高温矿井硅橡胶/中空玻璃微珠围岩隔热试验研究

薛韩玲　彭俊杰　郭佩奇　朱曌　陈柳　张波　张小艳

摘要：為解决矿井热害问题，制备了硅橡胶/中空玻璃微珠巷道壁隔热支护材料，应用相似实验系统测试了不同壁面温度、送风风速和送风温度对隔热性能的影响，分析了风流与巷道围岩的传热过程，并利用SPSS分析各因素与对流换热系数的相关性。结果表明：巷道围岩壁添加硅橡胶/中空玻璃微珠阻热材料，壁面温度在前3 min急剧下降后趋于平缓，且变化规律受送风速度影响较大，壁面温差随送风速度的减小而减小，比相同工况的未隔热围岩减小幅度最大约29%，巷道出口风温降低约50%;硅橡胶/中空玻璃微珠隔热材料稳态换热阶段随送风风速的增大，风流温升幅度减小，随送风温度的降低，风流相邻两测点及进出口温差增大。对流换热系数与风流速度、风流温度为正相关，与初始壁温呈负相关，且受风流速度影响程度最大;基于各影响因素分析，得到了隔热支护结构与围岩的换热系数关系准则式，结果可推广至实际矿井的换热过程分析。

关键词：新型隔热材料;壁面温度;送风温度;送风速度;传热规律

中图分类号：TD 727文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2022）03-0493-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0312开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Experimental study on thermal insulation characteristics of

silicone rubber/hollow glass beads used for surrounding

rock in high temperature mineXUE Hanling，PENG Junjie，GUO Peiqi，ZHU Zhao，

CHEN Liu，ZHANG Bo，ZHANG Xiaoyan（College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：To deal with mine heat damage，the silicone rubber/hollow glass beads was prepared as a roadway wall insulation supporting material.Based on similar experiment，the influence of different wall temperature，air supply velocity and temperature on heat insulation performance was tested and heat transfer between air flow and roadway surrounding rock was analyzed.SPSS was used to analyze the correlation between each factor and the convective heat transfer coefficient.The results show that the wall temperature tends to be flat after the sharp decline in the first 3 minutes when the heatresisting materials was added to the roadway walls，and had great relation to the air supply velocity.The wall temperature difference was decreasing with the decreasing of the air supply velocity，whose maximum reduction was about 29% compared to uninsulated surrounding rock under the same conditions.The outlet wind temperature of the roadway was decreased by about 50%.In steady state heat transfer phase，the amplitude of air temperature rise was decreased with the increasing of air supply velocity.The temperature difference between two measurement points and inlet and outlet of air flow was increased with the decreasing of the air supply temperature.The convective heat transfer coefficient is positively correlated with air velocity and air temperature，but negatively with initial wall temperature，which is affected by the air velocity mostly.Based on the analysis of the above influence factors，a empirical correlation of heat transfer coefficient between heat insulation support structure and surrounding rock was obtained，and its can be used to extend to the heat exchange process analysis in the actual mine.0F35C7F4-A35E-4E22-814C-BFF24218DF16

Key words：new heat insulation material;wall temperature;air supply temperature;air supply speed;heat transfer law

0引言

礦井更深层的开采导致了矿井热害问题日益严重[1-3]，热害在对作业人员的健康产生损害，造成煤矿安全隐患，降低生产效率的同时，增加矿产资源的开采经济成本[4-8]。目前，应用隔热材料治理深部矿井热害是一重要途径。

迄今为止，国内外大量学者对矿用隔热材料的传热性能进行了深入研究，并获得许多具有实践意义的成果。KAZMINA等以石英废料为原料，在不完全熔化的状态下合成的泡沫玻璃材料具有强度高、吸水率低、导热系数低等特点[9];李国富研究了非隔热围岩和隔热围岩与风流进行热量交换时的热量释放模式[10];吕芳礼发现采用玻化微珠砂浆进行巷道围岩隔热具有较好的工程实践效果[11];王杰研究蛭石砂浆隔热材料的传热性能，得出以蛭石砂浆作为巷道隔热层可有效降低风流的增温幅度，且在厚度为6 cm时，隔热效果最好[12];SUVOROV分析膨胀蛭石具有低体积密度，低导热性及较高的熔点，这符合隔热材料的基本特点[13];邹声华发现掘进巷道采用隔热分流排热降温技术后，送入工作面的风温降低了2.5 ℃，由隔热板、巷道及围岩形成的复合传热结构的热阻增加了42.64%[14];庞建勇研制出一种新型隔热材料，其导热系数仅为普通混凝土的1/8，且其施工工艺简单，成本低廉，可满足深井高温巷道隔热要求[15]。上述文献目前主要针对矿井隔热研究，多为以砂浆、混凝土为隔热材料的配比及隔热效果分析。

