的巖體連接起來，起到懸吊作用，防止圍巖的松動(dòng)和脫落。錨桿還能夠?qū)鷰r施加預(yù)應(yīng)力，使圍巖處于三向受壓狀態(tài)，提高圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)在圍巖表面，與錨桿連接在一起，能夠增加圍巖的整體性，防止圍巖表面的碎塊掉落。噴混凝土則能夠封閉圍巖表面，防止圍巖風(fēng)化和水的侵蝕，同時(shí)也能與錨桿和鋼筋網(wǎng)共同作用，形成一個(gè)整體的支護(hù)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)支護(hù)效果。在渦北煤礦機(jī)電硐室的施工中，錨網(wǎng)噴支護(hù)的施工流程如下。在硐室開挖后，首先進(jìn)行錨桿的安裝。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定錨桿的位置和間距，使用錨桿鉆機(jī)在圍巖上鉆孔。鉆孔完成后，將錨桿插入孔內(nèi)，并注入錨固劑，使錨桿與圍巖緊密結(jié)合。在選擇錨固劑時(shí)，要根據(jù)圍巖的性質(zhì)和工程要求進(jìn)行選擇，確保錨固效果。安裝完成后，對(duì)錨桿進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，檢驗(yàn)錨桿的錨固力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。完成錨桿安裝后，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。將鋼筋網(wǎng)按照設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)在圍巖表面，并與錨桿進(jìn)行連接。鋼筋網(wǎng)的連接方式一般采用綁扎或焊接，確保鋼筋網(wǎng)的整體性和穩(wěn)定性。在鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)時(shí)，要注意鋼筋網(wǎng)與圍巖表面的貼合程度，避免出現(xiàn)空隙。最后進(jìn)行噴混凝土作業(yè)。使用噴漿機(jī)將混凝土噴射到圍巖表面，形成一定厚度的混凝土層。在噴射混凝土前，要對(duì)圍巖表面進(jìn)行清理，確保噴射混凝土與圍巖能夠良好結(jié)合。噴射混凝土的配合比需根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制好混凝土的水灰比、骨料級(jí)配等參數(shù)，以保證混凝土的強(qiáng)度和噴射效果。在噴射過程中，要注意噴射的順序和厚度，確保混凝土層均勻、密實(shí)。噴射完成后，對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保證混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)。在渦北煤礦機(jī)電硐室中，錨網(wǎng)噴支護(hù)取得了一定的應(yīng)用效果。通過錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴混凝土的聯(lián)合作用，有效地控制了圍巖的變形和破壞，保證了硐室的穩(wěn)定性。這種支護(hù)方式施工速度較快，能夠及時(shí)對(duì)開挖后的圍巖進(jìn)行支護(hù)，減少了圍巖暴露時(shí)間，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。錨網(wǎng)噴支護(hù)的成本相對(duì)較低，材料來源廣泛，施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，適合在煤礦工程中推廣應(yīng)用。然而，錨網(wǎng)噴支護(hù)也存在一些局限性。對(duì)于圍巖條件較差，如破碎嚴(yán)重、節(jié)理裂隙發(fā)育的情況，錨網(wǎng)噴支護(hù)的效果可能會(huì)受到影響。在這種情況下，錨桿的錨固力難以保證，鋼筋網(wǎng)和噴混凝土也容易出現(xiàn)開裂和脫落。錨網(wǎng)噴支護(hù)對(duì)施工質(zhì)量要求較高，如果施工過程中存在錨桿安裝不牢固、鋼筋網(wǎng)連接不緊密、噴混凝土厚度不足等問題，會(huì)降低支護(hù)效果，影響硐室的穩(wěn)定性。在高溫、高濕等特殊環(huán)境下，錨網(wǎng)噴支護(hù)的耐久性可能會(huì)受到考驗(yàn)，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施。4.2新型加固技術(shù)研究4.2.1植物纖維增強(qiáng)混凝土加固技術(shù)原理植物纖維增強(qiáng)混凝土是一種新型的復(fù)合材料，它通過將植物纖維均勻地分散在混凝土基體中，從而改善混凝土的性能。其加固技術(shù)原理主要基于以下幾個(gè)方面：增強(qiáng)混凝土的抗裂性能：植物纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和柔韌性，能夠有效地抑制混凝土內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。在混凝土受到拉伸應(yīng)力時(shí)，植物纖維能夠承擔(dān)部分拉力，阻止裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，從而提高混凝土的抗裂性能。植物纖維的存在還能夠分散混凝土內(nèi)部的應(yīng)力集中，降低裂紋產(chǎn)生的可能性。