矿山载/蓄冷功能性充填基础理论

王 美，刘 浪，张 波，张小艳，郇 超，赵玉娇，屠冰冰

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054; 2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054; 3.西安科技大学 理学院，陕西 西安 710054)

随着浅部矿产资源经过长期大规模的开发后日渐枯竭，迫切需要对深部矿产资源进行开发与利用。目前，全世界千米金属矿井已超过150座，最大采深达4 800 m，我国有32座千米矿山，且有一批即将开发的千万吨级千米金属矿山，金属矿山将全面进入深度开采阶段[1]。充填法采矿作为解决深部采空区塌陷和固体废弃物排放的最佳途径受到广泛关注。如何赋予充填多重属性，在完成矿产资源开采的同时，实现工作面降温、热能提取、地下空间利用等附加目标，对矿山转型升级具有重要意义[2-3]。深井降温是诸多附加目标中最为迫切的一个问题。随着开采深度增加，围岩温度逐渐升高。我国平均地温梯度为2.5～4.0 ℃/100 m[4]，据推算，开采1 000 m深处的矿产资源将面对45 ℃以上的岩体温度，原岩散热成为造成深井极热环境的主因。高温环境引发采掘工作面人员工作效率下降，事故频发。据统计，当工作面温度从16 ℃升高至32 ℃，矿工相对劳动效率下降55%，事故率上升68.1%[5]。高地温还会引发岩体软化，设备寿命缩短，矿物自燃等严重后果。为解决热害问题，多数矿井采取了与地面空气调节系统在本质上相同的降温方法，然而也集中暴露出降温效果不够，设备和管线投资大，施工管理复杂，运行费用高等问题，据统计，热害矿井的降温系统用电量约占矿井开采总耗电量的25%[6]。深井降温已成为制约深部资源开采的瓶颈问题。

矿井降温通常采用空气、水等材料作为载冷剂。增大矿井通风量以带走井下余热是历史最悠久、应用最广泛的一种矿井降温方式，然而受工作面进风温度、风速等条件的制约，其适用范围有限，往往无法满足深井降温的降温需求[7-8]。通过人工制冷或借助自然冷源的手段，制取低温水送至采场空气处理设备是最常见的大型矿井降温方式。在矿井降温低温水的制取方面，蒸汽压缩式制冷最为普遍[9-10]，吸收式制冷成本较高，一般在周围有可利用的余热的特殊条件下才被采用[9-11]，吸附式制冷需要有除湿再生设备，其耗能高且对井下空气颗粒物浓度要求较高，目前还处于探索阶段[12]。以水为载冷剂的矿井降温系统发展成熟，目前研究多集中在如何提高运行经济性，利用自然冷源[13-14]和转移矿井热并加以利用[15-16]是其中最为瞩目的两个方向。HEMS系统[13]从矿井涌出的低温水中提取低品位冷能，利用制冷系统将其转化为高品位冷能供井下空气调节末端设备使用，Se-TES系统[14]利用季节温差，夏天蓄热、冬天蓄冷以满足矿井冬夏供热供冷需求，为矿井降温系统节能最高可达80%;GRSM系统[15]利用热泵将井下低品位热能转化成高品位热能供井上生产与生活使用，同时实现了矿井降温和热提取利用，经济效益显著。以上研究在降低矿井降温系统的运行费用方面有突出贡献，但自然冷源具有地域局限性，埋管热利用投资巨大仅适用于原岩温度极高的情况。另外，以水作载冷剂在深井极端热环境下降温效果不理想，甚至出现降温系统只实现了2～3 ℃降温效果的情况[9]。