研究新型矿用隔热材料对巷道岩壁进行隔热降温，对从源头上控制矿井热害具有重要的应用价值，对保护矿工身心健康，保证安全生产具有更深远的意义。通过分析矿用隔热材料在不同壁面温度、送风风速和送风温度下的实验特征来揭示传热特性，将有助于在控制热量来源方面从本质上更加深入隔热材料的实用效果。因此，以硅橡胶/中空玻璃微珠为巷道围岩隔热材料，对其导热系数、抗压强度和表观密度进行测试，并利用相似实验台，模拟风流与巷道围岩的传热过程，分析不同壁面温度、送风风速和送风温度对隔热性能的影响。

1实验材料与方法

1.1实验材料

1.1.1材料选取

实验用隔热材料以硅橡胶（深圳红叶杰科技有限公司A，B双组份室温硫化加成制备）为基体，中空玻璃微珠（美国3M公司K1，VS5500型空心玻璃微珠）为填充材料，制备中空玻璃微珠/硅橡胶隔热材料。基本参数分别见表1、表2。

1.1.2材料制备

材料配比为硅橡胶∶K1∶VS5500=100∶15∶5。将填料K1，VS5500预先烘干，与硅橡胶B组分混合，用电动搅拌棒低速搅拌30 min，再与硅橡胶A组分（m_A∶m_B=1.0∶1.0）混匀，快速浇筑在PVC模具上，达到目标直径竖直放置，室温固化24 h，放入温度为（20±1）℃、湿度（95±1）%）恒温恒湿箱养护7 d，制备的复合隔热材料如图1所示。

1.2性能测试

采用TPS-2500s热参数分析仪（瑞典，Hot Disk）测试导热系数，仪器内阻值R=6.936 806，温度-10～1 000 K，测量精度为3%。经测定制备的隔热材料导热系数为0.093 W/（m·K）。

采用Wance微机控制电液同服压力试验机（深圳，万测公司）测试抗压强度，测量精度1%，最小分辨率0.02%。电脑控制10 mm/min匀速加载至试件破坏，取3个试件的均值作为最终结果，测试制备隔热材料的强度为1.48 MPa。

材料表观密度ρ按式（1）计算为343 kg/m³

ρ=m/V （1）

式中m为试块制作完成28 d后的实测质量，kg;V为试块表观体积，m³。

材料满足导热系数<0.23 W/（m·K），抗压强度在龄期28 d>1.0 MPa，表观密度≤1 000 kg/m³的矿井用隔热材料标准，可作为巷道壁的隔热支护结构[16]。

1.3实验过程

以实际围岩断面尺寸40 m×40 m，巷道直径8 m，几何相似比为40∶1制作相似模拟实验台，围岩传热以傅里叶数为相似准则数，围岩与风流换热以努塞尔数为相似准则数[17-20]，计算出模拟围岩宽×高为1 m×1 m，模拟巷道直径为0.2 m。由于不考虑入口段效应，巷道长度选取不受限制，实验确定为2.5 m。模型主体采用12 mm的钢板焊接而成，内部由水、膨胀珍珠岩、水泥、石英砂和铝粉混合制成围岩相似材料，内嵌电缆加热带模拟围岩散热，加热量由所需原岩温度大小决定。模型外表面敷设30 mm厚的保温棉，模型主体四周和顶盖均开有直径为40 mm的小孔，便于热电阻温度传感器补偿导线进出，相似实验台如图2所示，风流和温度测点布置如图3所示。