提高混凝土的抗溫性能：在高溫環(huán)境下，混凝土容易出現(xiàn)熱膨脹、熱應(yīng)力等問題，導(dǎo)致其性能下降。植物纖維具有良好的隔熱性能，能夠降低混凝土內(nèi)部的溫度梯度，減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生。植物纖維還能夠在一定程度上吸收熱量，緩解混凝土的溫度升高，從而提高混凝土的抗溫性能。在一些高溫工業(yè)建筑中，使用植物纖維增強(qiáng)混凝土能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的耐高溫性能，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。改善混凝土的韌性：植物纖維與混凝土之間具有良好的粘結(jié)性能，能夠形成一個(gè)協(xié)同工作的整體。當(dāng)混凝土受到外力作用時(shí)，植物纖維能夠通過自身的變形吸收能量，增加混凝土的韌性。植物纖維的存在還能夠改變混凝土的破壞模式，使其從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐?，提高混凝土的抗震性能。在地震多發(fā)地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)中，采用植物纖維增強(qiáng)混凝土能夠提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，減少地震災(zāi)害的損失。4.2.2植物纖維混凝土性能試驗(yàn)研究為了深入了解植物纖維混凝土的性能，進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，主要包括以下幾個(gè)方面：抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制作了不同植物纖維摻量的混凝土試塊，在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著植物纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。在一定范圍內(nèi)，植物纖維的加入能夠填充混凝土內(nèi)部的孔隙，增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度，從而提高抗壓強(qiáng)度。當(dāng)植物纖維摻量超過一定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的界面過渡區(qū)弱化，影響混凝土的抗壓強(qiáng)度。抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)：采用直接拉伸試驗(yàn)方法，對(duì)植物纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，植物纖維的加入顯著提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度。這是因?yàn)橹参锢w維能夠有效地阻止混凝土內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展，承擔(dān)部分拉力，從而提高了混凝土的抗拉能力。與普通混凝土相比，植物纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度提高了20%-30%?？拐蹚?qiáng)度試驗(yàn)：通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測(cè)定植物纖維混凝土的抗折強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，植物纖維混凝土的抗折強(qiáng)度明顯高于普通混凝土。植物纖維在混凝土中形成了一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠有效地抵抗彎曲應(yīng)力，增加混凝土的抗折性能。當(dāng)植物纖維摻量為1%-2%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度提高了30%-40%。彈性模量試驗(yàn)：利用動(dòng)態(tài)彈性模量測(cè)試方法，對(duì)植物纖維混凝土的彈性模量進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果顯示，植物纖維的加入對(duì)混凝土的彈性模量影響較小。在一定范圍內(nèi)，植物纖維混凝土的彈性模量與普通混凝土基本相當(dāng)，這表明植物纖維增強(qiáng)混凝土在保持結(jié)構(gòu)剛度方面具有較好的性能。耐久性試驗(yàn)：對(duì)植物纖維混凝土進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)，包括抗凍性、抗?jié)B性和抗化學(xué)侵蝕性等方面的測(cè)試。在抗凍性試驗(yàn)中，經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，植物纖維混凝土的質(zhì)量損失和強(qiáng)度降低幅度均小于普通混凝土，表明其具有較好的抗凍性能。在抗?jié)B性試驗(yàn)中，植物纖維混凝土的滲水高度明顯低于普通混凝土，說明其抗?jié)B性能得到了顯著提高。在抗化學(xué)侵蝕性試驗(yàn)中，植物纖維混凝土對(duì)酸、堿等化學(xué)物質(zhì)的侵蝕具有較好的抵抗能力，耐久性得到了增強(qiáng)。