深井巷道降温的一项新技术

李 珠，祝国强

深井巷道降温的一项新技术

李 珠，祝国强

(太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024)

随着煤矿开采深度的增加，深井热害问题日益严重。针对深井降温的实际情况，提出一种新理念—“主动降温”，以及一项新技术—玻化微珠隔热结构。介绍了玻化微珠和玻化微珠隔热砂浆的主要性能，通过分析得到了玻化微珠隔热结构热交换原理，论述了玻化微珠隔热结构这一新技术在深井巷道降温中的应用前景。

热害;深井巷道;主动降温;玻化微珠;隔热结构

随着经济发展的突飞猛进，社会对矿产资源的需求急剧增长，世界范围都面临能源紧张这个亟待解决的问题，而煤炭作为中国的基础性能源，需求量也是逐年增加，这就迫使人们向更深的地下去寻找煤炭资源，从而使得矿井深度逐年增加。由于开采越深，地热温度越高，井巷围岩温度也会随之升高，导致围岩的散热量也变大，并最终使得矿井温度升高。目前，全世界许多国家都有千米以下深井，这些深井的原始岩温超过43℃，而采掘工作面温度更是高达38℃，深井高温热害日趋严重，并且已经成为制约煤矿安全生产的重大问题之一，而深井降温技术将成为影响未来矿山开采极限深度的决定性因素［1］。

1 深井降温新理念—“主动降温”

目前，深井降温以制冷、制冰技术为主导，这些技术在高温矿井热害治理方面效果显著，但是缺点也十分明显，如设备成本以及维护费用高、能耗巨大、管理复杂，同时只能被动地降低矿井温度，并不能有效减少矿井中的热辐射，如机电设备放热、高温围岩放热等，可称其为“被动降温”技术，治标而不治本，且费用昂贵。

“主动降温”技术是相对于“被动降温”技术而言的，其主要方法是将深井巷道的热源阻挡在巷道围岩的外部，控制其向矿井内排放高温气体，即减少热量来源达到降温的目的，再配合“被动降温”技术，可以有效降低通风和制冷设备的运行及维修费用［2］。

据统计，在各种热源中，围岩散热占57%，机电设备散热占15% ～20%，氧化热占12%，自压缩占9%［3］。可见围岩放热占据着主导地位。资料显示，当风流经过井下高温地段，围岩热辐射使之温度升高，高温巷道对进风流逐渐加热，最终高温风流进入采掘工作面，使得工作面温度升高。矿井巷道围岩与风流的热交换公式如下所示［4］：

式中：

Qgu—围岩—风流间的热传递量，或井巷围岩散热量，W;

kτ—不稳定换热系数，W/(m2·K)，物理意义为：巷道岩体与风流温度温差为1℃时，风流在单位时间内从矿井巷道单位面积上吸收或散发的热量;

L—矿井巷道长度，m;

U—矿井巷道周长，m;

tgu—矿井巷道围岩初始岩温，℃;

tB—矿井巷道进风流平均温度，℃。

可见，如果能有效减少围岩巷道的热辐射，风流在通过巷道的过程中升高的温度就会明显降低，从而间接的降低了采掘工作面的温度。资料表明，当巷道的温度降低3℃ ～4.5℃时，采掘工作面的温度也将随之降低2℃～3℃。这种将深井地下的巨大热源封闭隔离在巷道围岩以内、减少围岩热量进入巷道系统的技术对矿井降温具有重要的意义［5］。

国内近几年开始对围岩散热的控制进行研究，主要方法是在矿井巷道表面进行处理，喷涂建筑中所用的保温材料，达到减缓围岩散热的目的。但建筑材料应用到深井巷道有其局限性，有机材料导热系数虽然较低，但是无法满足矿井防火要求，并且使用成本高，难以推广应用;无机材料大多导热系数较高，使得隔热效果不理想，难以满足巷道降温和节能的目的。而玻化微珠隔热材料有效地解决了这一难题。