图3（b）F₁～F₅为风流温度测点，B₁为围岩侧壁温，B₂为隔热材料近风流侧壁温，采用XSLC-16S1V0型温度巡检仪（广州，纹徕仪器公司）记录风温，测量速度为0.1 s/每通道，基本误差为±0.2% F·S，5个测点位于巷道轴线中心，且热电偶指向来风方向;壁温通过布置在巷道中部下侧的已校核的面接触贴壁式热电偶进行测量;入口风速采用SwemaAir 300热线风速仪（北京，康高特仪器设备公司）测试，测点保持与风流方向垂直。

实际施工中隔热材料厚度通常为10 cm，根据几何相似比本次实验隔热材料厚度应为0.25 cm。文献表明[21]在一定范围内，隔热材料的隔热效果与厚度成正相关关系，但当厚度达到一定程度时，随着厚度的增加，隔热效果几乎不再变化，因此实验确定隔热材料厚度大于临界厚度，为便于加工，取隔热层厚度为1 cm。另因模拟实验台巷道直径为0.2 m，长2.5 m，且需更换材料进行实验，硅橡胶/中空玻璃微珠复合材料未采用直接喷涂方式进行模拟巷道壁的隔热支护，制作成隔热管（图1），在与围岩结合紧密条件下，进行隔热实验。0F35C7F4-A35E-4E22-814C-BFF24218DF16

2结果与讨论

2.1隔热效果分析

2.1.1通风初期非稳态壁面和风流温度变化

该实验设置初始壁温t_w0为40 ℃，在不同的送风温度t_f，送风速度V_f及无隔热围岩、有隔热围岩（以*标注）条件下，测定的壁温随通风时间的变化，如图4所示。

在相似模拟巷道中通入风流后，原来的稳定状态会被破坏，通风开始时，巷道壁面温度会随着通风时间的变化而变化。从图4可知，不同工况下，隔热围岩与非隔热围岩壁面温度随通风时间的变化规律基本一致，在通风开始前3 min内，由于壁面与风流的温差较大，围岩壁温下降迅速。随着通风时间的延长，两者之间的温差逐渐减小，巷道壁面温度降低趋势变缓。

添加硅橡胶/中空玻璃微珠隔热材料后，壁面温度降幅明显减小，说明隔热围岩向风流的放热量小于未隔热围岩，材料起到了阻隔围岩与风流进行热量传递的作用。这是由于中空玻璃微珠的添加使隔热材料产生封闭气孔，热量经历了不同相的传递过程。由于气相的导热系数远低于固相，故此阶段降低了热量传递的效率，另一方面，其路径长度增加，相当于增加了热阻，从而热量传递过程中的损耗增大，起到了一定的隔热效果，隔热机理如图5所示。

由于风流与围岩换热方式主要以对流换热为主，当流体为空气时，在一定温度范围内，空气物性变化不大，对换热过程影响较小，对比图4可知，通风初期隔热与非隔热情况下，壁面温度变化与送风温度无明显关系，但受送风速度影响较大。通风速度越小，围岩侧壁面温度越高，通风前后壁面温差越小。以40-30-1.5与40-30-0.5为例，非隔热围岩前者温差为4.2 ℃，后者为3.5 ℃，而隔热围岩前者温差为2.5 ℃，后者为2.0 ℃，表明风流的热量越少温升幅度越小。当工况为壁温40 ℃，送风温度为30 ℃，入口风速0.5 m/s时，其壁面温差最小，隔热效果最好，比相同工况下未隔热围岩壁温温差减小了29%。

从图6可以看出，通风前3 min内，风流温度与围岩壁温相差较大，换热剧烈，风流温度急剧增加。随通风时间增加，二者温差减小，换热减缓，此时风流增温幅度减缓，直至出口风温几乎不再改变，换热达到稳定状态。添加隔热材料与非隔熱的巷道围岩相比，出口风温约降低50%。