在传统矿井降温载冷剂不能满足深井降温需求的背景下，具有高载冷量的载冷剂开始被关注。相变材料在相变过程中能够吸收大量潜热，相较于水和空气作载冷剂只发生显热交换，其换热量可达数倍，甚至数十倍[17-18]。南非Harmony金矿首次采用片冰作载冷剂进行井下降温，取得了明显的降温效果，但制取片冰需要的蒸发温度低，制冷效率低，逐渐被冰浆所取代。南非Mponeng金矿是目前世界上最深的矿井，原岩温度最高65 ℃，采用风力输送将地面制好的冰浆送至工作面，降温前工作面风温为55 ℃，降温后风温为29.5 ℃，降温效果明显[19]。冰作载冷剂系统，获得相同冷量所需的冰量仅为水冷系统水量的1/5～1/4，具有制冷效果好、输运负荷小的优点。冰是矿井降温工程中最为成熟的相变载冷材料，其他相变材料也有所研究。我国学者YUAN等[20]提出的LHTES系统用水合无机盐应用于矿井避灾硐室，并建立了数值计算模型，应用FLUENT软件准确地模拟出了硐室模型内温度96 h的变化规律。LHTES系统对安全可靠性要求高、短时间内需要大量冷量的特殊空间具有较好的适用性。在美国和澳大利亚，CO2也被用作相变载冷剂，但考虑到系统泄露会引发人员窒息伤亡，未在我国矿井使用[21]。其它相变材料，如以石蜡为代表的有机相变材料，熔融盐为代表的无机相变材料，以及复合相变材料，在建筑、化工、食品加工等领域有所应用[22]，但受相变温度范围、安全、环保、经济方面因素的限制，目前未见用于矿井降温。综上，相变材料是深井极端热环境下降温载冷剂的首选材料，基于矿井开采及其对冷量需求的特点，提出高效、环保、经济、适合于深井开采的降温方法具有重要意义。

1 载/蓄冷功能性充填降温方法概述

1.1 方法提出

功能性充填是基于充填体实现井下降温、采热、储库等多种功能的新型充填采矿方法[2]。载/蓄冷功能性充填降温方法的提出是针对采用充填采矿法的矿井，该类型矿井中，采场是降温的主要对象，其空间位置随着开采进度而变化。采用传统降温方法，降温设备需要随开采空间变化重新布置，工程施工、运行、管理复杂。传统降温方法中的载冷剂由专用输送系统将其从制冷设备输送至井下空气冷却器或分级热交换设备，输送管线长、泵送成本高，井下换热环节多，能量效率低。面对这些传统降温的固有问题，逐个改善难以解决根本问题，从充填开采特点出发，创新降温方法更具现实意义。充填开采中，采场与充填体空间位置随开采进度同时变化，且始终相互毗邻。利用这一特点，通过在充填材料中加入蓄存了冷量的相变物质，令充填料浆输运系统将其送至井下，使其通过与采场间隔的隔板吸收采场热量，即通过地面或壁面辐射供冷的方式就可以实现对采场降温的功能[23]。用这种具有载冷、蓄冷功能的充填材料对采场进行降温的方法称之为载/蓄冷功能性充填降温。

1.2 方法实施总体方案

载/蓄冷功能性充填降温主要通过3个环节实现，即载/蓄冷充填料浆制备、输运、降温，最后再固化为充填体，其总体方案如图1所示。

图1 载/蓄冷功能性充填矿井降温方案Fig.1 Scheme of cold load and storage functional backfill on mine cooling

(1)制备

载/蓄冷充填料浆的制备与传统充填料浆有所不同，增加了载/蓄冷相变介质。载/蓄冷相变介质的冷量由制冷系统提供，以采用蒸汽压缩原理制冷的设备为例，载/蓄冷相变介质生产系统包括了生产冷量的制冷剂循环部分，利用制冷剂循环部分生产出的冷量，来生产载/蓄冷相变介质的部分，以及将制冷系统排出的热量释放出去的冷却水循环部分。载/蓄冷相变介质的选用应综合考虑热物性、化学稳定性，环保性、安全性等技术及经济因素。根据引言部分的文献分析，现有相变材料中，冰浆的经济、环保性能最佳，因此先以冰浆作为载/蓄冷介质，其制备可由动态制冰浆机实现。将制备好的冰浆与尾砂、废石、水泥和水按照一定配比混合成为载/蓄冷功能性充填料浆。在这一环节中，核心研究问题是载/蓄冷相变介质的选用与载/蓄冷充填料浆的配方设计和优化。

(2)输运

载/蓄冷充填料浆制备好后，在充填泵的驱动力下，由料浆输送系统将其送至井下充填区。与传统料浆输送系统不同，由于该系统输送的是载/蓄冷充填料浆，系统同时完成了充填料浆和载冷相变介质的输送任务，省去了专设的载冷相变介质输送系统，从而降低了降温设备初投资。因加入了冰浆，载/蓄冷充填料浆的流动及堵管特性与传统充填统料浆不同，输运过程中伴随着冰粒子的磨损、破碎、团聚及Ostwald熟化的发生，增加了堵管的风险因素。管道输送系统在长距离输送过程中，会与周围环境进行充分的换热，为降低冰浆冷量的损失，管线应全程做好保温。在这一环节中，核心研究问题是载/蓄冷充填料浆的管道输送流变特性及堵管的防范。