2 玻化微珠材料的特性

玻化微珠是以火山岩为材料，先粉碎成矿砂，之后再经过特殊工艺加工而成，是一种无机轻骨料玻璃质矿物材料。玻化微珠拥有其显著的特性，如理化性能十分稳定、耐老化耐候性强、导热系数较低、吸水率低、防火不燃和抗静电性能好等，与粉煤灰漂珠、玻璃漂珠、普通膨胀珍珠岩、聚苯颗粒等诸多轻质骨料相比有明显的优越性。玻化微珠的物理性能见表1［6］。

表1 玻化微珠和玻化微珠隔热砂浆的物理性能表

3 玻化微珠隔热砂浆的物理性能

在试验室将玻化微珠、不同黏接剂(水泥、粉煤灰、石膏等)和多种添加剂进行优化配比，经过多次试验得到性能优良的玻化微珠隔热砂浆材料。这种材料具有优异的隔热性能和防火、耐老化性能，施工操作简便，同时克服了聚苯颗粒有机材料防火性能差、强度较低、高温易挥发有害气体的缺点;又弥补了膨胀珍珠岩无机材料导热系数高、易粉化、吸水率和体积收缩率大、后期强度低等不足。

为满足玻化微珠隔热砂浆在深井巷道中的应用，在分析骨料轻重、颗粒级配、添加剂掺量以及水泥基材与纤维的相互作用对砂浆性能的影响基础上，同时考虑砂浆应满足巷道隔热以及施工要求。通过合理的正交试验以及极差分析，成功研制出了满足工程需求的新型隔热砂浆，得到的较优配合比为：玻化微珠∶水泥∶沙子∶添加剂=120∶350∶200∶x。所研制的玻化微珠性能见表1。

4 玻化微珠隔热结构热交换原理

与传统的巷道支护结构不同，玻化微珠隔热结构是在巷道用混凝土进行支护后，在混凝土表面喷涂一层玻化微珠砂浆隔热层，巷道围岩热量从围岩深部通过导热系数较高的混凝土传导到隔热层，由于隔热层导热系数较低而被阻隔，这样隔热层与混凝土进行热传导，而与巷道中的气体进行热对流与热辐射，两者的热交换都由于隔热层导热系数较低而变得缓慢。

玻化微珠隔热结构与风流的传热是一个复杂且不稳定传热过程。在开挖过程中，巷道原岩的原始岩温的热平衡逐渐被打破，开始通风后，热量会从高温岩体通过混凝土以及隔热层向巷道风流散发，这样随着时间的推移，岩体的温度会逐渐降低，同时温度降低的范围会不断向岩体内部延伸，直到达到新的热平衡状态而停止。由传热学理论可知，岩体温度降低范围随着时间的增长而不断增加，这个范围与隔热层的导热系数密切相关，热交换在隔热层的作用下变得缓慢。隔热层导热系数从最理想的完全隔热(为零)增大到巷道岩层的导热系数(此时岩层导热系数与隔热层相同)，这样，巷道调热圈也从理想的隔热层状态时厚度为零增大到不加隔热层状态时的厚度，巷道加入隔热层后调热圈的变化可用图1模型进行分析。

在巷道热交换过程中，调热圈起着缓冲的作用，由于它的存在，围岩体内的巨大热量不是直接向巷道内散发，而是渐渐的通过调热圈与风流进行热交换，

图1 巷道玻化微珠隔热结构调热圈形成过程

从而起到减缓热量散发的作用。调热圈的半径受到诸多因素影响，如围岩的热物理性质、巷道的支护形式和导热系数、风流温度以及通风时间的长短。在一定的工程地质和风流条件下，如果在支护混凝土外部添加一层玻化微珠砂浆隔热层，这样支护结构的导热系数会明显减小，调热圈的半径也会同时增大，巷道热交换过程也会变得更加缓慢，见图2。

图2 玻化微珠隔热结构示意图

在对巷道玻化微珠隔热结构进行热传递计算时，可假定巷道断面为圆形，简图见图2，这种结构在围岩开挖裸露后，首先进行锚网喷层支护，然后在巷道全断面施工100～150 mm厚的玻化微珠隔热层。

在传统的巷道支护结构中，由于没有隔热层，可以称之为非隔热结构，它的热传递是通过支护混凝土与风流进行热交换，由于混凝土导热系数很高，热交换速度非常快，导致风流温度升高的速度也会非常快。而采用了玻化微珠隔热砂浆的隔热结构，由于隔热砂浆导热系数很小，仅为岩层导热系数的1/10～1/30，混凝土导热系数的1/15～1/20，因此，可以明显减少和减慢巷道围岩向巷道内热量的传递，从而使风流温度大大降低。

