礦山載/蓄冷功能性充填基礎理論

王 美，劉 浪，張 波，張小艷，郇 超，趙玉嬌，屠冰冰

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054; 2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054; 3.西安科技大學 理學院，陜西 西安 710054)

隨著淺部礦產資源經過長期大規模的開發后日漸枯竭，迫切需要對深部礦產資源進行開發與利用。目前，全世界千米金屬礦井已超過150座，最大采深達4 800 m，我國有32座千米礦山，且有一批即將開發的千萬噸級千米金屬礦山，金屬礦山將全面進入深度開采階段[1]。充填法采礦作為解決深部采空區塌陷和固體廢棄物排放的最佳途徑受到廣泛關注。如何賦予充填多重屬性，在完成礦產資源開采的同時，實現工作面降溫、熱能提取、地下空間利用等附加目標，對礦山轉型升級具有重要意義[2-3]。深井降溫是諸多附加目標中最為迫切的一個問題。隨著開采深度增加，圍巖溫度逐漸升高。我國平均地溫梯度為2.5～4.0 ℃/100 m[4]，據推算，開采1 000 m深處的礦產資源將面對45 ℃以上的巖體溫度，原巖散熱成為造成深井極熱環境的主因。高溫環境引發采掘工作面人員工作效率下降，事故頻發。據統計，當工作面溫度從16 ℃升高至32 ℃，礦工相對勞動效率下降55%，事故率上升68.1%[5]。高地溫還會引發巖體軟化，設備壽命縮短，礦物自燃等嚴重后果。為解決熱害問題，多數礦井采取了與地面空氣調節系統在本質上相同的降溫方法，然而也集中暴露出降溫效果不夠，設備和管線投資大，施工管理復雜，運行費用高等問題，據統計，熱害礦井的降溫系統用電量約占礦井開采總耗電量的25%[6]。深井降溫已成為制約深部資源開采的瓶頸問題。

礦井降溫通常采用空氣、水等材料作為載冷劑。增大礦井通風量以帶走井下余熱是歷史最悠久、應用最廣泛的一種礦井降溫方式，然而受工作面進風溫度、風速等條件的制約，其適用范圍有限，往往無法滿足深井降溫的降溫需求[7-8]。通過人工制冷或借助自然冷源的手段，制取低溫水送至采場空氣處理設備是最常見的大型礦井降溫方式。在礦井降溫低溫水的制取方面，蒸汽壓縮式制冷最為普遍[9-10]，吸收式制冷成本較高，一般在周圍有可利用的余熱的特殊條件下才被采用[9-11]，吸附式制冷需要有除濕再生設備，其耗能高且對井下空氣顆粒物濃度要求較高，目前還處于探索階段[12]。以水為載冷劑的礦井降溫系統發展成熟，目前研究多集中在如何提高運行經濟性，利用自然冷源[13-14]和轉移礦井熱并加以利用[15-16]是其中最為矚目的兩個方向。HEMS系統[13]從礦井涌出的低溫水中提取低品位冷能，利用制冷系統將其轉化為高品位冷能供井下空氣調節末端設備使用，Se-TES系統[14]利用季節溫差，夏天蓄熱、冬天蓄冷以滿足礦井冬夏供熱供冷需求，為礦井降溫系統節能最高可達80%;GRSM系統[15]利用熱泵將井下低品位熱能轉化成高品位熱能供井上生產與生活使用，同時實現了礦井降溫和熱提取利用，經濟效益顯著。以上研究在降低礦井降溫系統的運行費用方面有突出貢獻，但自然冷源具有地域局限性，埋管熱利用投資巨大僅適用于原巖溫度極高的情況。另外，以水作載冷劑在深井極端熱環境下降溫效果不理想，甚至出現降溫系統只實現了2～3 ℃降溫效果的情況[9]。