2.1.2稳态换热风流温度变化

壁面温度及出口风温在通风开始后的15 min左右达到稳定值，此时换热速率极小，可视为稳态换热，巷道内风温变化如图7，图8所示。

从图7可看出，隔热围岩（有^*）条件下各影响因素的变化规律与非隔热围岩（无^*）类似，对工况为t_w0=36 ℃，t_f=24 ℃的非隔热围岩，计算得出当风速为0.3，0.5，1.0和1.5 m/s通过整个巷道的平均风流温度的变化率分别是1.6， 1.0， 0.6和0.4 ℃/m，风流温度均是沿巷道长度方向逐渐升高，且风速越大，风流升高幅度越小。根据热流量公式[21]，由于风流速度越大，通过整个巷道的时间越短，风流温度差就越小，风流带走的热量越少。而对隔热围岩，对应变化率仅为0.83，0.45，0.21，0.13 ℃/m。因此相同工况下，添加隔热材料后风温的增加幅度减小，硅橡胶/中空玻璃微珠隔热材料具有显著的降温效果。

从图8可看出，对比隔热与非隔热的围岩巷道，可以得出添加隔热材料后，巷道内气流温度随入口风温变化的趋势基本相似，送风温度越低，出口风温也越低。还可看出不同送风温度下风流沿长度方向的变化幅度不同，即初始送风温度越低，相邻两测点的温差越大，且进出口风流的温差越大，以初始风流温度24与30 ℃为例，非隔热围岩前者各段温差为0.4，0.2，0.3，0.2 ℃，后者为0.2，0.2，0.1，0.1 ℃，隔热围岩前者各段温差为0.2，0.1，0.1，0.1 ℃，后者为0.1，0.1，0，0.2 ℃，除隔热围岩1.8 m可能由于接近出口受到影响外基本符合规律。这是因为初始壁温相同时，送风温度越低，风流与巷道壁面之间的温差就越大，其两者间的换热强度越大，稳定阶段部分工况下风流的显热增加量见表3。

2.2围岩与风流对流换热系数

本次实验为干围岩状态，风流得热量仅用于风流显热的增加，对流换热系数h按式（2）计算[22]。对不同因素下围岩与风流的对流换热系数计算结果如图9～图11所示。

h=[mc_p·g（t_f2-t_f1）] /A（t_w0-t_f） （2）

式中h为对流换热系数，W/（m²·K）;m为空气质量流量，kg/s;c_p·g为干空气定压比热，1.005，kJ/（kg·℃）;t_f1，t_f2为进、出口风流温度，℃;A为换热面积，m²;t_w0，t_f分别为围岩壁面温度和风流平均温度，℃。

从图9可看出，t_w0=36 ℃，对于非隔热围岩（无^*）与隔热围岩（有^*），设置巷道初始壁温和送风温度不变，仅改变送风速度时，对流换热系数均随着送风速度的增大而增大。这是因为在一定的雷诺数范围内，速度是影响对流换热过程强弱的主要因素之一，且在该范围内，增加单位流速对换热过程的强度影响越大。以送风温度30 ℃为例，送风风速从0.3 m/s增加到1.5 m/s，在非隔热围岩工况下，对流换热系数增加了1.5 W/（m²·K），当添加了硅橡胶/中空玻璃微珠隔热材料后，对流换热系数仅增加了0.25 W/（m²·K）。0F35C7F4-A35E-4E22-814C-BFF24218DF16

从图10可看出，对于非隔热围岩（无^*）与隔热围岩（有^*），设置巷道初始壁温和送风速度不变，仅改变送风温度时，对流换热系数随着送风温度的增大均有增加趋势。但对比图9可知，对流换热系数随送风温度的变化趋势相对于随送风风速的变化趋势并不明显，这是由于在对流换热过程中，流体温度的变化会引起其物性的变化，也就是会使普朗特数Pr改变，从而对对流换热过程的强弱产生影响，但当风温变化不大时，空气物性的变化很小，对对流换热强度影响不大。

从图11可看出，对于非隔热围岩（无^*）与隔热围岩（有^*），当送风温度和送风速度相同时，对流换热系数随巷道初始壁温的增加有减小趋势，但减小幅度不大。

2.3隔热围岩对流换热系数相关因素及准则关联式上述分析结果为送风速度对换热过程影响较大，而送风温度和壁面温度对换热过程基本没有影响。为进一步验证该规律，且保证拟合的准确性[23-24]，利用SPSS统计软件对对流换热系数与送风速度、初始壁温、风流进出口平均温度的相关性进行分析，并采用Spearman分布检验，若检验结果p小于0.05，说明两者之间具有显著相关性。