5 巷道玻化微珠隔热结构经济效益分析

玻化微珠隔热结构可以在深井煤矿、高地热煤矿、非煤矿山、隧道工程以及地下工程的各个领域得到应用，在完成了隔热、降温、减排、热能采集技术的集成后，可以实现这些工程领域节能循环的良性健康发展。

以高地热矿山为例，在采用了玻化微珠隔热结构后，可以将隔热、减排和热能采集等技术综合运用，建立节能循环系统，可以带来巨大的经济和社会效益。节能循环系统拟在矿井应用的工艺流程图见图3。

图3 节能循环系统拟在矿井应用的工艺流程图

在建立节能循环系统后，能带来的效益有：

1)采用玻化微珠隔热层后，巷道围岩与风流的热交换可以降低80%以上，工作面可以降低30%以上。

2)采用玻化微珠隔热层后，巷道内温度将会明显降低，同时热交换速度减慢，这样，对于使用制冷、制冰技术的矿井，可以大大降低设备的运行费用，而对于热害较小的矿井，可以改用通风降温，甚至不需降温设备也能满足工作要求，将会大大节省企业投资，投入经费与产出效益的比值超过1/3。

3)实施热能采集技术后，被隔热层挡在外部的热量被集中采出，经过处理后可以在采暖等方面得到应用。

以上各项研究成果将会带来高达10多亿元/年的效益。

6 结论

1)能源是一个社会发展的物质基础，同时它也是制约一个社会发展的资源因素。节能已经成为了我国的一项基本国策，而矿山企业一直是我国的高耗能企业之一，如何降低矿山能耗已经成为政府、企业以及科研工作者迫在眉睫的问题，但因技术、管理、资金等各种因素的影响，管理粗放、能耗巨大仍然是我国目前矿山生产的主要特征，对我国节能减排目标的实现十分不利，因此，巷道玻化微珠隔热结构符合国家节能的发展战略要求。

2)针对国内外通用的通风、制冷、制冰等被动降温技术资金投入大、能耗高、降温效率低、工作环境差等缺陷，提出了深井巷道玻化微珠隔热结构，通过隔热层减少和减慢高温岩层向巷道内的热传递，以达到降温的目的，同时能够有效降低通风制冷设备的运行费用，实现了节能减排的目的。该技术可以在矿山、隧道、地下工程等多个领域推广应用，不仅可以减少安全隐患，同时有利于实现高产高效，具有优良的综合性能，能带来显著的经济和社会效益。

3)继瓦斯、火、水以及顶板后，热害已经成为煤矿生产中的第五大灾害。但应该对热害加以利用，它将成为一个巨大的资源。热害如何变废为宝，如何将隔热、降温和热害采集相结合，建立一套完整的节能循环系统，将成为今后矿山节能研究的重点，同时，这也是一项投资巨大且耗时持久的工程。因此，需要政府、企业和广大科研人员共同努力，才能真正实现矿山产业节能循环的目标。

［1］ 徐晓军，张艮林，白荣林，等.矿业环境工程与土地复垦［M］.北京：化学工业出版社，2010：139－140.

［2］ 王 文，桂祥友，王国君.矿井热害的产生于治理［J］.工业安全与环保，2003，29(4)：33－35.

［3］ 吕 品.矿井热害的调查与防治［M］.中国煤炭，2002，28(7)：38－40.

［4］ 杨德源，杨天鸿.矿井热环境及其控制［M］.北京：冶金工业出版社，2009：49－51.

［5］ 郭文兵，涂兴子，姚 荣，等.深井巷道隔热材料研究［J］.煤炭科学技术，2009，31(12)：23－26.

［6］ 李 珠，张泽平.玻化微珠保温砂浆应用技术规程(DBJ104－250)［S］.太原：山西科学技术出版社，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，河南开封人，1982年毕业于铁道兵工程学院，教授，主要从事结构工程与力学研究(E －mail)ronaldo52@qq.com