在傳統礦井降溫載冷劑不能滿足深井降溫需求的背景下，具有高載冷量的載冷劑開始被關注。相變材料在相變過程中能夠吸收大量潛熱，相較于水和空氣作載冷劑只發生顯熱交換，其換熱量可達數倍，甚至數十倍[17-18]。南非Harmony金礦首次采用片冰作載冷劑進行井下降溫，取得了明顯的降溫效果，但制取片冰需要的蒸發溫度低，制冷效率低，逐漸被冰漿所取代。南非Mponeng金礦是目前世界上最深的礦井，原巖溫度最高65 ℃，采用風力輸送將地面制好的冰漿送至工作面，降溫前工作面風溫為55 ℃，降溫后風溫為29.5 ℃，降溫效果明顯[19]。冰作載冷劑系統，獲得相同冷量所需的冰量僅為水冷系統水量的1/5～1/4，具有制冷效果好、輸運負荷小的優點。冰是礦井降溫工程中最為成熟的相變載冷材料，其他相變材料也有所研究。我國學者YUAN等[20]提出的LHTES系統用水合無機鹽應用于礦井避災硐室，并建立了數值計算模型，應用FLUENT軟件準確地模擬出了硐室模型內溫度96 h的變化規律。LHTES系統對安全可靠性要求高、短時間內需要大量冷量的特殊空間具有較好的適用性。在美國和澳大利亞，CO2也被用作相變載冷劑，但考慮到系統泄露會引發人員窒息傷亡，未在我國礦井使用[21]。其它相變材料，如以石蠟為代表的有機相變材料，熔融鹽為代表的無機相變材料，以及復合相變材料，在建筑、化工、食品加工等領域有所應用[22]，但受相變溫度范圍、安全、環保、經濟方面因素的限制，目前未見用于礦井降溫。綜上，相變材料是深井極端熱環境下降溫載冷劑的首選材料，基于礦井開采及其對冷量需求的特點，提出高效、環保、經濟、適合于深井開采的降溫方法具有重要意義。

1 載/蓄冷功能性充填降溫方法概述

1.1 方法提出

功能性充填是基于充填體實現井下降溫、采熱、儲庫等多種功能的新型充填采礦方法[2]。載/蓄冷功能性充填降溫方法的提出是針對采用充填采礦法的礦井，該類型礦井中，采場是降溫的主要對象，其空間位置隨著開采進度而變化。采用傳統降溫方法，降溫設備需要隨開采空間變化重新布置，工程施工、運行、管理復雜。傳統降溫方法中的載冷劑由專用輸送系統將其從制冷設備輸送至井下空氣冷卻器或分級熱交換設備，輸送管線長、泵送成本高，井下換熱環節多，能量效率低。面對這些傳統降溫的固有問題，逐個改善難以解決根本問題，從充填開采特點出發，創新降溫方法更具現實意義。充填開采中，采場與充填體空間位置隨開采進度同時變化，且始終相互毗鄰。利用這一特點，通過在充填材料中加入蓄存了冷量的相變物質，令充填料漿輸運系統將其送至井下，使其通過與采場間隔的隔板吸收采場熱量，即通過地面或壁面輻射供冷的方式就可以實現對采場降溫的功能[23]。用這種具有載冷、蓄冷功能的充填材料對采場進行降溫的方法稱之為載/蓄冷功能性充填降溫。

1.2 方法實施總體方案

載/蓄冷功能性充填降溫主要通過3個環節實現，即載/蓄冷充填料漿制備、輸運、降溫，最后再固化為充填體，其總體方案如圖1所示。

圖1 載/蓄冷功能性充填礦井降溫方案Fig.1 Scheme of cold load and storage functional backfill on mine cooling

(1)制備

載/蓄冷充填料漿的制備與傳統充填料漿有所不同，增加了載/蓄冷相變介質。載/蓄冷相變介質的冷量由制冷系統提供，以采用蒸汽壓縮原理制冷的設備為例，載/蓄冷相變介質生產系統包括了生產冷量的制冷劑循環部分，利用制冷劑循環部分生產出的冷量，來生產載/蓄冷相變介質的部分，以及將制冷系統排出的熱量釋放出去的冷卻水循環部分。載/蓄冷相變介質的選用應綜合考慮熱物性、化學穩定性，環保性、安全性等技術及經濟因素。根據引言部分的文獻分析，現有相變材料中，冰漿的經濟、環保性能最佳，因此先以冰漿作為載/蓄冷介質，其制備可由動態制冰漿機實現。將制備好的冰漿與尾砂、廢石、水泥和水按照一定配比混合成為載/蓄冷功能性充填料漿。在這一環節中，核心研究問題是載/蓄冷相變介質的選用與載/蓄冷充填料漿的配方設計和優化。

(2)輸運

載/蓄冷充填料漿制備好后，在充填泵的驅動力下，由料漿輸送系統將其送至井下充填區。與傳統料漿輸送系統不同，由于該系統輸送的是載/蓄冷充填料漿，系統同時完成了充填料漿和載冷相變介質的輸送任務，省去了專設的載冷相變介質輸送系統，從而降低了降溫設備初投資。因加入了冰漿，載/蓄冷充填料漿的流動及堵管特性與傳統充填統料漿不同，輸運過程中伴隨著冰粒子的磨損、破碎、團聚及Ostwald熟化的發生，增加了堵管的風險因素。管道輸送系統在長距離輸送過程中，會與周圍環境進行充分的換熱，為降低冰漿冷量的損失，管線應全程做好保溫。在這一環節中，核心研究問題是載/蓄冷充填料漿的管道輸送流變特性及堵管的防范。