(3)降温

载/蓄冷充填料浆被送入充填区后，通过充填区与之相临的采场的间壁，以辐射供冷的方式对采场进行降温。从载/蓄冷充填料浆内部看，充填料浆与采场的温度差驱动了传热的发生，冰浆粒子吸收热量，融化为水，再参与水化反应，最终被消耗掉。与传统矿井降温不同，井下无需布置换热器、空气冷却器等设备，不仅有利于大幅缩减降温系统初投资，同时节省了冷量转换过程中的损失，从而提高了系统效率，降低了运行费用。采场降温的效果与载/蓄冷充填料浆释放冷量的速度有关，从传热学的角度，冷量释放速度与料浆自身热物性及料浆的边界条件有关。为保障冷量被采场有效吸收，应对充填体与其周围矿体或岩石之间的边界，以及采场与其周围矿体或岩石之间的边界进行保温处理。在这一环节中，载/核心研究问题是载/蓄冷充填料浆的相变释冷特性及与周围环境的热力耦合效应。

通过以上对载/蓄冷功能性充填降温方法的介绍与分析，可总结出这种方法相较于传统降温方法具有4大优势:① 无需铺设传统降温系统中的载冷介质输送管道，载冷介质被掺入充填材料中，由充填料浆输送系统完成了料浆和载冷介质的混合输送;② 无需布置井下空调末端装置，利用充填区与采场间的地面或壁面，实现由充填体向采场区域的辐射供冷;③ 省去了传统空调设备间的水-水换热，或水-空气换热环节，总体能量效率提高;④ 营造出整体低温环境，对于具有自燃性的矿床可以降低火灾发生概率。因此，采用这种新型降温方式将会大幅缩减矿井降温工程的初投资与运行成本，降低施工管理工作量，经济与安全效益显著。

2 材料制备

2.1 载/蓄冷介质的选用

常见储存冷量的方式有显热储存、潜热储存、热化学储存3种方式，其中显热储存储能效率低，热化学储存虽储能效率高但却鲜有研究，潜热储存储能效率高且研究、应用广泛[24]。以相变材料作为载体，实现冷量在井上以潜冷形式为主进行蓄存，被运至井下充填区域后释放掉冷量，即可达到井下降温的目的。相变材料作为高密度载冷介质，最适合作为载/蓄冷介质。从相态变化的角度，气-固、液-固、气-液相变物质理论上均可作为载/蓄冷介质。以CO2为代表的气-固相变降温材料在国外有应用，但因其会引起人员窒息，不宜在井下等人员工作场合使用;以蒸汽为代表的气-液相变物质虽然储能效率高但一般用于储存热能。非封装的气-固和气-液相变物质在相变过程中会改变其所在空间的气体成分，从而限制了其适用范围。相较而言，液-固相变物质最适合作为潜冷储存介质，并已在各个领域有广泛的引用。液-固相变储能介质分为无机物、有机物和复合材料，各种材料分类及特征如图2所示。通过对各类液-固相变储能材料的分析，H2O以其在导热特性、相变温度、潜热量、经济、环保等方面的优势，最适合作为载/蓄冷介质被掺入到充填料浆之中。

2.2 载/蓄冷充填料浆的配方优化

充填料浆配方直接影响其特性，常规充填料浆的配方设计以料浆的流动特性和充填体的强度特性作为设计主要约束条件。掺入了相变材料的功能性充填料浆流动特性和充填体强度特性都与传统料浆不相同，研究相变材料占比对流动特性和强度特性的影响规律具有工程意义。除常规的流动、强度特性外，载/蓄冷充填料浆配方优化要考虑的另一个约束条件是传热特性。作为具有降温功能的充填材料，其自身的传热特性，如导热特性、相变特性及其与周围环境的热耦合作用都会影响到他的降温效果。对传热特性的研究是载/蓄冷充填料浆配方优化需要重点考虑的约束条件。因而，载/蓄冷充填料浆的配方设计与优化是以充填体的传热特性，料浆的流动特性，强度特性为三大约束条件。

图2 液-固相变储能介质分类与特征Fig.2 Classification and characteristics of liquid-solid phase change energy storage medium