添加硅橡胶/中空玻璃微珠隔热材料的对流换热系数与风速、初始壁温、风流进出口平均温度的相关性见表4。

从表4可以看出，对流换热系数与送风速度存在显著相关关系，而与初始壁温和平均温度的相关性不大。使用SPSS软件对雷诺数Re，平均温度对应的普朗特数Pr和努塞尔数Nu进行幂函数回归，得准则关联式为

Nu=1.544Re^0.237（3）

式中拟合优度R²=0.908，表示上述回归方程能够解释努塞尔数90.8%的信息，9.2%的信息需要其他因素进行解释。且对流方式为强制对流且流体为空气时，努塞尔数Nu仅与雷诺数Re有关。可将此次实验结果推广至实际矿井中换热过程的分析。

3结论

1）巷道壁添加硅橡胶/中空玻璃微珠复合隔热支护材料后，壁面温度变化规律与无隔热材料基本一致，但壁温降幅明显减小。壁面温差受送风温度影响较小，受送风速度影响显著。添加隔热材料后风流温度的增加幅度显著减小，硅橡胶/中空玻璃微珠隔热材料具有显著的降温效果。

2）隔热围岩与风流的对流换热系数，随送风温度的增加有增大趋势，随壁面温度的增大有降低趋势，但相对于随送风风速的变化趋势，对流换热系数随送风温度及初始壁温的变化幅度均较小，即受送风速度影响较大且为正相关关系。在添加硅橡胶/中空玻璃微珠隔热后，对流换热系数相比未隔热情况均有明显降低。

3）通过SPSS统计软件分析对流换热系数与送风速度有显著相关关系，与初始壁温、风流进出口平均温度相关性不大，其准则关联式为Nu=1.544Re^0.237。

参考文献（References）：

[1]何满潮，郭平业.深部岩石热力学及热控技术[M].北京：科学出版社，2017.

[2]WAN Z J，ZHANG Y，CHENG J Y，et al.Mine geothermal and heat hazard prevention and control in China[J].Disater Advances，2013，6（S5）：86-94.

[3]虎维岳.深部煤炭开采地质安全保障技术现状与研究方向[J].煤炭科学技术，2013，41（8）：1-5.HU WeiYue.Study orientation and present status of geological guarantee technologies to deep mine coal mining[J].Coal Science and Technology，2013，41（8）：1-5.

[4]ZHANG Q，ZHANG J X，WU Z Y，et al.Overview of solid backfilling technology based on coalwaste underground separation in China[J].Sustainability，2019，11：1-20.

[5]任森.防治矿井热害的人工制冷方案分析[J].西安科技大学学报，2011，31（6）：771-775.REN Sen.Analysis of the cooling systems for preventing mine heat hazards[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2011，31（6）：771-775.

[6]馮伟，朱方平，刘全义.三维仿真软件Ventsim在矿井热害控制中的应用[J].西安科技大学学报，2011，31（6）：776-779.FENG Wei，ZHU Fangping，LIU Quanyi.Application of 3D simulation software in mine thermal damage control[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2011，31（6）：776-779.

[7]张辛亥，周山林，拓龙龙，等.不同程度预氧化煤传热特性[J].西安科技大学学报，2019，39（5）：761-766.ZHANG Xinhai，ZHOU Shan1in，TUO Longlong，et al.Transfer characteristics of coal under different preoxidation degree[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2019，39（6）：776-779.0F35C7F4-A35E-4E22-814C-BFF24218DF16

[8]陈安国.矿井热害产生的原因、危害及防治措施[J].中国安全科学学报，2004，14（8）：3-6.CHEN Anguo.Formation and harmfulness of heat hazard in mine and its control measure[J].China Safety Science Journal，2004，14（8）：3-6.

[9]KAZMINA O V，TOKAREVA A Y，VERESHCHAGIN V I.Using quartzofeldspathic waste to obtain foamed glass material[J].Resourceefficient Technologies，2016，2（1）：23-29.

