盧國(guó)菊 趙國(guó)飛 于麗雅 馮驍

【摘 要】 冬季或者寒冷地區(qū)的長(zhǎng)下坡路段積雪、結(jié)冰嚴(yán)重影響著礦區(qū)煤炭的運(yùn)輸，礦區(qū)運(yùn)輸?shù)缆返娜谘┗殉蔀槊禾窟\(yùn)輸領(lǐng)域亟待解決的問題。本文研究了一種無副作用的碳纖維發(fā)熱電纜主動(dòng)融雪化冰技術(shù)，對(duì)碳纖維發(fā)熱電纜的性質(zhì)、選型、鋪設(shè)方式和安裝方式等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。結(jié)果表明：1）碳纖維發(fā)熱電纜是集耐壓抗折能力強(qiáng)、絕緣性好、安全性高、使用壽命長(zhǎng)為一身的高性能材料;2）60K碳纖維發(fā)熱電纜性價(jià)比是最高的;3）碳纖維發(fā)熱電纜選用垂直鋪裝方式和嵌入式安裝方式，大大地提高了安全性。4）對(duì)臺(tái)東山礦區(qū)長(zhǎng)下坡路段進(jìn)行碳纖維發(fā)熱電纜鋪設(shè)，通電一段時(shí)間，路面積雪融化。此技術(shù)確實(shí)可以解決礦區(qū)長(zhǎng)下坡路段積雪、結(jié)冰問題，為國(guó)家煤炭資源正常生產(chǎn)運(yùn)輸提供了一定的安全保證。

【關(guān)鍵詞】 礦區(qū);長(zhǎng)下坡路段;融雪化冰;融雪劑;碳纖維發(fā)熱電纜

【中圖分類號(hào)】 TD58 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）06-0024-03

2019年全國(guó)的煤炭產(chǎn)量高達(dá)38.5億噸。然而礦區(qū)煤炭運(yùn)輸過程中的山區(qū)道路基本上都是上下起伏的不平整路段。在冬季或者寒冷地區(qū)，積雪結(jié)冰會(huì)使得公路上摩擦系數(shù)變小，附著力變小，礦車出現(xiàn)打滑、轉(zhuǎn)向的情況。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)道路的融雪化冰問題進(jìn)行了大量的研究，總的來說將融雪化冰方法分為主動(dòng)法和被動(dòng)法兩種，其中被動(dòng)法包括人工清除、機(jī)械清除和融雪劑，主動(dòng)融雪法有熱力融雪、抗凝冰改性瀝青和表面涂層技術(shù)等，但是目前還沒有專門針對(duì)礦區(qū)道路融雪化冰的研究。

針對(duì)此問題，本文提出一套完整的處理礦區(qū)山路混凝土路面融雪化冰的方案，以期解決冬季或者寒冷地區(qū)的礦區(qū)長(zhǎng)下坡路段積雪、結(jié)冰問題。

1 礦區(qū)長(zhǎng)下坡路段新型融雪化冰技術(shù)

對(duì)于礦區(qū)山路長(zhǎng)下坡路段來說，結(jié)冰現(xiàn)象存在的時(shí)間較長(zhǎng)，如果頻繁使用融雪劑，會(huì)對(duì)道路結(jié)構(gòu)造成破壞，而且會(huì)對(duì)附近的土壤、植被等生態(tài)環(huán)境造成污染，所以必須選擇一種長(zhǎng)效無副作用的新型融雪化冰方法。本文采用的是碳纖維發(fā)熱電纜主動(dòng)融雪化冰技術(shù)，主要原理是將碳纖維發(fā)熱電纜預(yù)先埋藏在混凝土路面的中面層，一旦接通電源，利用電能轉(zhuǎn)化為熱能，就可以實(shí)現(xiàn)融雪化冰的效果。

1.1 碳纖維發(fā)熱電纜類型優(yōu)選

碳纖維絲是一種新型的高性能材料，具有高強(qiáng)度、耐磨、抗腐蝕、耐高溫、導(dǎo)電和導(dǎo)熱的諸多優(yōu)異性能，而由碳纖維絲為主體做成的碳纖維發(fā)熱電纜，更是集耐壓抗折能力強(qiáng)、絕緣性好、安全性高、使用壽命長(zhǎng)為一身，能完全符合要求。