4.2.3加固技術(shù)施工步驟與應(yīng)用效果施工步驟：材料準(zhǔn)備：選擇合適的植物纖維，如麻纖維、竹纖維等，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，去除雜質(zhì)和水分。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定混凝土的配合比，包括水泥、骨料、外加劑等的用量。將植物纖維按照一定的比例加入到混凝土中，進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，確保纖維均勻分散在混凝土中。模板安裝：根據(jù)機(jī)電硐室的形狀和尺寸，制作并安裝模板。模板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受混凝土澆筑時(shí)的壓力和重量。在模板表面涂抹脫模劑，便于混凝土澆筑后的脫模?；炷翝仓簩嚢韬玫闹参锢w維混凝土通過泵送或人工澆筑的方式，澆筑到模板內(nèi)。在澆筑過程中，采用振搗設(shè)備對(duì)混凝土進(jìn)行振搗，使混凝土密實(shí)，排除其中的氣泡。注意控制澆筑速度和高度，避免出現(xiàn)漏振和過振現(xiàn)象。養(yǎng)護(hù)：混凝土澆筑完成后，及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。采用灑水養(yǎng)護(hù)或覆蓋塑料薄膜養(yǎng)護(hù)等方式，保持混凝土表面濕潤(rùn)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間根據(jù)混凝土的類型和環(huán)境條件確定，一般不少于7天。養(yǎng)護(hù)期間，避免對(duì)混凝土進(jìn)行擾動(dòng)，確?；炷翉?qiáng)度的正常增長(zhǎng)。拆模與修整：在混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，拆除模板。對(duì)混凝土表面進(jìn)行檢查，如有缺陷或不平整之處，及時(shí)進(jìn)行修整和處理。應(yīng)用效果：在渦北煤礦機(jī)電硐室中應(yīng)用植物纖維增強(qiáng)混凝土加固技術(shù)后，取得了良好的效果。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)圍巖的變形得到了有效控制，位移和塑性區(qū)范圍明顯減小。在加固后的一段時(shí)間內(nèi)，硐室圍巖的最大位移較加固前減小了30%-40%，塑性區(qū)范圍縮小了20%-30%。這表明植物纖維增強(qiáng)混凝土能夠有效地提高圍巖的穩(wěn)定性，增強(qiáng)硐室的承載能力。從應(yīng)力分布情況來看，加固后硐室周邊的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了緩解，應(yīng)力分布更加均勻。這是因?yàn)橹参锢w維增強(qiáng)混凝土具有較好的韌性和抗裂性能，能夠有效地分散應(yīng)力，降低應(yīng)力集中程度。在實(shí)際運(yùn)行過程中，機(jī)電硐室的穩(wěn)定性得到了顯著提高，未出現(xiàn)明顯的變形和破壞現(xiàn)象，保證了機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土加固方法相比，植物纖維增強(qiáng)混凝土加固技術(shù)具有施工工藝簡(jiǎn)單、成本較低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。施工周期較傳統(tǒng)方法縮短了10%-20%，成本降低了15%-25%，同時(shí)減少了對(duì)環(huán)境的影響。4.3降溫設(shè)備選擇及控制技術(shù)4.3.1降溫設(shè)備選擇渦北煤礦地下水豐富，選用深井水作為降溫介質(zhì)具有顯著的合理性。從水溫角度來看，深井水常年溫度較為穩(wěn)定，一般維持在18-22℃之間，這種相對(duì)較低且穩(wěn)定的溫度為礦井降溫提供了良好的冷源基礎(chǔ)。與其他水源相比，如地表水在夏季溫度較高，難以滿足礦井降溫的需求；而工業(yè)廢水可能含有大量雜質(zhì)和污染物，處理成本高且效果不穩(wěn)定。水位方面，渦北煤礦的深井水水位較高，能夠保證穩(wěn)定的供水，為降溫系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行提供了可靠保障。穩(wěn)定的水位可以避免因水位下降導(dǎo)致供水不足，從而影響降溫效果的情況發(fā)生。供水量上，經(jīng)實(shí)地勘察和測(cè)量，該區(qū)域深井水的供水量充足，能夠滿足礦井大規(guī)模降溫的用水需求。豐富的供水量使得降溫系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要靈活調(diào)整用水量，確保各個(gè)降溫區(qū)域都能得到足夠的冷量供應(yīng)。基于以上對(duì)深井水的水溫、水位、供水量等多方面的分析，結(jié)合礦山實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一套完善的降溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由制冷機(jī)組、高低壓換熱器、空冷器、循環(huán)水泵和管道系統(tǒng)等組成。制冷機(jī)組選用螺桿式冷水機(jī)組，其制冷量為1200kW，具有制冷效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。