深部高温采场隔热层降温新方法

朱成坦

（贵州盘江精煤股份有限公司，贵州 盘县553529）

近年来，我国煤矿开采深度以8～12m／a的速度不断延深，有的开采深度已超过1000m，随之带来的是愈发严重的矿井热害问题〔1〕。在深井开采条件下，地温不断升高，危害日益增大，严重影响工人的劳动效率和身心健康，不仅直接导致矿井产量的降低，还会诱发煤矿安全事故〔2〕。矿井热害已成为制约矿井向深部延伸的主要因素之一。通过采用有效的技术措施来降低采场环境温度，已成为深部矿井实现安全高效生产的必然趋势和要求。现场实测表明，目前最先进的空调制冷仅能控制采场内25m左右的温度，超过25m的风流温度迅速上升，使工作面风流出口处的温度严重超过煤矿安全规程规定的温度，解决不了温度升高的问题。本文基于煤岩放热是采场温度升高的主要原因这一判断，提出了隔热层隔热的新方法，即在采场布置喷射系统，将隔热材料喷射到采空区垮落矸石表面，减缓矸石热量向工作面风流传递，间接减少风流温度的升高。通过理论分析及计算，表明建立采空区隔热层可以有效降低工作面的风流温度。

1 采空区矸石对工作面风温的影响

现场观测表明，风流经巷道进入工作面以前，温度基本不会有大的增高，但深部工作面的风流温度仍远超过许可温度，其热源显然主要来自工作面内。在工作面推进以前，采煤机尚未切割的煤壁及直接顶的温度接近原岩温度，可达26℃以上，甚至超过32℃或者更高。工作面向前推进到一定距离，直接顶会垮落成矸石暴露出来，所携带的热量通过对流、热传导、辐射等方式传递给工作面风流，与风流直接接触的矸石表面温度降低，和不与风流直接接触的矸石之间产生温度差，矸石之间发生热传递，将深部矸石的热量源源不断地传递到最外层的矸石，最终散发到风流中。同时，未垮落的顶板岩层也主要通过热传导的方式将深处的热量通过垮落的矸石流向工作面。

对于一个长度达150～200m甚至更长的工作面，由于采场是不断移动的，采空区的矸石也不断地垮落下来，工作面风流在流动过程中不断地吸收来自采空区的热量，导致工作面风流温度逐渐升高，最终形成高温工作面。

由此可见，采取措施减少采空区矸石向工作面风流散热，是降低工作面风流温度的关键。

2 采空区隔热层的作用及材料组成

2.1 隔热层的作用

采空区隔热层是指通过喷射系统将导热系数小的无机隔热材料直接喷到采空区矸石表面，形成隔热层，减缓采空区矸石的热量传向工作空间，这一喷层起到阻隔作用，故称之为采空区隔热层。建立采空区隔热层以后，隔热层将风流与采空区垮落矸石隔绝，风流与高温矸石之间不直接转换热量，高温矸石将热传递给隔热层，再通过隔热层传给风流；由于隔热层的隔热效果仅有很少部分热量“穿透”隔热层，极大地减少了矸石向采场风流传递热量。

采空区矸石的热传导、热对流及热辐射，和采场煤壁的热辐射、热对流及热传导是造成工作面温度上升的主要原因。工作面煤壁的热辐射及热传导因工作面不断推进而难以避免。通过建立采空区隔热层，可以从源头上隔断采空区矸石的热量传递到工作面风流中，起到“釜底抽薪”的效果，因此隔热降温效果大大增强。

当工作面推进一定距离，直接顶垮落以后，采用喷射系统将隔热材料喷到采空区垮落的矸石表面，形成间隔性的隔热层，其施工见图1。

图1 采空区隔热层施工示意

2.2 隔热材料成分组成

隔热材料主要由水泥、黄沙、水、煤渣、蛭石、外加剂等按照一定的比例配制而成。水泥作为胶结料，起到胶结作用，选用市场上常见的普通硅酸盐水泥；黄沙作为集料，要求具有一定的颗粒级配；煤渣、蛭石具有一定的隔热性，作为隔热基料，此外，煤渣可以替代部分的水泥，减少成本。经材料配比实验，当材料配比为水灰比∶黄沙∶煤渣∶蛭石∶外加剂＝0.6∶0.2∶0.4∶0.1∶0.001（质量比）时，热导率最小，约为0.4123W／（m·k），成本约在243元／t。

3 隔热层的传热分析

由于煤壁及采空区矸石所形成的结构及本身性质的影响，使得传热过程较为复杂，为了便于研究采空区矸石对风流的影响，对其做以下假设：

1）采场煤壁的温度与直接顶刚垮落矸石的温度相同，不考虑支架等的影响，两者对风流辐射的热量近似相等，对温度的上升各有50%的贡献，鉴于煤壁的传热难以避免，故本文仅分析采空区矸石的隔热效果。