常用的碳纖維發(fā)熱電纜有12K、24K、36K、48K、60K、72K六種，通過對(duì)比不同的碳纖維發(fā)熱電纜最后選用60K碳纖維發(fā)熱電纜，鋪裝間距設(shè)定為11m。如圖1到圖3所示，60K碳纖維發(fā)熱電纜接通電源10min左右，電纜表面的溫度就能達(dá)到130℃，完全滿足融雪的溫度要求，斷電10min左右，電纜的表面溫度就能恢復(fù)到環(huán)境溫度，而48K電纜接通電源后，電纜表面溫度不到100℃，不能很好地滿足融雪的要求，而對(duì)于72K電纜雖然表面溫度達(dá)到了融雪的要求，但相對(duì)于60K電纜來說，溫度優(yōu)勢(shì)不明顯，造價(jià)反而更高，工藝要求也更高，所以60K碳纖維發(fā)熱電纜是性價(jià)比最高的。

1.2 碳纖維發(fā)熱電纜鋪裝工藝

合理的碳纖維發(fā)熱電纜鋪設(shè)工藝能更好地契合于混凝土路面的施工，不僅可以融雪化冰，解決礦車在長(zhǎng)下坡路段的運(yùn)輸安全問題，還能在一定程度上提高混凝土路面的強(qiáng)度，取得較好的效果，下面主要從碳纖維發(fā)熱電纜的鋪裝方式和安裝方式兩方面對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行分析。

1.2.1 碳纖維發(fā)熱電纜鋪裝方式

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維發(fā)熱電纜更規(guī)范化的管理，通常情況下如圖4所示，可以將五根碳纖維發(fā)熱電纜通過K字接頭相連，然后并聯(lián)在一根冷線上，作為一組一個(gè)整體進(jìn)行統(tǒng)一管理。

碳纖維發(fā)熱電纜的鋪裝方式，按照其方向與行車方向的關(guān)系，可以分為垂直鋪裝和平行鋪裝。如果采用平行鋪裝，那么碳纖維發(fā)熱電纜的方向和行車方向一致，這時(shí)候K線接頭和冷線就會(huì)被鋪裝在行車道上，但是K線接頭和冷線沒有碳纖維發(fā)熱電纜那么大的強(qiáng)度，一旦經(jīng)過車輛的反復(fù)碾壓，就會(huì)有漏電的安全隱患，所以我們一般選用垂直鋪裝方式，也就是說碳纖維發(fā)熱電纜的方向垂直于行車方向，這樣K字接頭和冷線就可以布置在行車道側(cè)邊的區(qū)域，安全性大大提高了。

1.2.2 碳纖維發(fā)熱電纜安裝方式

如果將碳纖維發(fā)熱電纜直接安裝在混凝土路面的中面層表面上，那么后期在進(jìn)行上面層瀝青鋪設(shè)的時(shí)候，攤鋪機(jī)的履帶上會(huì)黏粘有大量的瀝青，當(dāng)攤鋪機(jī)駛過碳纖維發(fā)熱電纜鋪裝區(qū)域時(shí)，會(huì)黏粘起部分或大量的碳纖維發(fā)熱電纜的外包覆層，從而增加了碳纖維發(fā)熱電纜漏電的風(fēng)險(xiǎn)，為了避免這種情況的發(fā)生，最后選擇了嵌入式安裝方式，也就是利用切縫機(jī)在路面刻槽，將碳纖維發(fā)熱電纜安裝在中面層所刻的槽里，這樣就不會(huì)對(duì)混凝土路面的強(qiáng)度造成任何影響。

1.3 碳纖維發(fā)熱電纜施工工藝

選擇礦區(qū)的一段長(zhǎng)下坡路段進(jìn)行碳纖維發(fā)熱電纜的鋪設(shè)試驗(yàn)，具體施工工藝如下：

1.3.1畫線

按照施工圖紙，畫出行車道邊緣線和單組模塊的邊緣線，然后以此為基準(zhǔn)在各個(gè)模塊范圍內(nèi)畫出II類槽邊緣線，用于安裝K字接頭。在II類槽邊緣線的基礎(chǔ)之上畫線到路緣磚的位置，確定安裝冷線接頭的III類槽的位置。

