治理礦井熱害的復合隔熱材料及其應用

劉立民，張進鵬

(1.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；3.泰安方舟礦業科技有限公司，山東 泰安 271026)

治理礦井熱害的復合隔熱材料及其應用

劉立民1,2,3，張進鵬1,2

(1.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；3.泰安方舟礦業科技有限公司，山東 泰安 271026)

針對深井熱害問題，分析復合材料的隔熱機理，介紹了冒泡復合隔熱材料。通過原材料不同配比進行實驗，結合實驗室圓管法測量絕熱材料熱導率裝置，確定原材料的最佳配比，記錄最佳配比材料的主要性能指標；利用巷道隔熱結構放熱量理論，推導出巷道采用冒泡復合隔熱材料與不含冒泡復合隔熱材料時，圍巖向巷道內釋放熱量的差值計算公式。結合霄云煤礦1307綜采工作面熱害現狀，運用圍巖向巷道內釋放熱量的差值計算式，得出采用冒泡復合隔熱材料后，巷道出口氣流溫度降低4.956℃；運用數值模擬軟件對附加復合材料的巷道與不含復合材料的巷道進行模擬對比分析，得出采用復合材料的巷道出口氣流溫度比不含復合材料的約低5℃；通過應用現場巷道空氣溫度測量，得出添加復合材料后，巷道出口氣流溫度平均降低4.9 ℃。結果表明：該復合隔熱材料能夠有效減少圍巖放熱，降低巷道內的氣流溫度。

礦井熱害；冒泡復合隔熱材料；性能分析；隔熱結構；數值模擬；現場測量

隔熱材料在建筑技術和航天工業方面的研究和應用已經非常廣泛。近幾年，王飛等[1]提出將SiO2氣凝膠材料應用在建筑節能技術中的設想，構建了全部由SiO2氣凝膠材料替代當前保溫隔熱材料在建筑節能中的應用體系；陳艷林等[2]對各種保溫材料的優缺點進行對比分析，詳細闡述了我國保溫隔熱墻體材料的應用現狀；徐士亮等[3]研究了向Al2O3纖維中摻雜ZrO2纖維和六鈦酸鉀晶須，制備出兼具高強度和低熱導率的纖維隔熱材料；張世超等[4]對納米氧化硅隔熱材料樣品在不同溫度下的導熱系數進行測量，并結合材料內部孔洞結構的變化規律得出納米氧化硅隔熱材料的最佳成型壓力；李德富等[5]評述了多層隔熱材料傳熱特性和空間環境適應性的研究狀況，總結了相關研究方法、熱分析模型與研究得出的基本認識。

隨著礦井開采深度不斷加大，礦井熱害問題越來越嚴重。若將隔熱新材料應用于受熱害影響的礦井，通過在巷道壁面附加隔熱材料，隔離巷道深度熱源、阻止圍巖放熱，則可以達到預期降溫效果，節約降溫成本。礦井隔熱材料降溫法即是通過在巷道周圍添加低熱導率復合材料，阻止巷道圍巖熱量向巷道內部釋放的一種方法。

為探尋理想的低熱導率復合隔熱材料，以膨脹珍珠巖為主要材料，通過實驗研究添加劑等配料的最佳配比，提出冒泡復合隔熱材料。冒泡復合隔熱材料即是在原材料中加入添加劑后產生氣泡，大量氣泡堆積形成隔熱層，起到良好的隔熱效果的一種材料。該材料在礦井熱害治理中起到良好的效果，節省了降溫成本，補充了現有礦井理想隔熱材料的不足。

1 冒泡復合隔熱材料

1.1 原材料選取

因膨脹珍珠巖導熱系數低，選取膨脹珍珠巖為主要材料；因為生石灰和水泥在水化作用下具有膠結作用，選取生石灰和水泥為原材料；選取價格便宜、抗滲能力強的粉煤灰代替部分水泥；選取石膏可以延緩漿料稠化和生石灰消解速率，且便于施工；選取質輕、漂浮力高，對光和熱的反射性能較好的鋁粉，提升材料的隔熱能力，同時可以作為引氣劑，使材料產生較多封閉的小孔，有利于提高材料的抗滲作用。

1.2 原材料的配比實驗

為研究原材料的最佳配合比，首先假設材料間的多組不同配比，制成各種材料，通過實驗測定不同配比下復合材料的導熱系數、抗壓強度、抗折強度以及軟化系數等各項性能。實驗選用堆積密度為100 kg/m3、導熱系數為0.036 W/(m·℃)的膨脹珍珠巖，生石灰和水泥(P.O 42.5)，普通粉煤灰、石膏、鋁粉。原材料經加工制備、配料攪拌、澆注成型、坯體靜置及養護等制作工藝，按不同配比制成復合材料。

