膠結充填體水化放熱規律及其影響研究*

魏丁一，杜翠鳳，張宏光，徐海月

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點試驗室，北京 100083；2. 北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；3.馬鋼(集團)控股有限公司南山礦業公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

隨著當前淺部資源開采的日漸枯竭，金屬礦山逐步轉向深部開采，深部開采過程中對于采空區的治理也越來越難,因此充填采礦法在深部金屬礦山開采過程中的應用越來越廣泛[1-2]，許多人對于膠結充填體的水化過程進行了相關研究。毋林林等[3]對8種粉煤灰膏體進行了水化放熱速率和水化熱分析，得到放熱速率和水化熱隨粉煤灰和煤矸石的增加而降低；陳川等[4-7]進行了不同持續低溫的水泥水化熱試驗，擬合的水化放熱模型與實測吻合；張娜等[8-9]利用固廢制備高強混凝土，得到水化硅酸鈣凝膠的發展和鈣礬石的充填效應使后期強度進一步提高；朱振泱等[10]提出一種合適的遺傳算法，并得到不同溫度歷程時仍能獲取準確參數；董繼紅等[11-13]推導了不同養護溫度下水泥水化放熱的模型，得到反應速率與養護溫度的關系，且與推導模型一致。

目前對于膠結充填體散熱及溫度影響的研究較少，因此對某采場內233 m3膠結充填體的不同位置設置溫度記錄儀進行現場實測，并運用Ventsim對于采場內的膠結充填體水化熱進行治理。

1 試驗方案及測點布置

1.1 測量儀器及方法

采用RC-4溫度記錄儀可設置時間間隔，通過USB連接電腦后可直接傳輸數據，測溫范圍為-30～60℃，分辨率為0.1℃，記錄容量為16 000組數據，電池以15 min的時間間隔可使用1 a以上，完全滿足要求。

1.2 充填體測溫方案

選取采深為1 024 m的某個充填體進行測定，充填量為233 m3。充填作業前按如下步驟安裝儀器：

1)將溫度探頭放置在供水管(4分管)中，并用水泥封口，避免充填漿體流入管中。

2)采用供水管作支撐將溫度探頭穿過隔墻并將探頭固定在隔墻擋板內側，RC-4記錄儀在供水管外側與探頭線連接包裹好，于充填前2 d啟動。

3)采用4×4的矩形布置測點，間距為700 mm。

現場測點位置布置如圖1所示。

1.3 充填體散熱機理

充填體水化主要是水泥的水化產熱。水泥的水化是指水泥熟料、石膏和水之間一系列化學反應的疊加，水化熱是水泥水化過程中發生放熱反應而產生的熱量[14]。根據水泥水化放熱速率與時間的關系，可將硅酸鹽水泥水化分為4個階段,即誘導前期、誘導期、凝結期、硬化期[14]，如圖2所示。因此以采深為1 024 m的某充填體為例去測量預估充填體的放熱量。

圖2 水泥水化過程的放熱Fig.2 Exothermic curve of cement hydration process

1.4 計算方法

充填體放熱中起主導作用的是水化放熱和后期緩慢放熱，選取現場的充填體進行溫度記錄測試，數據處理后應用下式計算充填體放熱：

qc=CcmcΔt

(1)

式中：qc為放熱量，kW；mc為充填量，kg；Cc為充填體比熱，此處取1.004 8 kJ/(kg·℃)；Δt為充填后7 d的平均溫度變化率，℃/s。

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果分析

根據圖1布置16個測點，在距充填體隔墻外部約3 m處記錄充填體外部氣溫變化。由于設備損壞等原因，部分測點數據不全，其中A，B，C，D，E，F，G，H，L，M，Q等11個測點數據較完整。考慮測點及分布對稱性，選取測點A，Q和F作為計算依據，其中測點A和Q代表四周測點，測點F代表中間測點。A，Q，F及外部氣溫變化如圖3所示。

圖3 充填體測點A，Q，F及巷道內氣溫記錄Fig.3 Cemented backfill body measuring points A，Q，F and air temperature in the roadway

由圖3(a)～(c)可知，3個測點溫度變化規律呈現一致性，前3 d溫度基本不變化，且與巷道內氣溫接近。3～6 d溫度急速上升，在第6 d達到極大值，6 d后緩慢下降，至30 d時溫度基本趨于穩定。

