李 珠，祝國強

深井巷道降溫的一項新技術(shù)

李 珠，祝國強

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

隨著煤礦開采深度的增加，深井熱害問題日益嚴重。針對深井降溫的實際情況，提出一種新理念—“主動降溫”，以及一項新技術(shù)—?；⒅楦魺峤Y(jié)構(gòu)。介紹了?；⒅楹筒；⒅楦魺嵘皾{的主要性能，通過分析得到了玻化微珠隔熱結(jié)構(gòu)熱交換原理，論述了?；⒅楦魺峤Y(jié)構(gòu)這一新技術(shù)在深井巷道降溫中的應(yīng)用前景。

熱害;深井巷道;主動降溫;?；⒅?隔熱結(jié)構(gòu)

隨著經(jīng)濟發(fā)展的突飛猛進，社會對礦產(chǎn)資源的需求急劇增長，世界范圍都面臨能源緊張這個亟待解決的問題，而煤炭作為中國的基礎(chǔ)性能源，需求量也是逐年增加，這就迫使人們向更深的地下去尋找煤炭資源，從而使得礦井深度逐年增加。由于開采越深，地?zé)釡囟仍礁?，井巷圍巖溫度也會隨之升高，導(dǎo)致圍巖的散熱量也變大，并最終使得礦井溫度升高。目前，全世界許多國家都有千米以下深井，這些深井的原始巖溫超過43℃，而采掘工作面溫度更是高達38℃，深井高溫?zé)岷θ遮厙乐?，并且已?jīng)成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重大問題之一，而深井降溫技術(shù)將成為影響未來礦山開采極限深度的決定性因素［1］。

1 深井降溫新理念—“主動降溫”

目前，深井降溫以制冷、制冰技術(shù)為主導(dǎo)，這些技術(shù)在高溫礦井熱害治理方面效果顯著，但是缺點也十分明顯，如設(shè)備成本以及維護費用高、能耗巨大、管理復(fù)雜，同時只能被動地降低礦井溫度，并不能有效減少礦井中的熱輻射，如機電設(shè)備放熱、高溫圍巖放熱等，可稱其為“被動降溫”技術(shù)，治標(biāo)而不治本，且費用昂貴。

“主動降溫”技術(shù)是相對于“被動降溫”技術(shù)而言的，其主要方法是將深井巷道的熱源阻擋在巷道圍巖的外部，控制其向礦井內(nèi)排放高溫氣體，即減少熱量來源達到降溫的目的，再配合“被動降溫”技術(shù)，可以有效降低通風(fēng)和制冷設(shè)備的運行及維修費用［2］。

據(jù)統(tǒng)計，在各種熱源中，圍巖散熱占57%，機電設(shè)備散熱占15% ～20%，氧化熱占12%，自壓縮占9%［3］?？梢妵鷰r放熱占據(jù)著主導(dǎo)地位。資料顯示，當(dāng)風(fēng)流經(jīng)過井下高溫地段，圍巖熱輻射使之溫度升高，高溫巷道對進風(fēng)流逐漸加熱，最終高溫風(fēng)流進入采掘工作面，使得工作面溫度升高。礦井巷道圍巖與風(fēng)流的熱交換公式如下所示［4］：

式中：

Qgu—圍巖—風(fēng)流間的熱傳遞量，或井巷圍巖散熱量，W;

kτ—不穩(wěn)定換熱系數(shù)，W/(m2·K)，物理意義為：巷道巖體與風(fēng)流溫度溫差為1℃時，風(fēng)流在單位時間內(nèi)從礦井巷道單位面積上吸收或散發(fā)的熱量;

L—礦井巷道長度，m;

U—礦井巷道周長，m;

tgu—礦井巷道圍巖初始巖溫，℃;

tB—礦井巷道進風(fēng)流平均溫度，℃。

可見，如果能有效減少圍巖巷道的熱輻射，風(fēng)流在通過巷道的過程中升高的溫度就會明顯降低，從而間接的降低了采掘工作面的溫度。資料表明，當(dāng)巷道的溫度降低3℃ ～4.5℃時，采掘工作面的溫度也將隨之降低2℃～3℃。這種將深井地下的巨大熱源封閉隔離在巷道圍巖以內(nèi)、減少圍巖熱量進入巷道系統(tǒng)的技術(shù)對礦井降溫具有重要的意義［5］。