高低壓換熱器采用板式換熱器，換熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠有效地將深井水的冷量傳遞給冷凍水?？绽淦鲃t選用表面式空冷器，其換熱面積大，阻力小，能夠快速冷卻風(fēng)流，將冷空氣送入井下作業(yè)區(qū)域。循環(huán)水泵選用高效節(jié)能型水泵，能夠確保水在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，滿足降溫系統(tǒng)的供水需求。管道系統(tǒng)采用無縫鋼管，具有良好的耐壓性和耐腐蝕性，確保了冷量的穩(wěn)定輸送。4.3.2控制技術(shù)方案為確保機(jī)電硐室降溫的效果，需要對(duì)機(jī)電硐室內(nèi)部溫度、濕度、壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和控制。在機(jī)電硐室內(nèi)布置多個(gè)溫度傳感器，采用高精度的鉑電阻溫度傳感器，其測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃。這些傳感器均勻分布在硐室的各個(gè)關(guān)鍵位置，如設(shè)備附近、通風(fēng)口等，能夠全面準(zhǔn)確地測(cè)量硐室內(nèi)的溫度分布情況。濕度傳感器選用電容式濕度傳感器，測(cè)量精度為±3%RH，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硐室內(nèi)的濕度變化。壓力傳感器采用壓阻式壓力傳感器，測(cè)量精度為±0.5%FS，用于監(jiān)測(cè)硐室內(nèi)的氣壓情況?？刂葡到y(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行器和上位機(jī)組成。傳感器負(fù)責(zé)采集硐室內(nèi)的溫度、濕度、壓力等參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸給控制器?？刂破鞑捎每删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC），具有可靠性高、編程靈活、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。PLC根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)范圍和控制策略，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后發(fā)出控制指令給執(zhí)行器。執(zhí)行器包括制冷機(jī)組的調(diào)節(jié)閥、水泵的變頻器等，根據(jù)控制器的指令，調(diào)節(jié)制冷機(jī)組的制冷量和水泵的流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硐室內(nèi)溫度、濕度和壓力的精確控制。上位機(jī)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)，安裝有監(jiān)控軟件，操作人員可以通過上位機(jī)實(shí)時(shí)查看硐室內(nèi)的參數(shù)變化情況，修改控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)降溫系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理?？刂葡到y(tǒng)的工作原理如下：當(dāng)傳感器采集到硐室內(nèi)的溫度高于預(yù)設(shè)的上限值時(shí)，控制器會(huì)發(fā)出指令，增大制冷機(jī)組的制冷量，同時(shí)提高水泵的流量，增加冷量的供應(yīng)，使硐室內(nèi)的溫度降低。當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)的下限值時(shí)，控制器會(huì)減小制冷機(jī)組的制冷量和水泵的流量，以避免溫度過低。對(duì)于濕度和壓力的控制，同樣根據(jù)預(yù)設(shè)的范圍，通過調(diào)節(jié)通風(fēng)設(shè)備和其他相關(guān)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。在濕度較高時(shí)，啟動(dòng)除濕設(shè)備；在壓力異常時(shí)，調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)，確保硐室內(nèi)的壓力穩(wěn)定。通過這種閉環(huán)控制方式，能夠使機(jī)電硐室的環(huán)境參數(shù)始終保持在適宜的范圍內(nèi)，保證機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行。4.3.3應(yīng)用效果與問題解決方案在渦北煤礦機(jī)電硐室應(yīng)用該降溫設(shè)備和控制技術(shù)后，取得了良好的效果。通過對(duì)硐室內(nèi)溫度、濕度和壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)溫度得到了有效控制，在夏季高溫時(shí)段，硐室內(nèi)的平均溫度穩(wěn)定在28℃左右，比未安裝降溫系統(tǒng)前降低了8-10℃，滿足了機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行對(duì)溫度的要求。