深部高溫采場隔熱層降溫新方法

朱成坦

（貴州盤江精煤股份有限公司，貴州 盤縣553529）

近年來，我國煤礦開采深度以8～12m／a的速度不斷延深，有的開采深度已超過1000m，隨之帶來的是愈發嚴重的礦井熱害問題〔1〕。在深井開采條件下，地溫不斷升高，危害日益增大，嚴重影響工人的勞動效率和身心健康，不僅直接導致礦井產量的降低，還會誘發煤礦安全事故〔2〕。礦井熱害已成為制約礦井向深部延伸的主要因素之一。通過采用有效的技術措施來降低采場環境溫度，已成為深部礦井實現安全高效生產的必然趨勢和要求。現場實測表明，目前最先進的空調制冷僅能控制采場內25m左右的溫度，超過25m的風流溫度迅速上升，使工作面風流出口處的溫度嚴重超過煤礦安全規程規定的溫度，解決不了溫度升高的問題。本文基于煤巖放熱是采場溫度升高的主要原因這一判斷，提出了隔熱層隔熱的新方法，即在采場布置噴射系統，將隔熱材料噴射到采空區垮落矸石表面，減緩矸石熱量向工作面風流傳遞，間接減少風流溫度的升高。通過理論分析及計算，表明建立采空區隔熱層可以有效降低工作面的風流溫度。

1 采空區矸石對工作面風溫的影響

現場觀測表明，風流經巷道進入工作面以前，溫度基本不會有大的增高，但深部工作面的風流溫度仍遠超過許可溫度，其熱源顯然主要來自工作面內。在工作面推進以前，采煤機尚未切割的煤壁及直接頂的溫度接近原巖溫度，可達26℃以上，甚至超過32℃或者更高。工作面向前推進到一定距離，直接頂會垮落成矸石暴露出來，所攜帶的熱量通過對流、熱傳導、輻射等方式傳遞給工作面風流，與風流直接接觸的矸石表面溫度降低，和不與風流直接接觸的矸石之間產生溫度差，矸石之間發生熱傳遞，將深部矸石的熱量源源不斷地傳遞到最外層的矸石，最終散發到風流中。同時，未垮落的頂板巖層也主要通過熱傳導的方式將深處的熱量通過垮落的矸石流向工作面。

對于一個長度達150～200m甚至更長的工作面，由于采場是不斷移動的，采空區的矸石也不斷地垮落下來，工作面風流在流動過程中不斷地吸收來自采空區的熱量，導致工作面風流溫度逐漸升高，最終形成高溫工作面。

由此可見，采取措施減少采空區矸石向工作面風流散熱，是降低工作面風流溫度的關鍵。

2 采空區隔熱層的作用及材料組成

2.1 隔熱層的作用

采空區隔熱層是指通過噴射系統將導熱系數小的無機隔熱材料直接噴到采空區矸石表面，形成隔熱層，減緩采空區矸石的熱量傳向工作空間，這一噴層起到阻隔作用，故稱之為采空區隔熱層。建立采空區隔熱層以后，隔熱層將風流與采空區垮落矸石隔絕，風流與高溫矸石之間不直接轉換熱量，高溫矸石將熱傳遞給隔熱層，再通過隔熱層傳給風流；由于隔熱層的隔熱效果僅有很少部分熱量“穿透”隔熱層，極大地減少了矸石向采場風流傳遞熱量。

采空區矸石的熱傳導、熱對流及熱輻射，和采場煤壁的熱輻射、熱對流及熱傳導是造成工作面溫度上升的主要原因。工作面煤壁的熱輻射及熱傳導因工作面不斷推進而難以避免。通過建立采空區隔熱層，可以從源頭上隔斷采空區矸石的熱量傳遞到工作面風流中，起到“釜底抽薪”的效果，因此隔熱降溫效果大大增強。

當工作面推進一定距離，直接頂垮落以后，采用噴射系統將隔熱材料噴到采空區垮落的矸石表面，形成間隔性的隔熱層，其施工見圖1。

圖1 采空區隔熱層施工示意

2.2 隔熱材料成分組成

隔熱材料主要由水泥、黃沙、水、煤渣、蛭石、外加劑等按照一定的比例配制而成。水泥作為膠結料，起到膠結作用，選用市場上常見的普通硅酸鹽水泥；黃沙作為集料，要求具有一定的顆粒級配；煤渣、蛭石具有一定的隔熱性，作為隔熱基料，此外，煤渣可以替代部分的水泥，減少成本。經材料配比實驗，當材料配比為水灰比∶黃沙∶煤渣∶蛭石∶外加劑＝0.6∶0.2∶0.4∶0.1∶0.001（質量比）時，熱導率最小，約為0.4123W／（m·k），成本約在243元／t。

3 隔熱層的傳熱分析

由于煤壁及采空區矸石所形成的結構及本身性質的影響，使得傳熱過程較為復雜，為了便于研究采空區矸石對風流的影響，對其做以下假設：

1）采場煤壁的溫度與直接頂剛垮落矸石的溫度相同，不考慮支架等的影響，兩者對風流輻射的熱量近似相等，對溫度的上升各有50%的貢獻，鑒于煤壁的傳熱難以避免，故本文僅分析采空區矸石的隔熱效果。

