（1）基于傅里叶定律和能量守恒定律建立了采煤工作面二维围岩温度场的非稳态数学模型，克服了传统经验公式的局限性，为围岩散热量的精确计算提供了科学依据。
（2）创新性地提出了以坐标间断移动来模拟采煤工作面实际割煤进刀过程的循环推进算法，显著提高了动态推进条件下高温采煤工作面围岩散热的计算精度，解决了传统方法无法准确反映一个割煤循环过程中围岩散热强度随时间变化的问题。
（3）采用有限体积法对模型进行了离散，自主设计开发了数值解算程序，结合工程背景开展了数值模拟与实测验证工作，验证了模型的可靠性，为深部采煤工作面热害防治提供了实用工具。
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基于循环推进算法的采煤工作面围岩温度场数值模拟研究
随着浅部赋存煤炭资源的逐渐枯竭和能源需求量的日益增加，我国矿山开采深度正以10～15 m/a的速度快速向深部延伸。据资料统计，我国煤田平均地温梯度为2～4 ℃/hm，开采深度的增加使得地温快速上升，矿井热害问题日益突出。持续的高温高湿环境不仅会增加井下机电设备故障率，还会破坏人体热平衡，危害矿工的身体健康，严重制约了矿井的安全生产。高温围岩作为造成井下热害的最主要热源，其散热量往往超过其他所有热源的总和。因此，深入研究高温围岩温度场及其散热变化规律，对科学指导矿井热害治理具有重要的意义。
现阶段，国内外学者对巷道围岩散热特性开展了大量的研究。前苏联学者舍尔巴尼基于无量纲分析法首次提出了围岩与风流间不稳定换热准数的概念，并分析了其与毕渥数Bi、傅里叶数Fo之间的函数关系；YAKOVENKO等采用Laplace变换法理论求解了巷道围岩与风流间的热交换方程；孙培德和岑衍强等分别通过采用推导解析和曲线拟合回归的数学方法，总结得到了不稳定换热系数与时间相关的计算经验式；高建良等建立了考虑水分蒸发的围岩传热数学方程，分析了不同场景下水分蒸发对围岩温度场的影响；张一夫等基于有限体积法研究了巷道断面形状特征对围岩散热特性的影响，发现围岩调热圈半径随通风时间呈指数变化，并随形状因子的增大呈线性增加趋势；杜翠凤等基于传热学稳态导热理论，简化了巷道围岩调热圈导热模型，推导得到了调热圈半径与温度的计算式。此外，宋东平、朱帅和易欣等也都分别通过数值计算和现场观测相结合的方法对巷道围岩传热过程进行了研究，为现场热害防治提供了技术指导。
虽然前人的研究工作已经取得了许多进展，但研究对象很少涉及采煤工作面。由巷道围岩散热规律推导和拟合而来的经验式，被直接应用在采煤工作面的热源计算和风温预测研究中，使得计算结果与现场情况产生偏差，无法满足采煤工作面热害防治工作的实际需求。如何模拟采煤工作面的动态推进特性，是其围岩散热计算的最大难点。鉴于此，笔者提出一种全新的循环推进算法，通过坐标的间断移动来模拟采煤工作面实际的循环割煤过程。基于傅里叶定律和能量守恒定律建立采煤工作面围岩温度场二维非稳态数学模型，然后通过有限体积法对模型进行了离散求解，最后以一个割煤循环作业过程为例，对不同时刻围岩温度场和不稳定换热系数等参数的演变规律展开分析，为更精确模拟采煤工作面间断推进时的围岩温度场提供了参考和依据。
图 1 采煤工作面围岩温度场解算范围
图 2 网格划分示意
图 3 内部节点控制区域
图 4 网格节点平移示意
图 5 节点平移后所处的放射线区间
图 6 节点平移后所处层区间的确定
图 7 节点平移后所处三角形单元的确定
图 8 平移后节点P2所处三角形单元
图 9 程序结构流程
图 10 测点布置示意
图 11 模拟结果与实测数据对比
图 12 相对误差分析
图 13 不同时刻围岩温度分布云图
图 14 采煤工作面各区域围岩壁面不稳定换热系数
图 15 围岩累计散热量
图 16 进刀速度对平均不稳定换热系数的影响
图 17 围岩散热各参数与进刀速度的拟合关系
图 18 进刀截深对平均不稳定换热系数的影响
图 19 围岩散热各参数与进刀截深的拟合关系
秦跃平，男，1965年1月27日生，山西夏县人，中国矿业大学（北京）教授，博士生导师。中国煤炭工业技术委员会委员、中国职业安全健康协会校园安全健康专业委员会副主任委员、中国煤炭工业安全科学技术学会矿井降温专业委员会副主任委员、中国矿山安全学会金属矿山安全专业委员会委员、北京应急管理学会理事、《有色金属（矿山部分）》编委、《煤矿安全》编委。主持国家自然科学基金项目6项、国家重点研发计划课题1项，横向科研项目30余项；参与国家级重大项目10余项。发表论文230余篇，其中被SCI/EI收录120余篇，合作出版教材和专著9部，授权国家发明专利30余项，软件著作权10余项。获国家级教学成果二等奖1项，省部级教学成果一等奖2项，省部级科技进步一等奖2项、二等奖13项， 2001年获得中国科学技术发展基金会孙越崎能源科学技术青年科技奖，享受国务院政府特殊津贴。
研究方向
主要从事矿井火灾及瓦斯灾害防治、矿井通风与热害治理、煤岩动态损伤等方面的理论研究、软件开发及工程应用工作。
主要成果
在煤矿瓦斯灾害防治方面，提出了煤基质瓦斯流动理论、双重孔隙瓦斯流动理论，开发了煤粒瓦斯放散、煤层瓦斯流动软件，提出了煤层透气性系数反演测试方法和顺层钻孔瓦斯抽采煤壁堵漏风方法；在矿井火灾防治方面建立了采空区自然发火多场耦合理论，开发了相应的数值模拟软件，提出了采空区自然发火预测预报方法和综合治理技术；在矿井通风与热害治理方面开发了全风网风量风温耦合解算、采掘工作面围岩散热及风温预测等一系列数值模拟软件，提出了采掘工作面热害治理技术；在岩石力学方面建立了煤岩动态损伤理论，揭示了煤岩强度及其时间效应和尺寸效应的损伤本质，建立了煤岩动态损伤本构方程。
来源：
秦跃平，郭铭彦，唐飞，等. 基于循环推进算法的采煤工作面围岩温度场数值模拟研究[J]. 煤炭学报，2025，50(1)：409−420.
QIN Yueping，GUO Mingyan，TANG Fei，et al. Numerical simulation of temperature field in surrounding rock of coal mining face based on cyclic advancement algoritm[J]. Journal of China Coal Society，2025，50(1)：409−420.
策划丨王晓珍
责编丨钱小静
编辑丨李莎
审核丨郭晓炜
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