國內(nèi)近幾年開始對圍巖散熱的控制進行研究，主要方法是在礦井巷道表面進行處理，噴涂建筑中所用的保溫材料，達到減緩圍巖散熱的目的。但建筑材料應(yīng)用到深井巷道有其局限性，有機材料導(dǎo)熱系數(shù)雖然較低，但是無法滿足礦井防火要求，并且使用成本高，難以推廣應(yīng)用;無機材料大多導(dǎo)熱系數(shù)較高，使得隔熱效果不理想，難以滿足巷道降溫和節(jié)能的目的。而?；⒅楦魺岵牧嫌行У亟鉀Q了這一難題。

2 玻化微珠材料的特性

?；⒅槭且曰鹕綆r為材料，先粉碎成礦砂，之后再經(jīng)過特殊工藝加工而成，是一種無機輕骨料玻璃質(zhì)礦物材料。玻化微珠擁有其顯著的特性，如理化性能十分穩(wěn)定、耐老化耐候性強、導(dǎo)熱系數(shù)較低、吸水率低、防火不燃和抗靜電性能好等，與粉煤灰漂珠、玻璃漂珠、普通膨脹珍珠巖、聚苯顆粒等諸多輕質(zhì)骨料相比有明顯的優(yōu)越性。玻化微珠的物理性能見表1［6］。

表1 玻化微珠和?；⒅楦魺嵘皾{的物理性能表

3 玻化微珠隔熱砂漿的物理性能

在試驗室將?；⒅椤⒉煌そ觿?水泥、粉煤灰、石膏等)和多種添加劑進行優(yōu)化配比，經(jīng)過多次試驗得到性能優(yōu)良的?；⒅楦魺嵘皾{材料。這種材料具有優(yōu)異的隔熱性能和防火、耐老化性能，施工操作簡便，同時克服了聚苯顆粒有機材料防火性能差、強度較低、高溫易揮發(fā)有害氣體的缺點;又彌補了膨脹珍珠巖無機材料導(dǎo)熱系數(shù)高、易粉化、吸水率和體積收縮率大、后期強度低等不足。

為滿足?；⒅楦魺嵘皾{在深井巷道中的應(yīng)用，在分析骨料輕重、顆粒級配、添加劑摻量以及水泥基材與纖維的相互作用對砂漿性能的影響基礎(chǔ)上，同時考慮砂漿應(yīng)滿足巷道隔熱以及施工要求。通過合理的正交試驗以及極差分析，成功研制出了滿足工程需求的新型隔熱砂漿，得到的較優(yōu)配合比為：?；⒅椤盟唷蒙匙印锰砑觿?120∶350∶200∶x。所研制的?；⒅樾阅芤姳?。

4 ?；⒅楦魺峤Y(jié)構(gòu)熱交換原理

與傳統(tǒng)的巷道支護結(jié)構(gòu)不同，?；⒅楦魺峤Y(jié)構(gòu)是在巷道用混凝土進行支護后，在混凝土表面噴涂一層玻化微珠砂漿隔熱層，巷道圍巖熱量從圍巖深部通過導(dǎo)熱系數(shù)較高的混凝土傳導(dǎo)到隔熱層，由于隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)較低而被阻隔，這樣隔熱層與混凝土進行熱傳導(dǎo)，而與巷道中的氣體進行熱對流與熱輻射，兩者的熱交換都由于隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)較低而變得緩慢。

?；⒅楦魺峤Y(jié)構(gòu)與風(fēng)流的傳熱是一個復(fù)雜且不穩(wěn)定傳熱過程。在開挖過程中，巷道原巖的原始巖溫的熱平衡逐漸被打破，開始通風(fēng)后，熱量會從高溫巖體通過混凝土以及隔熱層向巷道風(fēng)流散發(fā)，這樣隨著時間的推移，巖體的溫度會逐漸降低，同時溫度降低的范圍會不斷向巖體內(nèi)部延伸，直到達到新的熱平衡狀態(tài)而停止。由傳熱學(xué)理論可知，巖體溫度降低范圍隨著時間的增長而不斷增加，這個范圍與隔熱層的導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)，熱交換在隔熱層的作用下變得緩慢。隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)從最理想的完全隔熱(為零)增大到巷道巖層的導(dǎo)熱系數(shù)(此時巖層導(dǎo)熱系數(shù)與隔熱層相同)，這樣，巷道調(diào)熱圈也從理想的隔熱層狀態(tài)時厚度為零增大到不加隔熱層狀態(tài)時的厚度，巷道加入隔熱層后調(diào)熱圈的變化可用圖1模型進行分析。