濕度也保持在40%-60%的適宜范圍內(nèi)，避免了因濕度過高導(dǎo)致設(shè)備受潮損壞的問題。壓力穩(wěn)定，確保了硐室內(nèi)的通風(fēng)良好，為設(shè)備運(yùn)行提供了穩(wěn)定的環(huán)境。然而，在降溫系統(tǒng)運(yùn)行過程中，也出現(xiàn)了一些問題。部分管道出現(xiàn)了結(jié)垢現(xiàn)象，這是由于深井水含有一定量的礦物質(zhì)和雜質(zhì)，在長(zhǎng)期循環(huán)過程中逐漸在管道內(nèi)壁沉積形成垢層。結(jié)垢導(dǎo)致管道內(nèi)徑減小，水流阻力增大，影響了降溫系統(tǒng)的冷量輸送效率。針對(duì)這一問題，采取了定期化學(xué)清洗的方法。每隔3個(gè)月，使用專業(yè)的管道清洗劑，按照一定的配比和清洗流程，對(duì)管道進(jìn)行清洗。在清洗前，先將管道內(nèi)的水排空，然后注入清洗劑，浸泡一段時(shí)間后，通過循環(huán)泵使清洗劑在管道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，以充分溶解和去除垢層。清洗完成后，用清水沖洗管道，確保管道內(nèi)無殘留的清洗劑。制冷機(jī)組的能耗較高也是一個(gè)問題，這不僅增加了運(yùn)行成本，還對(duì)能源造成了一定的浪費(fèi)。通過對(duì)制冷機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，使其在最佳工況下運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需求，合理調(diào)整制冷機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，避免機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行。采用這些措施后，制冷機(jī)組的能耗降低了15%-20%，有效提高了能源利用效率。部分傳感器出現(xiàn)了故障，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響了控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。建立了傳感器定期檢測(cè)和維護(hù)制度，每隔1個(gè)月對(duì)傳感器進(jìn)行一次校準(zhǔn)和檢測(cè)。在檢測(cè)過程中，使用標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)傳感器進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，確保其測(cè)量精度符合要求。對(duì)于出現(xiàn)故障的傳感器，及時(shí)進(jìn)行更換，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過這些問題解決方案的實(shí)施，有效地保障了降溫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了降溫效果和系統(tǒng)的可靠性。五、工程實(shí)例分析5.1渦北煤礦降溫機(jī)電硐室現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為全面掌握渦北煤礦降溫機(jī)電硐室圍巖的實(shí)際狀況，驗(yàn)證前文理論分析和數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，在硐室現(xiàn)場(chǎng)開展了詳細(xì)的監(jiān)測(cè)工作。本次監(jiān)測(cè)旨在獲取硐室圍巖在實(shí)際工況下的變形、應(yīng)力和溫度數(shù)據(jù)，分析其變化規(guī)律，為評(píng)估圍巖穩(wěn)定性和優(yōu)化控制技術(shù)提供依據(jù)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容涵蓋了圍巖變形、應(yīng)力和溫度三個(gè)關(guān)鍵方面。在圍巖變形監(jiān)測(cè)中，主要測(cè)量硐室頂?shù)装宓囊平亢蛢蓭偷氖諗苛?，以評(píng)估圍巖在垂直和水平方向的變形程度。應(yīng)力監(jiān)測(cè)則聚焦于硐室周邊圍巖的應(yīng)力變化，包括切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力等，了解圍巖的受力狀態(tài)。溫度監(jiān)測(cè)記錄硐室內(nèi)不同位置的溫度以及圍巖內(nèi)部的溫度分布，分析溫度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。在監(jiān)測(cè)方法上，采用了先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器和技術(shù)。對(duì)于圍巖變形，選用了高精度的全站儀和收斂計(jì)。全站儀通過測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，能夠精確計(jì)算出頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛?。收斂?jì)則直接測(cè)量?jī)蓽y(cè)點(diǎn)之間的距離變化，操作簡(jiǎn)便且精度較高。應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用了振弦式應(yīng)力計(jì)，它利用鋼弦的振動(dòng)頻率與所受應(yīng)力的關(guān)系，準(zhǔn)確測(cè)量圍巖的應(yīng)力大小。