料浆配方设计与优化的方法可依照传统方法展开，如采用正交试验设计、均匀试验设计、配方试验设计等方法。其中，正交试验设计和分析方法是一种高效处理多因素问题优化的方法，是目前最常用的工艺优化试验设计和分析方法[32]。采用该方法通过开展料浆坍落度试验、沉降试验、自流试验、环管实验，充填体传热试验、强度试验，并结合理论分析与数值模拟，分析尾砂、废石、水泥、相变材料含量对3种约束条件的影响规律，从而寻求最优化的配方。

3 充填体相变降温特性

载/蓄冷充填体的相变降温特性取决于材料本身和周围环境因素。环境因素与开采模式相关，以采用上向式充填采矿法的工程为例，某一层矿产开采完毕后，被充注载/蓄冷相变充填料浆，这一充填区域与其上部采场区共同构成一个充填降温单元，如图1所示。充填区内部的相变材料通过吸收上层采场区域和周围矿体或围岩的热量产生相变，从而实现对采场区的降温。为减少充填体从周围矿体或围岩吸收热量，提高冷量使用效率，可在除充填体与采场间的边界以外的其他边界上设置保温层。

载/蓄冷充填材料自身的相变传热特性是影响其降温特性的核心，掌握其传热机理与规律有助于指导工程应用[33]。载/蓄冷充填材料由相变材料、废石、尾砂、水泥、水等组成，其相变传热机理复杂。内部的相变材料吸收相变潜热从而实现对环境降温，同时，水和水泥等材料发生水化反应放出化学反应热可作为内部热源考虑。在液固相变传热问题的研究中，常见两种方法:界面追踪法模型和焓法模型。界面追踪法模型假设冰与水之间存在明显的边界，申艳军[34]为研究冻融问题，建立了岩石中冰水两相区的传热模型，模拟得到了冻融循环中的温度变化曲线。这种方法的难点在于需要对两相区域分别列出控制方程，在计算中逐步追踪两相界面。对于液-固熔融问题，在液相区和固相区之间还存在粥状区，即融化具有一定的温度界限，界面追踪法较难解决这一问题，液-固熔融问题的计算应用更为普遍的方法是焓法模型。该方法在能量控制方程中除温度参数外还加入了焓，将3个区内的传热过程统一到1个控制方程中，可以简化传热过程的求解[35]。

3.1 载/蓄冷充填材料传热模型

对于三维盒体空间内的载/蓄冷充填材料，如图3所示，其上、下有盖板、底板，按定壁温导热边界处理，环境温度为Tair，盖板、底板导热系数为λ1和λ2，厚度为δ1和δ2，4个侧壁面外侧为环境空气，按自然对流边界处理，对流传热系数为hnc。

图3 物理模型Fig.3 Physical model

针对盒体内的载/蓄冷充填材料物理模型，假设:① 充填材料浓度高，忽略液态水的自然对流;② 材料物理特性具有各向同性特征;③ 忽略孔隙内渗流的影响。根据以上假设，载/蓄冷充填材料的传热过程是一种具有内热源的多孔介质的非稳态传热过程，内热源来自于水化反应放热，多孔介质结构是以尾砂为骨架结构，冰与水被看作为充斥于尾砂之间的流体。根据体积平均理论，能量守恒方程为

(1)

λeff=ε[γλl+(1-γ)λs]+(1-ε)λsk

(2)

式中，下标l为液相;s为固相;sk为尾砂等固体骨架部分;下角eff为有效;λeff为根据体积平均理论计算的载/蓄冷充填材料的有效导热系数。

由于相变材料的融化有一定的温度范围，在粥状区的液相率与温度具有以下关系[36]:

(3)

(4)

3.2 载/蓄冷充填材料传热特性实验

实验中采用尾砂、水泥、冰和水作为实验材料，其体积分数依次为55%，5%，17%，23%，各材料的密度和导热系数见表1。计算出质量浓度为72%，水泥与尾砂比例为1∶6。冰浆初始液相率为58%，冰粒直径为2 mm，初始温度为0 ℃。将充填料浆混合均匀后，灌入边长为150 mm的立方体容器中，并将误差为±0.5 ℃的热电偶按照图4测点位置布置在充填材料之中。通过NI公司的数据采集系统对各测点温度进行采集，实验及采集系统如图5所示。实验的环境空气参数分别为22.3 ℃和0.2 m/s。

表1 载/蓄冷功能充填料浆物理参数
Table 1 Physical parameters of cold load and storage functional backfill slurry materials