在巷道熱交換過程中，調(diào)熱圈起著緩沖的作用，由于它的存在，圍巖體內(nèi)的巨大熱量不是直接向巷道內(nèi)散發(fā)，而是漸漸的通過調(diào)熱圈與風(fēng)流進行熱交換，

圖1 巷道?；⒅楦魺峤Y(jié)構(gòu)調(diào)熱圈形成過程

從而起到減緩熱量散發(fā)的作用。調(diào)熱圈的半徑受到諸多因素影響，如圍巖的熱物理性質(zhì)、巷道的支護形式和導(dǎo)熱系數(shù)、風(fēng)流溫度以及通風(fēng)時間的長短。在一定的工程地質(zhì)和風(fēng)流條件下，如果在支護混凝土外部添加一層玻化微珠砂漿隔熱層，這樣支護結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)會明顯減小，調(diào)熱圈的半徑也會同時增大，巷道熱交換過程也會變得更加緩慢，見圖2。

圖2 玻化微珠隔熱結(jié)構(gòu)示意圖

在對巷道?；⒅楦魺峤Y(jié)構(gòu)進行熱傳遞計算時，可假定巷道斷面為圓形，簡圖見圖2，這種結(jié)構(gòu)在圍巖開挖裸露后，首先進行錨網(wǎng)噴層支護，然后在巷道全斷面施工100～150 mm厚的?；⒅楦魺釋?。

在傳統(tǒng)的巷道支護結(jié)構(gòu)中，由于沒有隔熱層，可以稱之為非隔熱結(jié)構(gòu)，它的熱傳遞是通過支護混凝土與風(fēng)流進行熱交換，由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)很高，熱交換速度非?？?，導(dǎo)致風(fēng)流溫度升高的速度也會非?？?。而采用了玻化微珠隔熱砂漿的隔熱結(jié)構(gòu)，由于隔熱砂漿導(dǎo)熱系數(shù)很小，僅為巖層導(dǎo)熱系數(shù)的1/10～1/30，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的1/15～1/20，因此，可以明顯減少和減慢巷道圍巖向巷道內(nèi)熱量的傳遞，從而使風(fēng)流溫度大大降低。

5 巷道玻化微珠隔熱結(jié)構(gòu)經(jīng)濟效益分析

?；⒅楦魺峤Y(jié)構(gòu)可以在深井煤礦、高地?zé)崦旱V、非煤礦山、隧道工程以及地下工程的各個領(lǐng)域得到應(yīng)用，在完成了隔熱、降溫、減排、熱能采集技術(shù)的集成后，可以實現(xiàn)這些工程領(lǐng)域節(jié)能循環(huán)的良性健康發(fā)展。

以高地?zé)岬V山為例，在采用了玻化微珠隔熱結(jié)構(gòu)后，可以將隔熱、減排和熱能采集等技術(shù)綜合運用，建立節(jié)能循環(huán)系統(tǒng)，可以帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。節(jié)能循環(huán)系統(tǒng)擬在礦井應(yīng)用的工藝流程圖見圖3。

圖3 節(jié)能循環(huán)系統(tǒng)擬在礦井應(yīng)用的工藝流程圖

在建立節(jié)能循環(huán)系統(tǒng)后，能帶來的效益有：

1)采用?；⒅楦魺釋雍?，巷道圍巖與風(fēng)流的熱交換可以降低80%以上，工作面可以降低30%以上。

2)采用?；⒅楦魺釋雍螅锏纼?nèi)溫度將會明顯降低，同時熱交換速度減慢，這樣，對于使用制冷、制冰技術(shù)的礦井，可以大大降低設(shè)備的運行費用，而對于熱害較小的礦井，可以改用通風(fēng)降溫，甚至不需降溫設(shè)備也能滿足工作要求，將會大大節(jié)省企業(yè)投資，投入經(jīng)費與產(chǎn)出效益的比值超過1/3。

