復(fù)合隔熱材料在治理礦井熱災(zāi)害中的應(yīng)用

黃康娜，李銀川，邢之林，段穎 （濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，資源的消耗量日益增加。加快煤炭向深部開采的速度，隨之產(chǎn)生的高溫?zé)岷栴}更加突出。礦井熱害嚴(yán)重影響井下工人的身體健康和勞動(dòng)安全以及礦井的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。因此，如何改善礦井氣候條件、治理熱害已成為我國礦井生產(chǎn)亟待解決的問題[1-3]。

礦井熱害通常是指人在礦井時(shí)周圍的空氣環(huán)境溫度、空氣的相對(duì)濕度及焓值超過一定數(shù)值，打破了人體的熱平衡極值，通常會(huì)出現(xiàn)頭昏、心悸、全身無力等不同癥狀，或影響工人的活動(dòng)能力及勞動(dòng)效率，甚至導(dǎo)致更嚴(yán)重的安全事故。礦井熱害事故普遍存在于超過700m 深度的較深礦井中，工人在礦井高溫高濕的自然環(huán)境下從事較為繁重的體力勞動(dòng)時(shí)，需要及時(shí)補(bǔ)充含礦物質(zhì)的水分，否則易導(dǎo)致各種癥狀，包括不僅限于人體脫水、高熱虛脫、全身抽搐、發(fā)熱、呼吸衰竭、昏迷等，甚至出現(xiàn)重大安全事故[4-6]。

1 礦井概況

霄云礦井為魯西南煤炭基地金鄉(xiāng)煤田內(nèi)的規(guī)劃礦井，位于山東省金鄉(xiāng)縣霄云寺鎮(zhèn)，距金鄉(xiāng)縣城約20km，行政區(qū)劃屬濟(jì)寧市金鄉(xiāng)縣管轄，是一個(gè)生產(chǎn)能力為90 萬t/年、服務(wù)年限為40.9 年的新型礦井。井田面積約為23.425km2，地勢(shì)趨于平坦，海拔標(biāo)高落差不大，位于+35.83～+44.94m 之間，總趨勢(shì)為西高東低。礦區(qū)氣溫變化顯著，夏熱冬冷，屬于溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，年最高氣溫為41.9℃，最低氣溫為-18.5℃，年平均氣溫為14.0℃。

2 礦井地溫測(cè)定

對(duì)礦井進(jìn)行原始地溫勘測(cè)，采集數(shù)據(jù)是判斷礦井熱害的重要依據(jù)，為礦井熱害治理與防治提供技術(shù)支持，對(duì)礦井熱害標(biāo)準(zhǔn)、熱源分析、礦井環(huán)境溫度測(cè)定以及對(duì)礦井熱害的原因及機(jī)理分析提供基礎(chǔ)理論，同時(shí)也是區(qū)分礦井熱害程度等級(jí)的基本參考依據(jù)[7-9]。

根據(jù)測(cè)定原理、實(shí)驗(yàn)所用儀器以及實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜?xiàng)主因，原始地溫的測(cè)定方法可以劃分為三種，即礦井地面鉆孔進(jìn)行測(cè)溫、井下深孔進(jìn)行測(cè)溫、新掘進(jìn)巷道進(jìn)行淺孔測(cè)溫。對(duì)于霄云礦井來說，為了得到比較全面的礦井原始地溫區(qū)域測(cè)定資料，全面掌握礦井各個(gè)地層中詳細(xì)的煤層賦存現(xiàn)狀以及礦井所開采深度所有范圍內(nèi)的巖層所處環(huán)境及自身溫度分布情況。采用地面鉆孔測(cè)溫的方法，但是這種方法鉆孔施工困難、測(cè)溫周期長、成本高。因此，為了得到較為準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，需在其測(cè)定結(jié)果分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的修正。