材料密度/(kg·m-3)导热系数/(W·(m·K)-1)尾砂1 5663.20水泥2 8000.60冰9172.22水1 0000.57

图4 实验测点分布Fig.4 Distribution of test point

图5 实验装置Fig.5 Experimental facility

3.3 模型验证与结果讨论

将实验中置于载/蓄冷充填料浆内的19个温度测点的平均值与数值计算结果进行对比，以验证模型的正确性。释冷过程以平均温度达到室温作为释冷结束的判断依据，如图6所示，实验与数值计算对释冷时长的计算结果一致。在整个释冷过程中，从平均温度上升趋势体现出了计算和实验结果的一致性。同时，对单个测点也进行了逐一验证，实验与计算的最大偏差出现在测点1(t=3 h)处，数值计算与实验的偏差为10.06%。因此，多孔介质-焓法-水化热复合数值计算模型能够较好地计算载/蓄冷充填材料的相变传热过程，该方法可以被利用于进一步的释冷规律特性研究。

图6 数值计算与实验结果对比Fig.6 Comparison of numerical simulation and experim- ental results

载/蓄冷充填料浆中起降温作用的是相变材料，即冰浆，冰浆含量直接影响总冷量和相变释冷过程特征。在上文实验条件下，初始液相率γ0由58%调整至16%，37%和79%，进行计算并比较，如图7所示，随着初始液相率增加，总冷量减小，在边界换热条件不变的情况下，融化过程加速;整个融化过程的时长随初始液相率变化呈现出非线性特征，γ0由79%降至16%，每降低21%时长依次减少37.5%，27.3%和21.4%，即初始液相率越低，相变速度越快;融化过程均显现出3阶段特征，在初始阶段传热以相变方式为主，融化速度较快，中期融化速度较慢，后期由于整体温度上升，核心含冰区域减小，融化速度再加快。

图7 初始液相率γ0对相变过程的影响Fig.7 Influence of initial liquid ratio γ0 on phase change process

图8 井下二维载/蓄冷充填区及周围环境物理模型Fig.8 2-D physical model of cold load and storage backfill and surroundings in mine

应用以上经过验证的数值计算模型对考虑井下实际热环境的问题展开数值计算研究。设定环境围岩和矿体温度为40 ℃，采场风流速度为0.5 m/s，计算二维充填区域内的相变释冷传热过程，计算区域如图8所示。考虑到尽量保证载/蓄冷充填料浆具有较高的冷量利用效率，在充填区域与周围非采场相接的边界上设置保温隔板;考虑到传热热阻随上边界融化升温而逐渐增加，为保证释冷效率，采取了1/2充填法，即在采空区下半部充填传统料浆，上半部充填载/蓄冷功能性料浆。以载/蓄冷功能性充填区作为数值计算区域(20 m×1.5 m)，对井下释冷规律进行探索。

选取质量浓度为72.8%，初始液相率为54%的载/蓄冷充填料浆，计算出该区域内温度和液相率分布随时间变化的趋势，如图9所示。相变材料完全融化时间为20 d，随着冷量的释放，冷却核心区域逐渐下移，向采场传热的热阻增大，导致冷量释放速率逐渐减缓。采场下表面平均温度维持在25 ℃以下的时间为22 d，在这一阶段内能够满足采场的降温需求。因而，可以根据采场开采周期设计载/蓄冷充填料浆配方，以满足整个开采周期内采场的降温需求。

图9 井下载/蓄冷充填体温度与液相率分布Fig.9 Distributions of temperature and liquid ratio of cold load and storage backfill in mine

井下环境中初始液相率直接影响含冰量及融化过程。对初始液相率取78%，54%和29%，料浆质量浓度均为72.8%配比的料浆进行数值计算，得出3种液相率下的融化过程特征，如图10所示。从图10可以看出，随着初始液相率的降低，含冰量提高，液相率增长时间增长，即融化时间增长，同时采场与载/蓄冷充填料浆之间的辐射表面维持低温的时间显著增加，初始液相率由78%降至54%和29%，表面维持在25 ℃以下的时间分别增长了36.2%和53.1%，完全融化的时间分别增长了38.1%和55.2%，从而能够通过控制初始液相率来调整降温时间。