[10]李国富，夏永怀，李珠.深井巷道隔热降温技术的研究与应用[J].金属矿山，2010（9）：152-154.LI Guofu，XIA Yonghuai，LI Zhu.Research and application of insulating and cooling technology in deep mine roadway[J].Metal Mine，2010（9）：152-154.

[11]吕芳礼，李国富.巷道隔热与降温效果试验研究[J].山西建筑，2010，36（36）：245-247.LYU Fangli，LI Guofu.Experimental research on drift insulation and cooling effect[J].Shanxi Architecture，2010，36（36）：245-247.

[12]王杰，朱成坦，候曲，等.热害矿井蛭石砂浆隔热试验研究[J].煤矿安全，2014，45（9）：13-15.WANG Jie，ZHU Chengtan，HOU Qu，et al.Experimental study on heat insulation of vermiculite mortar in heat harmful mine[J].Safety in Coal Mines，2014，45（9）：13-15.

[13]SUVOROV S A，SKURIKHIN V V.Vermiculitea promising material for hightemperature heat insulators[J].Refractories and Industrial Ceramics，2003，44（3）：186-193.

[14]邹声华，李孔清，张登春，等.掘进巷道隔热分流排热降温技术的理论与实践研究[J].安全与环境学报，2016，16（2）：99-102.ZOU Shenghua，LI Kongqing，ZHANG Dengchun，et al.On the airpartition for cooling with the heatinsulated plate[J].Journal of Safety and Environment，2016，16（2）：99-102.

[15]庞建勇，姚韦靖.深井煤矿高温巷道新型隔热材料试验研究[J].矿业研究与开发，2016，36（2）：76-80.PANG Jianyong，YAO Weijing.Experimental research on a new thermal insulating material for hightemperature roadway in deep coal mine[J].Mining Research and Development，2016，36（2）：76-80.

[16]郭文兵，涂兴子，姚荣，等.深井煤矿巷道隔热材料研究[J].煤炭科学技术，2003，31（12）：23-27.GUO Wenbing，TU Xingzi，YAO Rong，et al.Research on isolation material for deep mine roadway[J].Coal Science and Technology，2003，31（12）：23-27.

[17]韩斐.矿井围岩传热相似模拟实验研究[D].西安：西安科技大学，2018.HAN Fei.Experimental study on similar simulation of heat transfer in surrounding rock of mine[D].Xian：Xian University of Science and Technology，2018.

[18]张树光，李永靖.裂隙岩体的流固耦合传热机理及其应用[M].沈阳：东北大学出版社，2013.

[19]陈柳，薛韩玲.高温矿井巷道风流对流换热相似实验研究[J].金属矿山，2017（7）：155-159.CHEN Liu，XUE Hanling.Similarity experimental study of the airflow convective heat transfer in high temperature roadway[J].Metal Mine，2017（7）：155-159.

[20]张源.高地温巷道围岩非稳态温度场及隔热降温机理研究[D].徐州：中国矿业大学，2013.ZHANG Yuan.Transient temperature field of surrounding rock of the high geothermal roadway and its heat control mechanism by heat insulation[D].Xuzhou：China University of Mining and Technology，2013.

[21]白國权，仇文革，张俊儒.高地温隧道隔热技术研究[J].铁道标准设计，2013（2）：77-80，84.BAI Guoquan，QIU Wenge，ZHANG Junru.Study on the thermal insulation technology of tunnel in high geotemperature region[J].Railway Standard Design，2013（2）：77-80，84.

[22]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，1998.

[23]刘立民，张进鹏.治理矿井热害的复合隔热材料及其应用[J].山东科技大学学报（自然科学版），2017，36（1）：46-53.LIU LImin，ZHANG Jinpeng.Thermal insulation composite material for governance of underground thermal hazard and its spplication[J].Journal of Shandong University of Science and Technology（Natural Science），2017，36（1）：46-53.

[24]庞建勇，姚韦靖.深井煤矿高温巷道新型隔热材料试验研究[J].矿业研究与开发，2016，36（2）：76-80.PANG Jianyong，YAO Weijing.Experimental research on a new thermal insulating material for hightemperature roadway in deep coal mine[J].Mining Research and Development，2016，36（2）：76-80.0F35C7F4-A35E-4E22-814C-BFF24218DF16