矿区长下坡路段融雪化冰技术及应用

卢国菊 赵国飞 于丽雅 冯骁

【摘 要】 冬季或者寒冷地区的长下坡路段积雪、结冰严重影响着矿区煤炭的运输，矿区运输道路的融雪化冰已成为煤炭运输领域亟待解决的问题。本文研究了一种无副作用的碳纤维发热电缆主动融雪化冰技术，对碳纤维发热电缆的性质、选型、铺设方式和安装方式等方面进行了详细分析，并进行了现场应用。结果表明：1）碳纤维发热电缆是集耐压抗折能力强、绝缘性好、安全性高、使用寿命长为一身的高性能材料;2）60K碳纤维发热电缆性价比是最高的;3）碳纤维发热电缆选用垂直铺装方式和嵌入式安装方式，大大地提高了安全性。4）对台东山矿区长下坡路段进行碳纤维发热电缆铺设，通电一段时间，路面积雪融化。此技术确实可以解决矿区长下坡路段积雪、结冰问题，为国家煤炭资源正常生产运输提供了一定的安全保证。

【关键词】 矿区;长下坡路段;融雪化冰;融雪剂;碳纤维发热电缆

【中图分类号】 TD58 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）06-0024-03

2019年全国的煤炭产量高达38.5亿吨。然而矿区煤炭运输过程中的山区道路基本上都是上下起伏的不平整路段。在冬季或者寒冷地区，积雪结冰会使得公路上摩擦系数变小，附着力变小，矿车出现打滑、转向的情况。近年来，国内外学者对道路的融雪化冰问题进行了大量的研究，总的来说将融雪化冰方法分为主动法和被动法两种，其中被动法包括人工清除、机械清除和融雪剂，主动融雪法有热力融雪、抗凝冰改性沥青和表面涂层技术等，但是目前还没有专门针对矿区道路融雪化冰的研究。

针对此问题，本文提出一套完整的处理矿区山路混凝土路面融雪化冰的方案，以期解决冬季或者寒冷地区的矿区长下坡路段积雪、结冰问题。

1 矿区长下坡路段新型融雪化冰技术

对于矿区山路长下坡路段来说，结冰现象存在的时间较长，如果频繁使用融雪剂，会对道路结构造成破坏，而且会对附近的土壤、植被等生态环境造成污染，所以必须选择一种长效无副作用的新型融雪化冰方法。本文采用的是碳纤维发热电缆主动融雪化冰技术，主要原理是将碳纤维发热电缆预先埋藏在混凝土路面的中面层，一旦接通电源，利用电能转化为热能，就可以实现融雪化冰的效果。

1.1 碳纤维发热电缆类型优选

碳纤维丝是一种新型的高性能材料，具有高强度、耐磨、抗腐蚀、耐高温、导电和导热的诸多优异性能，而由碳纤维丝为主体做成的碳纤维发热电缆，更是集耐压抗折能力强、绝缘性好、安全性高、使用寿命长为一身，能完全符合要求。

常用的碳纤维发热电缆有12K、24K、36K、48K、60K、72K六种，通过对比不同的碳纤维发热电缆最后选用60K碳纤维发热电缆，铺装间距设定为11m。如图1到图3所示，60K碳纤维发热电缆接通电源10min左右，电缆表面的温度就能达到130℃，完全满足融雪的温度要求，断电10min左右，电缆的表面温度就能恢复到环境温度，而48K电缆接通电源后，电缆表面温度不到100℃，不能很好地满足融雪的要求，而对于72K电缆虽然表面温度达到了融雪的要求，但相对于60K电缆来说，温度优势不明显，造价反而更高，工艺要求也更高，所以60K碳纤维发热电缆是性价比最高的。

1.2 碳纤维发热电缆铺装工艺

合理的碳纤维发热电缆铺设工艺能更好地契合于混凝土路面的施工，不仅可以融雪化冰，解决矿车在长下坡路段的运输安全问题，还能在一定程度上提高混凝土路面的强度，取得较好的效果，下面主要从碳纤维发热电缆的铺装方式和安装方式两方面对研究内容进行分析。