3)實施熱能采集技術(shù)后，被隔熱層擋在外部的熱量被集中采出，經(jīng)過處理后可以在采暖等方面得到應(yīng)用。

以上各項研究成果將會帶來高達10多億元/年的效益。

6 結(jié)論

1)能源是一個社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時它也是制約一個社會發(fā)展的資源因素。節(jié)能已經(jīng)成為了我國的一項基本國策，而礦山企業(yè)一直是我國的高耗能企業(yè)之一，如何降低礦山能耗已經(jīng)成為政府、企業(yè)以及科研工作者迫在眉睫的問題，但因技術(shù)、管理、資金等各種因素的影響，管理粗放、能耗巨大仍然是我國目前礦山生產(chǎn)的主要特征，對我國節(jié)能減排目標(biāo)的實現(xiàn)十分不利，因此，巷道?；⒅楦魺峤Y(jié)構(gòu)符合國家節(jié)能的發(fā)展戰(zhàn)略要求。

2)針對國內(nèi)外通用的通風(fēng)、制冷、制冰等被動降溫技術(shù)資金投入大、能耗高、降溫效率低、工作環(huán)境差等缺陷，提出了深井巷道玻化微珠隔熱結(jié)構(gòu)，通過隔熱層減少和減慢高溫巖層向巷道內(nèi)的熱傳遞，以達到降溫的目的，同時能夠有效降低通風(fēng)制冷設(shè)備的運行費用，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。該技術(shù)可以在礦山、隧道、地下工程等多個領(lǐng)域推廣應(yīng)用，不僅可以減少安全隱患，同時有利于實現(xiàn)高產(chǎn)高效，具有優(yōu)良的綜合性能，能帶來顯著的經(jīng)濟和社會效益。

3)繼瓦斯、火、水以及頂板后，熱害已經(jīng)成為煤礦生產(chǎn)中的第五大災(zāi)害。但應(yīng)該對熱害加以利用，它將成為一個巨大的資源。熱害如何變廢為寶，如何將隔熱、降溫和熱害采集相結(jié)合，建立一套完整的節(jié)能循環(huán)系統(tǒng)，將成為今后礦山節(jié)能研究的重點，同時，這也是一項投資巨大且耗時持久的工程。因此，需要政府、企業(yè)和廣大科研人員共同努力，才能真正實現(xiàn)礦山產(chǎn)業(yè)節(jié)能循環(huán)的目標(biāo)。

［1］ 徐曉軍，張艮林，白榮林，等.礦業(yè)環(huán)境工程與土地復(fù)墾［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：139－140.

［2］ 王 文，桂祥友，王國君.礦井熱害的產(chǎn)生于治理［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2003，29(4)：33－35.

［3］ 呂 品.礦井熱害的調(diào)查與防治［M］.中國煤炭，2002，28(7)：38－40.

［4］ 楊德源，楊天鴻.礦井熱環(huán)境及其控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009：49－51.

［5］ 郭文兵，涂興子，姚 榮，等.深井巷道隔熱材料研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，31(12)：23－26.

［6］ 李 珠，張澤平.玻化微珠保溫砂漿應(yīng)用技術(shù)規(guī)程(DBJ104－250)［S］.太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

A New Technology of Deep Mine Roadway Cooling

Li Zhu，Zhu Guo－qiang

With the increase of the mining depth，the heat harm of deep mine becomes increasingly serious.Based on the actual situation of deep mine cooling，a new idea"the active cooling"and a new technology，the glazed hollow bead insulation structure are proposed.Introduces the main performance of the glazed hollow bead and the glazed hollow bead insulation mortar，and by analyzing the principle of heat exchange is given.Meanwhile，a new technology is introduced emphatically，named as glazed hollow bead insulation structure which could be used in deep mine cooling.

Heat harm;Deep mine roadway;Active cooling;Glazed hollow bead;Insulation structure

TD727

A

1672－0652(2011)10－0042－04

2011－09－23

李 珠(1959—)，男，河南開封人，1982年畢業(yè)于鐵道兵工程學(xué)院，教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程與力學(xué)研究(E －mail)ronaldo52@qq.com