3 巷道風(fēng)流溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬分析

由于巷道圍巖放熱是導(dǎo)致礦井出現(xiàn)熱害問題的主要因素，為了進(jìn)一步有效地控制圍巖放熱、防止熱害對(duì)井下工人再次造成傷害，將復(fù)合材料應(yīng)用于巷道圍巖，阻擋熱量傳遞速率。鑒于實(shí)際情況與時(shí)間原因，復(fù)合材料尚未實(shí)際應(yīng)用于試點(diǎn)礦井，無法得到巷道采用復(fù)合材料后風(fēng)流溫度場(chǎng)變化規(guī)律，不能驗(yàn)證復(fù)合材料的隔熱效果。為此，可以通過數(shù)值模擬軟件，基于上一小節(jié)復(fù)合材料擬應(yīng)用方案，建立與實(shí)際情況相吻合的數(shù)學(xué)物理模型，進(jìn)行巷道風(fēng)流溫度場(chǎng)模擬分析，對(duì)比巷道在是否采用復(fù)合材料兩種情況下的模擬結(jié)果，以此判斷復(fù)合材料的風(fēng)溫控制效果以及其隔熱降溫效果。

3.1 建立模型

為了研究高溫礦井巷道圍巖與風(fēng)流熱交換的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，在理論上驗(yàn)證膨脹珍珠巖隔熱結(jié)構(gòu)體系在熱害防治上是否滿足巷道隔熱結(jié)構(gòu)的要求，本節(jié)以霄云礦井為背景，從礦井的主要進(jìn)風(fēng)巷道中任意截取一段代表性巷道，采用ANSYS Fluent 軟件進(jìn)行輔助，對(duì)巷道進(jìn)行建模和數(shù)值分析，判斷巷道是否附有隔熱結(jié)構(gòu)。

為了便于計(jì)算簡(jiǎn)化模型，假定巷道所處的周圍巖層及自身隔熱結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)均為各向同性，巷道近似為半圓拱形狀，內(nèi)徑3m，巷道凈空2m，巷道圓拱半徑為1.5m，航道的長度為100m，針對(duì)上述兩種情況，分別建立三維模型。

為了便于Fluent 模擬計(jì)算，不考慮外界及巷道內(nèi)機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備對(duì)溫度場(chǎng)的影響，采用三面體作為控制體，對(duì)于巷道是否采用隔熱結(jié)構(gòu)兩種情況三維模型的網(wǎng)格劃分如圖1 所示，圖1（a）為采用隔熱結(jié)構(gòu)的巷道模型，圖1（b）為不采用隔熱結(jié)構(gòu)的巷道模型。

圖1 三維模型的網(wǎng)格劃分

3.2 參數(shù)設(shè)置

假設(shè)巷道主要入口處的風(fēng)流溫度初始值設(shè)定為25℃，風(fēng)速設(shè)定為5m/s，風(fēng)量給定為47.5m3/s。根據(jù)霄云礦井地質(zhì)統(tǒng)計(jì)歷史資料可知：巖體的導(dǎo)熱系數(shù)為3.044W/（m·℃），密度為2580kg/m3，比熱容為976J/（m2·℃），圍巖的原始溫度≥45℃，取60℃；錨噴支護(hù)混凝土厚度為200mm，導(dǎo)熱系數(shù)為1.74W/（m·℃），密度為2400kg/m3，比熱容為2418J/（m2·℃）；巷道內(nèi)風(fēng)流與巷道壁面的對(duì)流系數(shù)為12.5W/（m2·℃）；隔熱材料結(jié)構(gòu)層厚度取100mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0816W/（m·℃），材料的干表觀密度為408kg/m3，材料比熱容為1250J/（m2·℃）。

3.3 不同深度溫度變化

按照設(shè)定的物理模型，劃分好單元網(wǎng)格，依據(jù)設(shè)置好的初始參數(shù)以及邊界條件，進(jìn)入后處理并施加荷載，進(jìn)行約為300 次迭代模擬運(yùn)算后，結(jié)果基本收斂。假定的巷道是三維物理模型，長度為100m，選取巷道在z=20m、40m、60m、80m、100m 橫截面上的溫度云分布圖，具體模擬結(jié)果如圖2～圖6所示。