溫度監(jiān)測(cè)使用了熱電偶和溫度傳感器，熱電偶能夠測(cè)量圍巖內(nèi)部不同深度的溫度，溫度傳感器則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硐室內(nèi)的環(huán)境溫度。儀器布置根據(jù)硐室的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。在硐室的頂?shù)装搴蛢蓭?，每?m布置一個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置了12個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以全面捕捉圍巖的變形情況。應(yīng)力計(jì)布置在硐室周邊的關(guān)鍵部位，如頂角、底角和中部，每個(gè)部位設(shè)置3個(gè)應(yīng)力計(jì)，共9個(gè)應(yīng)力計(jì)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力變化。溫度傳感器均勻分布在硐室內(nèi)，共設(shè)置了8個(gè)，用于監(jiān)測(cè)硐室內(nèi)的溫度場(chǎng)分布。在圍巖內(nèi)部，每隔3m布置一個(gè)熱電偶，深度分別為1m、2m和3m，以測(cè)量圍巖內(nèi)部的溫度梯度。通過長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲取了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在圍巖變形方面，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，硐室頂?shù)装逡平吭陂_挖后的前30天內(nèi)增長(zhǎng)較快，最大移近量達(dá)到了35mm，之后增長(zhǎng)速度逐漸減緩，在60天后基本趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定移近量約為45mm。兩幫收斂量在前20天內(nèi)增長(zhǎng)明顯，最大收斂量為28mm，隨后增長(zhǎng)速度放緩，穩(wěn)定收斂量約為32mm。應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，硐室周邊圍巖的切向應(yīng)力在開挖后迅速增大，在硐室頂角和底角部位，切向應(yīng)力在15天內(nèi)達(dá)到峰值，分別為原巖應(yīng)力的3.5倍和3.2倍，之后隨著時(shí)間的推移逐漸降低，在45天后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值約為原巖應(yīng)力的2.5倍。徑向應(yīng)力在開挖后有所減小，在硐室壁處降為零，隨著距離硐室壁距離的增加，徑向應(yīng)力逐漸恢復(fù)，但仍低于原巖應(yīng)力。溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，硐室內(nèi)溫度在機(jī)電設(shè)備運(yùn)行后逐漸升高，在夏季高溫時(shí)段，硐室內(nèi)最高溫度達(dá)到了35℃，平均溫度為32℃。圍巖內(nèi)部溫度隨著深度的增加而升高，在距離硐室壁3m處，溫度達(dá)到了38℃。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，為進(jìn)一步優(yōu)化渦北煤礦降溫機(jī)電硐室的圍巖控制技術(shù)提供了有力的數(shù)據(jù)支持。5.2監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論分析對(duì)比將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與前文的理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證分析方法和控制技術(shù)的準(zhǔn)確性和有效性。在圍巖變形方面，理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果顯示，硐室頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛吭陂_挖后會(huì)呈現(xiàn)先快速增長(zhǎng)后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與這一趨勢(shì)相符，頂?shù)装逡平吭陂_挖后的前30天內(nèi)增長(zhǎng)較快，最大移近量達(dá)到了35mm，與理論分析和數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的增長(zhǎng)趨勢(shì)和幅度相近。在60天后基本趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定移近量約為45mm，也與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。兩幫收斂量的監(jiān)測(cè)結(jié)果同樣驗(yàn)證了理論分析和數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，其增長(zhǎng)趨勢(shì)和穩(wěn)定值與理論預(yù)測(cè)相符。