1.3.2刻槽

按照施工圖紙，在各個(gè)單組模塊的區(qū)域內(nèi)，用切縫機(jī)刻出I類槽，用于安裝碳纖維發(fā)熱電纜，如圖5所示。沿著畫好的II類、III類槽邊緣線刻出II類、III類槽。

1.3.3打孔

碳纖維發(fā)熱電纜的冷線接頭需與外界的電源連接，所以需要在混凝土路面上打孔鉆出電纜，一般打孔位置選擇在兩組電纜的交接處，讓兩組電纜共用一個(gè)孔，可以節(jié)省成本。

1.3.4布線

將碳纖維發(fā)熱電纜鋪設(shè)在刻好的槽內(nèi)，整個(gè)過程必須小心謹(jǐn)慎，防止將碳纖維發(fā)熱電纜的外包覆層破壞，同時(shí)不得將碳纖維發(fā)熱電纜露出中面層;確認(rèn)無誤后，再將碳纖維發(fā)熱電纜加熱直至變軟。

1.3.5上面層的攤鋪和壓實(shí)

碳纖維發(fā)熱電纜安裝完成之后，先將路面上的雜物清理，再進(jìn)行后續(xù)上面層瀝青的攤鋪和壓實(shí)。

2 礦區(qū)長(zhǎng)下坡路段新型融雪化冰技術(shù)的應(yīng)用

以臺(tái)東山礦區(qū)長(zhǎng)下坡路段為實(shí)際工程背景，該連續(xù)下坡路段全長(zhǎng)為2.3km，沿途有3個(gè)大轉(zhuǎn)彎，路基寬度為9m，連續(xù)大縱坡路段平均縱坡值為5%。

以新型融雪化冰技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)該長(zhǎng)下坡路段進(jìn)行碳纖維發(fā)熱電纜的安裝。上面層混凝土鋪設(shè)完備，在路面上有少量積雪的條件下，接通電源，觀察礦區(qū)山路長(zhǎng)下坡路段混凝土路面的融雪情況。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，碳纖維發(fā)熱電纜的主動(dòng)融雪技術(shù)是有效的，基本上通電30min就可以把長(zhǎng)下坡路段混凝土路面上的積雪消除掉。

3 結(jié)論

選用60K的碳纖維發(fā)熱電纜，在通電5-10min左右，碳纖維發(fā)熱電纜表面的溫度就會(huì)達(dá)到峰值130℃，完全可以滿足融雪化冰的要求，而且性價(jià)比是最高的。

碳纖維發(fā)熱電纜采用垂直鋪裝方式和嵌入式安裝方式，可以大大降低漏電的風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的安全性。

以臺(tái)東山礦區(qū)長(zhǎng)下坡路段為實(shí)際工程背景，對(duì)該長(zhǎng)下坡路段進(jìn)行碳纖維發(fā)熱電纜的鋪設(shè)，當(dāng)路面上有少量積雪的情況下，接通電源即可實(shí)現(xiàn)融雪，說明碳纖維發(fā)熱電纜對(duì)長(zhǎng)下坡路面的融雪、化冰是非常有效果的，從而大大提高了礦區(qū)運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

【參考文獻(xiàn)】

[1]宗巖.我國(guó)鐵路煤炭運(yùn)輸發(fā)展對(duì)策研究[J].鐵道貨運(yùn)，2020，38（8）：11-15.

[2]郭斌.預(yù)埋碳纖維發(fā)熱線瀝青混凝土橋面融雪化冰技術(shù)研究[D].開封：河南大學(xué)，2018.

[3]張倩雯，趙艷華，吳智敏.混凝土路面碳纖維發(fā)熱線融雪化冰研究[J].公路交通科技，2015，32（2）：41-48.

[4]袁玉卿，張永健，蔚旭燦.瀝青混凝土預(yù)埋碳纖維繩發(fā)熱升溫試驗(yàn)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，35（1）：49-55.