圖2 巷道溫度云圖

圖3 巷道溫度云圖（不含復(fù)合材料）

圖4 五個(gè)截面處溫度云圖

圖5 五個(gè)截面處溫度云圖（不含復(fù)合材料）

圖6 巷道截面平均溫度沿z軸變化曲線圖

3.4 模擬結(jié)果分析

圖2、圖3 為巷道整體模型，由圖可知，在巷道的入口處，風(fēng)流會(huì)吸收少許熱量，對(duì)溫度影響不大，溫度增幅較小，隨著風(fēng)流不斷流動(dòng)；在巷道出口附近，風(fēng)流明顯吸收了更多的熱量，其主要是圍巖釋放的熱量，此時(shí)溫度增幅有較大增長。同時(shí)可以得出，相較于采用隔熱結(jié)構(gòu)，巷道采用無聲隔熱結(jié)構(gòu)會(huì)使風(fēng)流的溫度增幅更大。

從圖6 可以看出，巷道橫截面風(fēng)流的平均溫度隨著巷道的長度有所升高。巷道是否附加復(fù)合材料隔熱層，并不影響風(fēng)流溫度，無論巷道是否附加復(fù)合材料隔熱層，風(fēng)流經(jīng)過局部高溫巷道都會(huì)被逐漸加熱，只是溫度增加幅度不一樣。然后風(fēng)流流向采掘工作面，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致采掘面空氣溫度增高，使井下工作人員處于惡劣的熱環(huán)境之中。所以在巷道表面進(jìn)行復(fù)合材料施工對(duì)于控制采掘面空氣溫度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

可以得出，巷道采用附加復(fù)合材料隔熱層時(shí)，其風(fēng)流在經(jīng)過100m 的巷道后，溫度上升了10℃左右。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行模擬時(shí)，設(shè)想巷道風(fēng)流在更為惡劣的環(huán)境下，圍巖原始溫度取60℃，所以才致溫度上升10℃，主要是用來驗(yàn)證復(fù)合材料的隔熱控制效果。而無隔熱材料時(shí)，在進(jìn)風(fēng)流溫度同為25℃的情況下，在沒有附加復(fù)合材料隔熱層的巷道中，風(fēng)流經(jīng)過溫度上升了15℃左右，相較于有附加復(fù)合材料隔熱層的巷道中風(fēng)流上升溫度，兩者的差值為5℃左右。

一段風(fēng)流經(jīng)過長度僅為100m 的巷道，在圍巖原始溫度為60℃、初始溫度同為25℃時(shí)，巷道出口截面采用復(fù)合材料平均溫度為306.5167K，沒有采用復(fù)合材料為310.8881K。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)開采條件下煤礦熱害的特點(diǎn)，提出了采用巷道隔熱材料對(duì)治理礦井熱害的思路和方法，并對(duì)無隔熱材料和存在隔熱材料的溫度變化進(jìn)行了研究[10]。

巷道中是否附加復(fù)合材料隔熱層，對(duì)于巷道中風(fēng)流的溫升有著極大的影響，繼而推斷出將復(fù)合材料應(yīng)用到巷道中可以起到良好的隔熱效果。只有降低進(jìn)入采掘面風(fēng)流溫度，才能將采掘面空氣溫度控制在可接受范圍內(nèi)[11]。

巷道復(fù)合隔熱材料的作用效果受到很多因素的影響，例如進(jìn)風(fēng)流的溫度、巷道圍巖溫度情況、巷道風(fēng)量和風(fēng)速大小、巷道掘進(jìn)長度、巷道周圍的水文地質(zhì)條件以及礦山壓力等多種因素的影響。

礦井熱害形成機(jī)理以及主要影響因素需要進(jìn)一步深入研究。目前，國內(nèi)外對(duì)于在微觀系統(tǒng)下礦井熱害的形成機(jī)理、各種熱源三相耦合傳熱方式等相關(guān)方面的研究涉及較少，應(yīng)緊密結(jié)合理論試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐、分析事物的本質(zhì)特征，為礦井熱害防治數(shù)學(xué)物理模型的建立、模擬求解及實(shí)際應(yīng)用提出相應(yīng)熱害治理技術(shù)措施。