對制成的樣品進行性能測試，包括導熱系數、抗壓強度、密度等主要技術指標，其中抗壓強度、密度等可以直接測出。研究表明，井下任何一種巷道的圍巖溫度場受風流的影響僅在靠近巷道壁面的小段距離，超過一定距離，可以認為圍巖溫度場是以巷道為中心的同心圓，由此可通過實驗室圓管法[6-7]測量絕熱材料熱導率裝置，截面如圖1～2所示，對不同配比得到的材料進行隔熱效果測試。

圖1 主測管縱向截面圖Fig.1 Longitudinal section of main test tube

圖2 主測管橫向截面圖Fig.2 Cross section of main test tube

為了減少由于端部熱損失產生的非一維效應，根據實驗室圓管法的要求，在測試段兩端設置輔助加熱器，使輔助加熱管與主加熱管的溫度保持一致，保證主加熱管徑向溫度梯度的大小在允許誤差范圍內，從而使測量段具有良好的一維溫度場特性，主加熱管的導熱量為Q；并根據傅里葉定律，在一維、徑向、穩態導熱的條件下，材料的導熱系數

(1)

式中:λ—材料的導熱系數，W/(m·℃)；l—主加熱管長度，m；Q—穩態時主加熱管導熱量，W。

對按照不同配比要求制成的樣品經過多次試驗測試，研究分析所得試驗數據，選出最符合巷道環境要求的配比，確定復合材料的最佳配比值，并記錄最佳配比復合材料的主要性能指標。該冒泡復合材料的最佳配合比見表1。最佳配比冒泡復合材料的主要性能指標見表2。

表1 冒泡復合材料配合比Tab. 1 Proportion of bubble composite materials

表2 冒泡復合材料的主要性能指標Tab.2 Main performance indexes of bubble composite materials

2 巷道隔熱結構放熱量計算

巷道圍巖與風流之間的熱量傳遞，受到諸多因素的影響，其中風流風量、風速及其溫度以及巖石特性影響較大。井巷圍巖放熱(或吸熱)量，在工程上可以按下式計算

Qgu=kτUL(tgu-tB)。

(2)

式中：Qgu—井巷圍巖傳熱量，W；kτ—圍巖與風流間的不穩定換熱系數；U—巷道截面周長，m；L—井巷長度，m；tgu—井巷圍巖的平均原始溫度，℃；tB—井巷風流平均溫度，℃。

根據試驗分析可以推算進行隔熱層施工的巷道與風流間的不穩定熱交換系數為

(3)

同理可以推斷出復合材料施工后的巷道圍巖通過隔熱結構釋放熱量的計算式為

(4)

基于以上分析，可以推導出在巷道是否采用由復合材料組成的隔熱結構這兩種情況下，圍巖向巷道內釋放熱量的差值

(5)

從式(5)可以看出，針對上述兩種情況，當巷道長度、截面、圍巖原始溫度以及巷道中風流溫度為定值時，圍巖向巷道內釋放熱量的差值主要取決于復合材料的性能參數，材料的隔熱效果越好，相應釋放熱量的差值就越大，巷道內風流溫度的增幅越小；式(5)是巷道進行隔熱結構施工后圍巖熱量減排量的預測關系解析式，為巷道降溫計算和設計熱害治理方案提供理論基礎。

3 復合材料的應用

霄云煤礦目前開采水平為-790 m，主要開采工作面是1307綜采工作面，主要準備巷道是1306軌道順槽及膠帶順槽。通過現場礦井地溫測定，得知該井田的平均地溫梯度約為2.78 ℃/hm，井下工人處于二級熱害的作業環境。礦井的最主要熱源是圍巖放熱，采取對主要進風巷道壁覆合隔熱材料施工的降溫措施。