除了初始液相率外，料浆质量浓度会影响冰水总量，进而影响含冰量和总冷量。对料浆质量浓度取66.1%，72.8%和78.5%，初始液相率均为54%配比的料浆进行数值计算，得出3种料浆质量浓度下的融化过程特征，如图11所示。随着料浆质量浓度的降低，冰水总量增加，含冰量增加，融化时间增长，同时采场与载/蓄冷充填料浆之间的辐射表面维持低温的时间小幅增加，料浆质量浓度由78.5%降至72.8%和66.1%，表面维持在25 ℃以下的时间分别增长了8.7%和16.3%，完全融化的时间分别增长了14.3%和25%。

图10 初始液相率γ0对融化过程的影响Fig.10 Influence of initial liquid ratio γ0 on melting process

图11 料浆质量浓度C对融化过程的影响Fig.11 Influence of mass concentration C on melting process

在井下环境中开展初始液相率和料浆质量浓度对传热降温的影响特性研究有助于指导工程实践中料浆配比的设计。通过研究发现，在实际可采用的配方范围内，初始液相率有较大的调整空间，该参数对冷量及降温时长影响程度显著，料浆质量浓度的影响则相对较弱。

4 充填料浆输运特性

充填料浆管内输运特性是工程设计阶段中料浆输运管道设计、充填泵选型的基础，也是工程运行阶段中料浆流量调整的重要依据，因此该特性作为充填采矿中的一个重要方面已经开展了众多的研究。对于新型载/蓄冷充填料浆，其配方不同于常规料浆，对其输运特性的研究具有理论与工程意义。本研究中的载/蓄冷充填料浆具有高浓度特征，因而该类型料浆具有流变力学性质，通过研究其流变特性，进而掌握其输运过程中的阻力损失特征，为充填采矿工程的设计与运行提供基础研究支撑。

4.1 载/蓄冷充填料浆流动模型

分析已有相关高浓度充填料浆流变特性研究[39-40]，宾汉模型广泛应用于研究非牛顿流体，尤其是高浓度充填料浆。宾汉模型用于管道流动的摩擦阻力计算可表示为式(5)[41]。为得出管壁剪切应力，可以对不同配方的料浆的屈服应力和塑性黏性系数进行实验测试。

(5)

4.2 载/蓄冷充填料浆流变特性

实验中所采用铜矿尾砂，其主要化学成分为SiO2(58.7%)，Al2O3(14.8%)，CaO(6.30%)和Fe(6.18%)，粒径小于20 μm的尾砂占比为16%;冰粒粒径为2～4 mm;胶凝剂采用P.O42.5型水泥;水采用自来水。将以上4种成分按照10种配方进行制备，即2种质量浓度(C=72%，74%)下分别采用5种比例的初始液相率(γ0=0，45.5%，52.6%，62.5%，78%)，配备出含冰量不同、质量浓度不同的载/蓄冷充填料浆，对每一份料浆采用上述实验方式开展实验，最终获得含冰量与料浆质量浓度对屈服应力和塑性黏性系数的影响规律。

图12表明随着初始液相率的减小，即含冰量的增大，塑性黏性系数增加。不同料浆质量浓度对塑性黏性系数的影响较小。图13表明随着初始液相率的减小，即含冰量的增大，屈服应力有明显增大的趋势;随着料浆质量浓度的增加屈服应力增加。综合来看，固体份额的增大会导致料浆屈服应力增加，因而载/蓄冷充填料浆在泵送特性上会比常规料浆耗能有所增加。但从工程整体角度，充填与降温系统整合为了共用一个输配系统，其综合经济效益则更为突出。

图12 初始液相率γ0和料浆质量浓度C对塑性黏 性系数的影响Fig.12 Effects of initial liquid ratio γ0 and slurry concentration C on viscosity coefficient

图13 初始液相率γ0和料浆质量浓度C对屈服应力的影响Fig.13 Effects of initial liquid ratio γ0 and slurry concentration C on initial shear stress

5 充填体力学强度特性

充填料浆在采空区固结为充填体后，起着支撑围岩与矿体的作用，其强度特性受到了广泛关注[43-44]。对于常规充填体，影响充填体强度的因素包括充填浓度，胶结材料特性，尾矿的化学组分和级配，养护龄期和时间等，有关这些因素对充填体强度的影响规律目前已开展了大量的研究。然而，载/蓄冷充填料浆作为一种新型降温功能性料浆，其组成成份中含有冰粒，冰是否会弱化充填体强度，冰粒含量对充填体强度的影响规律如何，这些问题目前鲜有研究。曾有学者研究了低温下混凝土和废石的强度，对本研究具有一定的借鉴意义。刘超等[45]通过试验对寒冷地区某金矿固井废石强度进行了研究。结果表明，固化温度对强度有明显的影响。随着养护温度的升高，强度增大，特别是在养护早期。SUZUKI等[46]提出了一种用一部分碎冰代替水制混凝土的方法，通过控制冰的比例，加冰混凝土强度可以提升至普通混凝土的两倍。