1.2.1 碳纤维发热电缆铺装方式

为了实现对碳纤维发热电缆更规范化的管理，通常情况下如图4所示，可以将五根碳纤维发热电缆通过K字接头相连，然后并联在一根冷线上，作为一组一个整体进行统一管理。

碳纤维发热电缆的铺装方式，按照其方向与行车方向的关系，可以分为垂直铺装和平行铺装。如果采用平行铺装，那么碳纤维发热电缆的方向和行车方向一致，这时候K线接头和冷线就会被铺装在行车道上，但是K线接头和冷线没有碳纤维发热电缆那么大的强度，一旦经过车辆的反复碾压，就会有漏电的安全隐患，所以我们一般选用垂直铺装方式，也就是说碳纤维发热电缆的方向垂直于行车方向，这样K字接头和冷线就可以布置在行车道侧边的区域，安全性大大提高了。

1.2.2 碳纤维发热电缆安装方式

如果将碳纤维发热电缆直接安裝在混凝土路面的中面层表面上，那么后期在进行上面层沥青铺设的时候，摊铺机的履带上会黏粘有大量的沥青，当摊铺机驶过碳纤维发热电缆铺装区域时，会黏粘起部分或大量的碳纤维发热电缆的外包覆层，从而增加了碳纤维发热电缆漏电的风险，为了避免这种情况的发生，最后选择了嵌入式安装方式，也就是利用切缝机在路面刻槽，将碳纤维发热电缆安装在中面层所刻的槽里，这样就不会对混凝土路面的强度造成任何影响。

1.3 碳纤维发热电缆施工工艺

选择矿区的一段长下坡路段进行碳纤维发热电缆的铺设试验，具体施工工艺如下：

1.3.1画线

按照施工图纸，画出行车道边缘线和单组模块的边缘线，然后以此为基准在各个模块范围内画出II类槽边缘线，用于安装K字接头。在II类槽边缘线的基础之上画线到路缘砖的位置，确定安装冷线接头的III类槽的位置。

1.3.2刻槽

按照施工图纸，在各个单组模块的区域内，用切缝机刻出I类槽，用于安装碳纤维发热电缆，如图5所示。沿着画好的II类、III类槽边缘线刻出II类、III类槽。

1.3.3打孔

碳纤维发热电缆的冷线接头需与外界的电源连接，所以需要在混凝土路面上打孔钻出电缆，一般打孔位置选择在两组电缆的交接处，让两组电缆共用一个孔，可以节省成本。

1.3.4布线

将碳纤维发热电缆铺设在刻好的槽内，整个过程必须小心谨慎，防止将碳纤维发热电缆的外包覆层破坏，同时不得将碳纤维发热电缆露出中面层;确认无误后，再将碳纤维发热电缆加热直至变软。

1.3.5上面层的摊铺和压实

碳纤维发热电缆安装完成之后，先将路面上的杂物清理，再进行后续上面层沥青的摊铺和压实。

2 矿区长下坡路段新型融雪化冰技术的应用

以台东山矿区长下坡路段为实际工程背景，该连续下坡路段全长为2.3km，沿途有3个大转弯，路基宽度为9m，连续大纵坡路段平均纵坡值为5%。

以新型融雪化冰技术为基础，对该长下坡路段进行碳纤维发热电缆的安装。上面层混凝土铺设完备，在路面上有少量积雪的条件下，接通电源，观察矿区山路长下坡路段混凝土路面的融雪情况。

从试验结果可以看出，碳纤维发热电缆的主动融雪技术是有效的，基本上通电30min就可以把长下坡路段混凝土路面上的积雪消除掉。

3 结论

选用60K的碳纤维发热电缆，在通电5-10min左右，碳纤维发热电缆表面的温度就会达到峰值130℃，完全可以满足融雪化冰的要求，而且性价比是最高的。

碳纤维发热电缆采用垂直铺装方式和嵌入式安装方式，可以大大降低漏电的风险，提高系统的安全性。

以台东山矿区长下坡路段为实际工程背景，对该长下坡路段进行碳纤维发热电缆的铺设，当路面上有少量积雪的情况下，接通电源即可实现融雪，说明碳纤维发热电缆对长下坡路面的融雪、化冰是非常有效果的，从而大大提高了矿区运输的安全性。

【参考文献】

[1]宗岩.我国铁路煤炭运输发展对策研究[J].铁道货运，2020，38（8）：11-15.

[2]郭斌.预埋碳纤维发热线沥青混凝土桥面融雪化冰技术研究[D].开封：河南大学，2018.

[3]张倩雯，赵艳华，吴智敏.混凝土路面碳纤维发热线融雪化冰研究[J].公路交通科技，2015，32（2）：41-48.

[4]袁玉卿，张永健，蔚旭灿.沥青混凝土预埋碳纤维绳发热升温试验[J].长安大学学报（自然科学版），2015，35（1）：49-55.