這是由于溫度探頭預埋入隔墻，在充填前2 d開始啟動記錄儀，因此前2 d的溫度與巷道內氣溫近似。第3 d充填結束，水泥與尾砂等發生水化反應熱。放熱高峰出現在水化反應過程中的初凝和終凝期間[14]，對應于充填后若干小時至若干天內。由現場實測可知放熱高峰出現在充填后第1 d至第4 d，對應記錄儀的第3 d至第6 d，這與文獻放熱高峰出現時間吻合[14]。

圖3(d)是充填體周圍氣溫的變化，前3 d氣溫與測點A近似，第3 d至第6 d氣溫呈上升趨勢，第6 d后氣溫逐漸下降，之后與充填作業前氣溫大致相同，因此周圍氣溫與充填體溫度變化呈正相關。在充填作業完成后第25 d出現的溫度波動，可能是由于設備轉移或人員的后續作業引起。

比較圖3(a)、(b)和(c)可知，盡管放熱規律近似，但溫度極值呈現差異性。測點A的溫度由接近巷道氣溫的25℃迅速升至A1時的30.5℃，在第6 d升至峰值A2時的36.1℃；之后充填體內部溫度開始下降，緩慢向外散熱，到第39 d時溫度緩慢下降并基本穩定至26.4℃。同理如圖3(b)和(c)，在充填作業完成后的第3 d分別達到的最大值為34和42.1℃，測點Q最終穩定溫度為26.5℃，測點F最終穩定在30℃左右。

A，Q測點與邊幫圍巖相鄰，因此極值溫度及最終溫度變化比較相近，而中心測點F的極值溫度比A，Q分別高6和8℃，最終溫度高3.5℃。這是由于水化過程中周邊測點的水化熱會沿低溫巖壁方向進行熱傳遞，因此極值溫度相對較低；中部測點F由于周邊水化熱的聚集不易進行熱傳遞，因此極值溫度相對較高。

2.2 試驗討論

由于采用充填法采礦，采充比為1∶1。根據采礦工藝的要求，充填體強度為1～4 MPa。充填材料以全尾砂和水淬渣為骨料，水泥與石灰組成復合膠凝劑。充填過程中產生的熱量不可忽視，且放熱主要為水泥水化放熱。

將現場充填體溫度實測數據代入公式(1)計算，得到加權平均值為10.92 kW。因此233 m3充填體的散熱量為10.92 kW。結合不同采深充填量統計數據，計算得到不同采深充填體的放熱量如圖4所示。

圖4 各采深的充填量及放熱量Fig.4 Cementing volume and heat release at each depth

由于采深為976 m的水平作業強度較大，因此充填量及散熱量大。由圖4可知，充填體向空氣中散熱262.079 kW，對采場有較大影響。對比可知充填體放熱在整個熱源結構中占比最大，達48.5%。

充填體放熱可分為2個過程，一是快速水化放熱過程，充填體溫度迅速上升，在充填作業結束后第2 d至第4 d，極值溫度可達42℃；二是緩慢散熱過程，自身溫度緩慢下降，直到充填體溫度冷卻到與周圍環境基本一致。計算得到采深為976 m的水平充填體放熱貢獻率達到最高為69.8%，充填體散熱是該水平的最重要熱源，采深為1 456 m的水平暫時沒有采場，故充填放熱為零。因此需要對于充填體放熱進行重點治理。

3 充填體放熱對巷道溫度的影響

由于充填體內部水化放熱量較大，且通常位于采場最末端，通風效果相對不好，因此容易熱蓄積造成熱害。通過現場實測后設置10.92 kW的熱源作為充填體，模擬初始條件如下：巷道斷面寬高均為3 m，拱高為1/3巷寬的三心拱，巷長為116 m，采用壓入式通風，風量為3 m3/s，風溫為22.2℃，巖溫為17.1℃，模擬充填7 d后巷道溫度分布如圖5所示。

由圖5可知，巷道供風量為3 m3/s時，充填作業完成7 d后附近氣溫升至27.9℃，風流經過長約100 m巷道的冷卻降溫后降至23.8℃。因此充填體只在采場內存在熱害，此時保證有效通風量可避免更嚴重的熱蓄積，大大降低采場熱害。