3.1 參數和方案

巷道入口處風流溫度的初始值25 ℃，風速5 m/s，風量為47.5 m3/s。根據霄云礦井地質統計歷史資料可知：巖體的導熱系數為3.044 W/(m·℃)，密度為2 580 kg/m3，比熱容為976 J/(m2·℃)，圍巖的原始溫度≥45℃，取60℃；錨噴支護混凝土厚度為200 mm，導熱系數為1.74 W/(m·℃)，密度為2 400 kg/m3，比熱容為2 418 J/(m2·℃)；巷道內風流與巷道壁面的對流系數為12.5 W/(m2·℃)。隔熱材料結構層厚度100 mm，導熱系數為0.081 6 W/(m·℃)，干表觀密度為408 kg/m3，比熱容為1 250 J/(m2·℃),巷道與風流間的不穩定熱交換系數為1.5 W/(m2·℃)。由材料的主要性能指標可知，冒泡復合隔熱材料導熱系數為0.081 6 W/(m·℃)，假定巷道周圍巖體及隔熱結構的物理性質各向同性，巷道為半圓拱形狀，凈寬3 m，凈高2 m，圓拱半徑1.5 m，長度100 m。針對采用該隔熱材料和不采用該隔熱材料的情況，建立三維模型，巷道截面布局如圖3～4所示。

圖3 不含隔熱結構的巷道模型Fig.4 Model of roadway without heat insulation structure

圖4 含有隔熱結構的巷道模型Fig.5 Model of roadway with heat insulation structure

3.2 理論計算方法

3.3 數值模擬分析

從主要進風巷道選取一段100 m的巷道，使用ANSYS Fluent軟件對巷道風流溫度場進行數值模擬分析。假定巷道是三維物理模型，選取巷道在z=20 m、z=40 m、z=60 m、z=80 m、z=100 m時進行分析。由于篇幅限制，橫截面上只展示z=20 m和z=100 m時的溫度分布云圖，模擬結果如圖5～7所示。

圖5 巷道全長溫度云圖Fig.5 Temperature cloud of the roadway

圖6 巷道在橫截面上的溫度云分布圖Fig.6 Temperature cloud distribution in the cross section of roadway

圖7 巷道截面平均溫度沿z軸變化曲線圖Fig.7 Changes of average temperature of roadway cross-section along z axis

由圖5(a)～(b)可知，在巷道入口附近，風流吸收少量熱量，溫度增幅不大；在巷道出口附近，風流吸收圍巖釋放的大量熱量，溫度增幅較大，巷道采用無隔熱結構的風流溫度增幅遠大于巷道采用隔熱結構的風流溫度增幅。由圖6(a)、(c)可以看出，風流經過附加復合材料隔熱層的100 m巷道時，溫度上升10℃左右；從圖6(b)、(d)可以看出，風流經過沒有附加復合材料隔熱層的100 m巷道時，溫度上升15 ℃左右，兩者相差5 ℃左右。

由圖7看出，巷道橫截面風流的平均溫度沿著巷道長度方向變化微小，風流吸熱溫度升高；附加復合材料的巷道與不含復合材料的巷道對比，風流經過局部高溫巷道溫度增加幅度大小不等，且兩者溫度差有逐漸增大的趨勢。可見，巷道附加冒泡復合隔熱材料能夠有效減少圍巖放熱，降低巷道出口處風流溫度。

圖8 材料成型后的效果圖Fig.8 Renderings of material after molding

4 現場應用

4.1 工藝流程

原材料按最佳配比經過加工制備、配料攪拌、澆注成型、坯體靜置及養護等制作工藝，制成復合材料，如圖8所示。

針對霄云礦井目前尚未開挖或已在使用的高溫巷道，進行復合隔熱材料施工措施主要有：

1) 對于新開挖成型后的高溫巷道，首先在巷道壁面噴射第一遍混凝土，平整巷道壁面；然后鉆孔并安裝錨桿進行支護，使用高強度的錨桿(錨桿φ=25 mm，HRB335級，屈服載荷165 kN，每根長2 m，間距750 mm)、螺母以及托盤，控制圍巖變形、維持巖層穩定；接著噴射第二遍混凝土，兩次噴射混凝土厚度控制在200 mm內，待混凝土硬化一定程度后，采用傳統混凝土噴漿工藝將膨脹珍珠巖復合材料噴射于錨噴混凝土表面。

2) 對于已經使用的局部高溫巷道，首先對巷道壁面進行平整處理；然后采用傳統混凝土噴漿工藝將膨脹珍珠巖復合材料噴射于錨噴混凝土表面。

3) 為保證隔熱結構的強度及復合材料的隔熱降溫效果，針對霄云煤礦主要進風巷道進行復合材料施工，為延長復合材料的使用壽命，施工時在隔熱層內表面噴涂一層2 cm厚的水泥砂漿。

4.2 效果觀測

對已經使用的巷道進行添加復合隔熱材料前后的巷道空氣溫度的測量，截取巷道長度為100 m，巷道中每10 m 選取一個測量點，從測量結果中選取3組有代表性的巷道進行分析，巷道編號為1、2、3，測量數據如圖9所示。