为了掌握含冰量对载/蓄冷充填体的影响规律，设计了不同初始液相率的含冰料浆，其中尾砂的成份，冰、水泥材料与上文中相同，质量浓度设定为76%，初始液相率分别设定为38.5%，41.7%，45.5%，50%，100%，对这5组不同初始液相率的料浆开展了强度特性研究。将配比好的料浆分别装入直径50 mm，高100 mm的标准实验试模中，放进养护箱中进行不同期限(7，14，28，56，90 d)的养护，养护箱内温度设定为(21±1)℃,湿度设定为90%。在养护后，开展单轴压缩实验对所有样品进行了强度测试，25组不同初始液相浓度、不同养护天数的试件的强度测试结果如图14所示。

图14 初始液相率γ0和养护时间对单轴抗压强度的影响Fig.14 Effects of initial liquid ratio and curing time on uniaxial compressive strength

从初步的力学强度实验结果可以看出，加冰粒的充填料浆固结后的强度在一定比例下有所增加。从孔隙角度考虑，一般认为加冰越多会导致充填体孔隙增加，或者低温会限制水化反应的进行，从而降低充填体强度[47]，从图14中初始液相率在45.5%以下的趋势中可以体现出这一点，即含冰量高于某一值后具有强度随含冰量增加而减小的特征。然而实验中初始液相率在45.5%以上的趋势中却显示出随着含冰量增加，即初始液相率降低，强度逐渐增强的特征。出现这种现象的原因可推测为一是降低初始液相率即增加含冰量，对充填体内部自由水的扩散起到了抑制作用，冰逐渐融化为水后再参与水化反应，能够促使水化反应过程中始终保证有充足的水量，从而提高了水化反应程度;二是初期冰的存在降低了水的挥发速度，延长了水在充填体中保持的时间，减少了自干燥，利于保证足够的水参与水化，加强水化反应。虽然在养护初期水化反应受到抑制，但低温维持的时间相对短暂，这种抑制作用的影响并不占主导。综合以上分析，在不同的初始液相率区间内，有不同的影响因素占优，因而表现出了随初始液相率的增加，强度先增加后降低的趋势，在本研究的范围内，初始液相率为45.5%的料浆的充填体抗压强度最高。

6 结 论

(1)结合深井降温需求与充填采矿特点，提出了载/蓄冷功能性充填降温方法;介绍了该方法的总体实施方案，主要包括材料制备、充填料浆输运、充填体相变降温、充填体固结强化4个阶段;分析了该方法较之传统降温方法的优势，发现这种新型充填降温方法能够大幅降低矿井降温工程的初投资与运行成本，经济与安全效益显著。

(2)通过分析常用相变材料特征，综合考虑导热特性、相变温度、潜热量、经济、环保等方面因素，选取了冰作为载/蓄冷充填料浆中的相变材料;对材料配方优化需开展的研究进行了分析，提出了优化应以料浆的流动特性，充填体的传热特性，充填体的力学强度特性为三大约束条件。

(3)针对载/蓄冷功能性充填核心的相变降温问题，采取了建立模型、实验验证、工程计算分析的研究路线，研究表明影响相变降温的关键参数是初始液相率和料浆质量浓度，随着这两参数的降低，料浆冷量增加，降温时长增加;料浆质量浓度可变化范围较小，其对降温的影响程度小于初始液相率。

(4)采用宾汉模型以及实验测试出的屈服应力与塑性黏性系数，可以预测出工程实际中的管道输运剪切应力特性;实验研究表明随着初始液相率的减小，屈服应力和塑性黏性系数均有明显增加的趋势;料浆质量浓度的增加会促使屈服应力增加，对塑性黏性系数无明显影响。

(5)通过初步的力学强度实验，加冰粒的充填料浆固结后的强度随初始液相率的降低出现了先增加后降低的趋势，实验范围内初始液相率为45.5%的料浆强度最高。