應(yīng)力方面，理論分析和數(shù)值模擬表明，硐室周邊圍巖的切向應(yīng)力在開挖后會(huì)迅速增大，在硐室頂角和底角部位達(dá)到峰值，之后逐漸降低并趨于穩(wěn)定?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，切向應(yīng)力在開挖后15天內(nèi)達(dá)到峰值，分別為原巖應(yīng)力的3.5倍和3.2倍，與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果接近。在45天后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值約為原巖應(yīng)力的2.5倍，這也驗(yàn)證了理論分析和數(shù)值模擬的正確性。徑向應(yīng)力的變化趨勢(shì)也與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果一致，在開挖后有所減小，在硐室壁處降為零，隨著距離硐室壁距離的增加，徑向應(yīng)力逐漸恢復(fù)，但仍低于原巖應(yīng)力。溫度方面，理論分析和數(shù)值模擬考慮了機(jī)電設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量以及礦井深部的高溫環(huán)境對(duì)硐室溫度的影響，預(yù)測(cè)硐室內(nèi)溫度會(huì)逐漸升高，且圍巖內(nèi)部溫度隨著深度的增加而升高。現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，硐室內(nèi)溫度在機(jī)電設(shè)備運(yùn)行后逐漸升高，在夏季高溫時(shí)段，硐室內(nèi)最高溫度達(dá)到了35℃，平均溫度為32℃。圍巖內(nèi)部溫度隨著深度的增加而升高，在距離硐室壁3m處，溫度達(dá)到了38℃，與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果相符。通過對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：本文所采用的理論分析方法和數(shù)值模擬模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)渦北煤礦降溫機(jī)電硐室圍巖的變形、應(yīng)力和溫度變化情況。所提出的圍巖控制技術(shù)，包括新型加固技術(shù)和降溫設(shè)備及控制技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，有效地控制了圍巖的變形和溫度，保障了機(jī)電硐室的穩(wěn)定性和機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行。監(jiān)測(cè)結(jié)果也為進(jìn)一步優(yōu)化圍巖控制技術(shù)提供了實(shí)踐依據(jù)，在今后的工程實(shí)踐中，可以根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)支護(hù)參數(shù)、降溫系統(tǒng)等進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整和優(yōu)化，以更好地滿足工程需求。5.3經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與啟示在渦北煤礦降溫機(jī)電硐室工程實(shí)踐中，取得了一系列寶貴的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也獲得了一些重要的啟示，這些經(jīng)驗(yàn)和啟示對(duì)于類似工程具有重要的參考價(jià)值。在工程實(shí)踐中，對(duì)圍巖力學(xué)特性的深入研究是至關(guān)重要的。通過詳細(xì)分析高溫對(duì)圍巖力學(xué)性質(zhì)的影響、巷道開挖導(dǎo)致的應(yīng)力分布變化以及頂板下沉對(duì)圍巖穩(wěn)定性的作用機(jī)制，為后續(xù)的穩(wěn)定性分析和控制技術(shù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這啟示我們，在進(jìn)行任何地下工程建設(shè)時(shí)，都必須充分了解工程所在地的地質(zhì)條件和圍巖力學(xué)特性，為工程設(shè)計(jì)和施工提供準(zhǔn)確的依據(jù)?；谟邢拊椒ń⒌姆€(wěn)定性分析模型，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)圍巖的應(yīng)力分布、變形和破壞形態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理設(shè)置模型參數(shù)和邊界條件，對(duì)不同工況進(jìn)行模擬分析，為支護(hù)設(shè)計(jì)和加固措施的制定提供了科學(xué)指導(dǎo)。這表明數(shù)值模擬技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠幫助工程師在工程實(shí)施前對(duì)各種可能情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，優(yōu)化工程方案，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。在加固措施方面，新型的植物纖維增強(qiáng)混凝土加固技術(shù)展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用