圖5 充填體對巷道氣溫的影響Fig.5 Effect of cemented backfill on roadway temperature

4 采深為1 456 m的采場熱環境預測

目前1 456 m采深處于開拓階段，沒有充填體且低溫裂隙水水量大，因此熱害并不突出。假定該水平進入回采，其開采強度及充填量參照964 m采深。在此條件下預測1 456 m采深進入回采階段后充填體處于3 d水化放熱高峰時的采場熱環境參數。

現場實測采深為1 456 m的原巖溫度為23.38℃，入口溫度設為夏季月平均氣溫21.5℃，地熱增溫率為1.4℃/hm。探礦道編號從左至右為1#～10#。通過Ventsim軟件對1 456 m采深的熱環境分布進行預測模擬如圖6所示。相應的溫度分布如表1所示。

圖6 采深為1 456 m時的溫度模擬結果Fig.6 Temperature simulation result with a depth of 1 456 m

表1 采深為1 456 m時的溫度變化Table 1 Temperature change with a depth of 1 456 m

按照評價指標人體舒適度指數ssd、WBGT指數、熱應力指數HSI和PMV-PPD分別對采深為1 456 m水平的各采場相關數據計算熱環境參數，得到采深為1 456 m水平的采場人體熱參數和各評價指標值如表2所示。

表2 采深為1 456 m的采場熱參數和評價指標值Table 2 Stope thermal parameters and evaluation index values with a depth of 1 456 m

礦井熱害等級主要受風速、充填體、裂隙水、氣溫及作業時間的影響，風速越大，熱害等級會降低。充填體作為最主要熱源，對采場熱環境影響大。

由表2可知，采深為1 456 m水平的獨頭風量對巷道氣溫有一定影響，風速越大降溫效果越明顯。當獨頭風量為3 m3/s時，1#、4#和7#這3個探礦道人體蓄熱率(S)分別為52.07，56.52 及60.57 W/m2，均大于0，人體會積聚大量熱量；熱應力指數分別為133.69，164.54及206.40，均遠遠大于極限值100；PMV值分別為1.86，2.02及2.16，預測不滿意百分比PPD分別為69.92%，77.45%和83.43%，大部分人不滿意；ssd分別為77.68，79.33和80.82，需注意防暑降溫。故當獨頭風量為3 m3/s時，按采掘工作面風流溫度劃分[15]，采深為1 456 m的采場屬于一級熱害礦井。

當風量增至6和9 m3/s時，氣溫分別下降3和4℃，評價指標值S,HSI,PMV-PPD和ssd均出現大幅度減小。當獨頭風量由3 m3/s增至6 m3/s時，采場S值均下降了10 W/m2左右，HSI降低60，PMV降低0.4，PPD降低20，ssd值降低5；當風量由6 m3/s增至9 m3/s時，采場S值均下降了5 W/m2，HSI降低20，PMV降低0.2，PPD降低12，ssd降低2。因此加大風量明顯改善采場熱環境，熱害等級也降至一級熱害標準以下。

加大采深為1 456 m的有效風量，提高采場風速是改善熱環境的有效措施，此外調節工作時長，必要時采取人工制冷和冷卻入風流的措施。目前熱環境參數均在風速較小時測得，加大風速后會明顯改善，新近充填體附近如需作業時應加強通風，注意環境變化并及時補充水分。

5 結論

1)采用充填采礦法的作業面均依靠局扇供風，因此局部通風的好壞直接影響采場熱環境，因此應加大風量以緩解熱害。現場實測充填作業完成后3 d內熱量達到最大，此時周圍氣溫達28℃以上，應依據降溫風速(0.5～1.0 m/s)要求重新計算采場需風量。

2)運用Ventsim預測采深為1 456 m的采場熱環境，當獨頭風量為3 m3/s時為一級熱害礦井，風量增至6 m3/s和9 m3/s時降至一級以下。且初始風溫為21.4℃,風量為6 m3/s時氣溫降至27.2℃，因此加大采場有效風量和風速是改善深部熱環境的有效措施。

3)充填水化熱與采場氣溫正相關，因此合理安排作業，避免在新近充填體周圍作業；若需作業時應加強通風，人員上崗前及在崗期間應進行職業健康檢查并及時發放防暑藥和飲品，避免高溫出現緊急情況或危險。