圖9 巷道溫度測量結果對比圖Fig.9 Roadway temperature measurement comparison

由圖9可知，距巷道入口30～40 m內，巷道添加隔熱復合材料前與添加復合材料后空氣溫度相差不大；距巷道入口40～100 m內，巷道添加隔熱復合材料前與添加復合材料后空氣溫度差值較大。由圖9(a)可知，巷道1入口溫度為24.2 ℃，添加隔熱復合材料前巷道出口溫度為39.6 ℃，添加隔熱復合材料后巷道出口溫度為34.2 ℃，兩者差值為5.4 ℃；由圖9(b)可知，巷道2入口溫度為24.5 ℃，添加隔熱復合材料前巷道出口溫度為38.6 ℃，添加隔熱復合材料后巷道出口溫度為34.0℃，兩者差值為4.6 ℃;由圖9(c)可知，巷道3入口溫度為26.0 ℃，添加隔熱復合材料前巷道出口溫度為41.9 ℃，添加隔熱復合材料后巷道出口溫度為37.1 ℃，兩者差值為4.8℃。

在上述模擬中，巷道添加復合隔熱材料與不添加復合隔熱材料相比，出口溫度約降低5 ℃。實際應用中，選取三個巷道，比較添加復合隔熱材料前后溫度變化情況，變化值分別為5.4、4.6和4.8 ℃，平均4.9 ℃，與模擬結果接近，說明該復合隔熱材料在礦井熱害治理中能夠起到良好的效果。

5 結論

1) 提出采用冒泡復合隔熱材料減少巷道圍巖放熱，通過實驗確定了冒泡復合隔熱材料的原材料最佳配比，記錄了其主要性能指標。

2) 針對附加復合材料的巷道與不含復合材料的巷道，理論推導出兩者圍巖向巷道內釋放熱量的差值公式，結合礦井設計應用方案和參數，計算出附加冒泡復合隔熱材料的巷道與不含復合材料圍巖放熱量的差值為60.913 kJ，相對應的巷道流出風流溫度差值為4.956 ℃。

3) 結合礦井實例，運用數值模擬和現場溫度測量的方法，分析出附加冒泡復合隔熱材料的巷道出口風流溫度比不含復合材料的巷道出口溫度低約5 ℃，驗證了冒泡復合隔熱材料在巷道圍巖放熱治理中的顯著效果。

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(責任編輯：呂海亮)

Thermal Insulation Composite Material for Governance of Underground Thermal Hazard and Its Application

LIU Limin1,2,3,ZHANG Jinpeng1,2

(1.College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China; 2.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China; 3.Tai′an Fangzhou Mining Technology Co.Ltd,Taian,Shandong 271026,China)

In order to solve the problem of underground thermal hazard in deep wells,the thermal insulation mechanism of composite materials was analyzed,and a bubble composite thermal insulation material was proposed.By experimenting with different proportions of raw materials and measuring the thermal conductivity of insulation materials with laboratory tube method,the best ratio of raw materials was determined and the main performance indexes of the best proportion materials were recorded.By using the heat release theory of the roadway insulation structure,the difference calculation formula was deduced when the roadway adopted the bubble composite thermal insulation material and the non-bubbling composite thermal insulation material.By combining the heat damage on mechanized coal mining face 1307 in Yunxiao Coal Mine and by using the heat release difference calculation formula,it was deduced that the outlet airflow temperature of the roadway was reduced by 4.956 ℃ after the bubble composite thermal insulation material was adopted.By simulating and analyzing the roadway with additional composite material and roadway without composite material with the help of numerical simulation softwares,it was found that the outlet airflow temperature of roadway with composite materials was 5 ℃ lower than that without composite materials.Through field measurement of the roadway temperature,it was found that the outlet airflow temperature was reduced by 4.9 ℃ on average compared with that of the roadway before the composite materials were added.The results show that the composite thermal insulation material can effectively reduce the heat release of the surrounding rock and reduce the air temperature inside the roadway.

underground thermal pollution;bubble thermal insulation composite material;performance analysis;heat insulation structure;numerical simulation;field measurement

2016-07-11

劉立民(1962—),男,山東濰坊人,教授,博士,主要從事軟巖巷道支護、開采沉陷、三下開采等方面的研究工作. E-mail:lmliuhhu@163.com 張進鵬(1992—),男,山東濟寧人,碩士研究生,主要從事礦山壓力與巖層控制研究,本文通信作者. E-mail:2280840483@qq.com

TD727

A

1672-3767(2017)01-0046-08