2）采空区矸石垮落后仍可以规则的堆积起来，深部热量不断传递到暴露的矸石表面，形成稳定热源〔4－7〕。

3）温度升高过程中的各种传热非常充分。

任取单位长度的工作空间作为隔热单元（图2）进行热分析。由于工作面推进到一定距离后，最外表层散热量与垮落岩石的总热量相比较小，可将垮落的矸石视为稳定热源。传热方式一般有稳态热传导、辐射放热、对流放热等三种形式，任何一个传热过程都包含上述传热方式的一种或几种〔8－11〕。

图2 隔热层隔热单元示意

风流从矸石吸收的总热量为：

式中：λ为隔热层的热导率，W／（m·K）；c为隔热层的厚度，m；S为隔热层横截面积，由于取单位长度，S数值上即等于采高 M，m2；t1为热板面的温度，等同于矸石的温度，℃；t2为冷板面的温度，等同于风流的温度，℃；S1为发生对流换热的两物体中较小的物体面积，由于取单位长度，在数值上近似于采高M，m2；T1为采空区矸石表面的绝对温度，K，（T1＝273.15＋tb）；T2为风流的绝对温度，K，（T2＝273.15＋ta）；ta为风流中空气的干球温度，℃；tb为采空区矸石表面空气的干球温度，℃；Fev为外观系数，一般取值0.8；5.67为斯蒂芬－波尔茨曼常数；a对流放热系数，W／（m2·K）；S2为热交换的表面积，m2；Ni为传热方式对风流的贡献系数，i＝1，2，3取值为0或1；a一般与垮落矸石的形状，风流的性质，风流的特征长度，雷诺数等因素有关。本文中对于风流在工作面中流动的情况，一般将对流放热系数取为1.8。

式中第一项为稳态热传导对风流的放热量，第二项为辐射放热，第三项为对流放热。

4 隔热层阻热效果分析

4.1 传热过程分析

将采空区矸石视为稳定热源，由于液压支架处于矸石与风流之间，假设支架后部与矸石是紧密接触的，其自身的温度与矸石温度接近，从传热角度考虑，仅考虑热源，可以认为液压支架是矸石的一部分，它们共同以辐射、对流的方式使工作面风流温度上升。由于垮落的岩石表面温度比周围风流的温度高，所携带的热量迅速向采场风流中辐射，此外风流流经矸石表面形成很薄的边界层，风流在边界层中与矸石表面接触，矸石的温度远大于风流的温度，发生对流换热，风流被加热。因此，运动中的风流通过辐射和热对流两种方式吸收采空区传递的热量。

隔热层是在液压支架后面添加一套喷射系统，向采空区喷射隔热材料形成的。高温岩石的热量透过热导率较小的隔热层，以较小的传热速度传递到隔热层另一侧，因此隔热层可以降低岩石对风流的辐射传热及风流与矸石表面对流换热的强度。

4.2 隔热效果对比分析

土城矿13124工作面埋深839m，采高2m，回风流中空气的干球温度34.7℃，采空区矸石表面的空气干球温度36℃，热害严重，工人的劳动效率低下，严重影响了矿井的安全生产。对工作面支架进行改装，添加喷射系统，往采空区喷射隔热材料。在工作面布置上下端头及中部分别布置温度测点，进行测温。

图3 不同喷层厚度下的温度测定

从图3中可知：下端头处温度几乎不变，进风风流未受到采空区高温热源影响，工作面中部温度及上端头温度随着喷层厚度的增加而降低。在喷层厚度为4cm时，工作面中部温度为26.4℃，上端头温度为27.5℃，温度相差0.9℃，喷层在6cm时，中部温度为25.1℃，上端头温度为25.6℃，温度相差0.7℃，喷层厚度为8cm时，中部温度为23.8℃，上端头温度为24.2℃，温度相差0.4℃。喷层厚度每增加2cm，中部温度与上端头温度相差最大仅0.9℃，在喷层厚度为4cm时，中部温度与上端头温度都在28℃以下，符合煤矿安全规程的相关规定，此时隔热材料消耗也最小。

5 结语

1）采空区垮落的岩石中，矸石与风流之间将会以辐射换热、对流换热、稳态热传导等方式进行热量单向传递。

2）将导热系数小的隔热材料直接喷到采空区垮落的矸石表面，形成采空区隔热层，可以从根源上隔断热量传递到工作面风流中，降温效果大大增强。

3）隔热材料喷层厚度为4cm时，工作面温度效果达标，成本最小。

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