2）采空區矸石垮落后仍可以規則的堆積起來，深部熱量不斷傳遞到暴露的矸石表面，形成穩定熱源〔4－7〕。

3）溫度升高過程中的各種傳熱非常充分。

任取單位長度的工作空間作為隔熱單元（圖2）進行熱分析。由于工作面推進到一定距離后，最外表層散熱量與垮落巖石的總熱量相比較小，可將垮落的矸石視為穩定熱源。傳熱方式一般有穩態熱傳導、輻射放熱、對流放熱等三種形式，任何一個傳熱過程都包含上述傳熱方式的一種或幾種〔8－11〕。

圖2 隔熱層隔熱單元示意

風流從矸石吸收的總熱量為：

式中：λ為隔熱層的熱導率，W／（m·K）；c為隔熱層的厚度，m；S為隔熱層橫截面積，由于取單位長度，S數值上即等于采高 M，m2；t1為熱板面的溫度，等同于矸石的溫度，℃；t2為冷板面的溫度，等同于風流的溫度，℃；S1為發生對流換熱的兩物體中較小的物體面積，由于取單位長度，在數值上近似于采高M，m2；T1為采空區矸石表面的絕對溫度，K，（T1＝273.15＋tb）；T2為風流的絕對溫度，K，（T2＝273.15＋ta）；ta為風流中空氣的干球溫度，℃；tb為采空區矸石表面空氣的干球溫度，℃；Fev為外觀系數，一般取值0.8；5.67為斯蒂芬－波爾茨曼常數；a對流放熱系數，W／（m2·K）；S2為熱交換的表面積，m2；Ni為傳熱方式對風流的貢獻系數，i＝1，2，3取值為0或1；a一般與垮落矸石的形狀，風流的性質，風流的特征長度，雷諾數等因素有關。本文中對于風流在工作面中流動的情況，一般將對流放熱系數取為1.8。

式中第一項為穩態熱傳導對風流的放熱量，第二項為輻射放熱，第三項為對流放熱。

4 隔熱層阻熱效果分析

4.1 傳熱過程分析

將采空區矸石視為穩定熱源，由于液壓支架處于矸石與風流之間，假設支架后部與矸石是緊密接觸的，其自身的溫度與矸石溫度接近，從傳熱角度考慮，僅考慮熱源，可以認為液壓支架是矸石的一部分，它們共同以輻射、對流的方式使工作面風流溫度上升。由于垮落的巖石表面溫度比周圍風流的溫度高，所攜帶的熱量迅速向采場風流中輻射，此外風流流經矸石表面形成很薄的邊界層，風流在邊界層中與矸石表面接觸，矸石的溫度遠大于風流的溫度，發生對流換熱，風流被加熱。因此，運動中的風流通過輻射和熱對流兩種方式吸收采空區傳遞的熱量。

隔熱層是在液壓支架后面添加一套噴射系統，向采空區噴射隔熱材料形成的。高溫巖石的熱量透過熱導率較小的隔熱層，以較小的傳熱速度傳遞到隔熱層另一側，因此隔熱層可以降低巖石對風流的輻射傳熱及風流與矸石表面對流換熱的強度。

4.2 隔熱效果對比分析

土城礦13124工作面埋深839m，采高2m，回風流中空氣的干球溫度34.7℃，采空區矸石表面的空氣干球溫度36℃，熱害嚴重，工人的勞動效率低下，嚴重影響了礦井的安全生產。對工作面支架進行改裝，添加噴射系統，往采空區噴射隔熱材料。在工作面布置上下端頭及中部分別布置溫度測點，進行測溫。

圖3 不同噴層厚度下的溫度測定

從圖3中可知：下端頭處溫度幾乎不變，進風風流未受到采空區高溫熱源影響，工作面中部溫度及上端頭溫度隨著噴層厚度的增加而降低。在噴層厚度為4cm時，工作面中部溫度為26.4℃，上端頭溫度為27.5℃，溫度相差0.9℃，噴層在6cm時，中部溫度為25.1℃，上端頭溫度為25.6℃，溫度相差0.7℃，噴層厚度為8cm時，中部溫度為23.8℃，上端頭溫度為24.2℃，溫度相差0.4℃。噴層厚度每增加2cm，中部溫度與上端頭溫度相差最大僅0.9℃，在噴層厚度為4cm時，中部溫度與上端頭溫度都在28℃以下，符合煤礦安全規程的相關規定，此時隔熱材料消耗也最小。

5 結語

1）采空區垮落的巖石中，矸石與風流之間將會以輻射換熱、對流換熱、穩態熱傳導等方式進行熱量單向傳遞。

2）將導熱系數小的隔熱材料直接噴到采空區垮落的矸石表面，形成采空區隔熱層，可以從根源上隔斷熱量傳遞到工作面風流中，降溫效果大大增強。

3）隔熱材料噴層厚度為4cm時，工作面溫度效果達標，成本最小。

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