随着经济的发展以及人们生活水平的提高,世界范围内对能源的需求都呈现增长态势。我国目前的能源供应仍以煤炭为主,而地下煤炭的开采工作使得矿工随时面临着各种事故造成的危险。矿井避难硐室是在矿难发生后为矿工提供的一个安全避难场所。由于矿井下可能存在瓦斯气体逸出,为避免二次爆炸,矿难发生后必须切断电力系统,导致密闭硐室内的降温需求难以用常规方式满足。目前应用在避难硐室内的四种降温方法及其系统都有缺陷,难以在控温的同时满足安全、可靠、稳定的要求。本文提出了一种新的适用于矿井避难硐室的围岩蓄冷-相变蓄热相结合的耦合降温方法。首先研究了深埋硐室围岩的传热机理,并提出了间歇蓄冷方案,然后建立了耦合降温系统模型,并分析了不同因素对控温过程的影响。以此为基础,进一步对耦合降温系统进行了优化。本文提出的耦合降温系统安全可靠、结构简单,平时无需维护,运行时无需电力支持,解决了本质安全条件下无源环境中避难硐室内降温的难题,为避难硐室内人员避险提供了安全的温度环境,这对于缓解矿工的紧张情绪,增加矿工的被救几率具有重要作用。围岩蓄冷-相变蓄热耦合降温系统运行包含两个时期:平时的围岩蓄冷时期和矿难发生后的控温时期。针对围岩蓄冷时期的围岩传热问题,本文首次利用积分变换法求解出了更为简单的围岩温度分布表达式,通过将其无因次化,揭示了各无因次量对围岩内部温度分布的影响,并利用Matlab软件编写了相应的计算程序,给出了需要确定的计算参数。更进一步地,推导了围岩蓄冷量的工程计算式,极大地方便了工程计算。基于围岩蓄冷量的计算公式,分析了包括围岩参数以及送风参数在内等因素对蓄冷过程的影响,提出了优化参数,为实际工程应用提供了数据参考。通过围岩蓄冷的运行特性分析,发现围岩在长期蓄冷过程中存在蓄冷能力下降的问题。基于此,本文首次提出了围岩连续/间歇蓄冷模式。对于硐室围岩间歇蓄冷问题,本文发展了硐室围岩间歇蓄冷的数值计算模型,探究了间歇因子及间歇周期对围岩长期蓄冷过程的影响。针对不同蓄冷时期的工程要求,提出了以快速、节能、方便为目标的分段组合式间歇蓄冷模式,为围岩蓄冷的工程应用提供了数据参考和科学支撑。其次,本文建立了耦合降温系统传热简化计算模型。在耦合降温系统中,参与热交换过程的主体包括围岩、室内热源、空气以及相变降温装置。围岩内壁面、室内空气以及相变降温装置之间的换热过程相互耦合、相互影响,必须进行统一计算。然而围岩传热尺寸大,而非定型相变降温装置传热范围尺寸小,且内部存在复杂的导热、对流和熔化过程,无法建立全场模型进行计算。因此,本文以耦合性作为切入点,提出了以非定型相变降温装置为主模型,周围环境为子模型的求解方法。该方法同时考虑到了整场求解以及相变降温装置独立求解的要求,又能极大地缩短计算时间。对于该耦合降温模型,本文还展开了实验进行验证。再次,本文针对不同相变降温装置组成的耦合降温系统进行了影响因素分析。对基于相变板的耦合降温系统,建立了人体热忍耐时间评价指标,分析了包括围岩蓄冷温度、相变温度、材料板尺寸以及材料板数量在内的因素对硐室控温的影响。计算结果表明,基于相变板的围岩蓄冷-相变蓄热耦合降温系统能在96小时内有效地控制室内温度,但相变板的释冷量与室内负荷在时间上存在强不匹配性,因此建议在运用围岩-相变板耦合控温时应充分考虑全系统全过程的换热,尽量选择具有较低温度的冷源进行蓄冷,并需要对相变板参数进行优化。而相较于相变板,相变座椅具有更加复杂的换热边界条件,且基于相变座椅的耦合降温系统不占用生存空间,但计算结果表明该系统仅能在40小时左右保障室内温度不超过控制温度,因此需要与相变板结合才能满足96小时的控制要求。最后,对于相变板和相变座椅各自在硐室控温过程中表现出来的不足,本文对相应的耦合降温系统分别进行了优化,考虑了不同蓄冷温度下各因素之间的影响关系,通过模拟预测,在达到控温要求的同时以节省相变材料用量为目的,提出了相应的优化方案。以此为基础,将两种相变降温装置的优化降温结果进行了对比,并结合围岩蓄冷期运行优化过程,最终得到了适用于矿井避难硐室的围岩蓄冷-相变蓄热耦合降温系统优化配置方案,为实际工程中的应用选择提供了科学的参考和依据。