(3)降溫

載/蓄冷充填料漿被送入充填區后，通過充填區與之相臨的采場的間壁，以輻射供冷的方式對采場進行降溫。從載/蓄冷充填料漿內部看，充填料漿與采場的溫度差驅動了傳熱的發生，冰漿粒子吸收熱量，融化為水，再參與水化反應，最終被消耗掉。與傳統礦井降溫不同，井下無需布置換熱器、空氣冷卻器等設備，不僅有利于大幅縮減降溫系統初投資，同時節省了冷量轉換過程中的損失，從而提高了系統效率，降低了運行費用。采場降溫的效果與載/蓄冷充填料漿釋放冷量的速度有關，從傳熱學的角度，冷量釋放速度與料漿自身熱物性及料漿的邊界條件有關。為保障冷量被采場有效吸收，應對充填體與其周圍礦體或巖石之間的邊界，以及采場與其周圍礦體或巖石之間的邊界進行保溫處理。在這一環節中，載/核心研究問題是載/蓄冷充填料漿的相變釋冷特性及與周圍環境的熱力耦合效應。

通過以上對載/蓄冷功能性充填降溫方法的介紹與分析，可總結出這種方法相較于傳統降溫方法具有4大優勢:① 無需鋪設傳統降溫系統中的載冷介質輸送管道，載冷介質被摻入充填材料中，由充填料漿輸送系統完成了料漿和載冷介質的混合輸送;② 無需布置井下空調末端裝置，利用充填區與采場間的地面或壁面，實現由充填體向采場區域的輻射供冷;③ 省去了傳統空調設備間的水-水換熱，或水-空氣換熱環節，總體能量效率提高;④ 營造出整體低溫環境，對于具有自燃性的礦床可以降低火災發生概率。因此，采用這種新型降溫方式將會大幅縮減礦井降溫工程的初投資與運行成本，降低施工管理工作量，經濟與安全效益顯著。

2 材料制備

2.1 載/蓄冷介質的選用

常見儲存冷量的方式有顯熱儲存、潛熱儲存、熱化學儲存3種方式，其中顯熱儲存儲能效率低，熱化學儲存雖儲能效率高但卻鮮有研究，潛熱儲存儲能效率高且研究、應用廣泛[24]。以相變材料作為載體，實現冷量在井上以潛冷形式為主進行蓄存，被運至井下充填區域后釋放掉冷量，即可達到井下降溫的目的。相變材料作為高密度載冷介質，最適合作為載/蓄冷介質。從相態變化的角度，氣-固、液-固、氣-液相變物質理論上均可作為載/蓄冷介質。以CO2為代表的氣-固相變降溫材料在國外有應用，但因其會引起人員窒息，不宜在井下等人員工作場合使用;以蒸汽為代表的氣-液相變物質雖然儲能效率高但一般用于儲存熱能。非封裝的氣-固和氣-液相變物質在相變過程中會改變其所在空間的氣體成分，從而限制了其適用范圍。相較而言，液-固相變物質最適合作為潛冷儲存介質，并已在各個領域有廣泛的引用。液-固相變儲能介質分為無機物、有機物和復合材料，各種材料分類及特征如圖2所示。通過對各類液-固相變儲能材料的分析，H2O以其在導熱特性、相變溫度、潛熱量、經濟、環保等方面的優勢，最適合作為載/蓄冷介質被摻入到充填料漿之中。

2.2 載/蓄冷充填料漿的配方優化

充填料漿配方直接影響其特性，常規充填料漿的配方設計以料漿的流動特性和充填體的強度特性作為設計主要約束條件。摻入了相變材料的功能性充填料漿流動特性和充填體強度特性都與傳統料漿不相同，研究相變材料占比對流動特性和強度特性的影響規律具有工程意義。除常規的流動、強度特性外，載/蓄冷充填料漿配方優化要考慮的另一個約束條件是傳熱特性。作為具有降溫功能的充填材料，其自身的傳熱特性，如導熱特性、相變特性及其與周圍環境的熱耦合作用都會影響到他的降溫效果。對傳熱特性的研究是載/蓄冷充填料漿配方優化需要重點考慮的約束條件。因而，載/蓄冷充填料漿的配方設計與優化是以充填體的傳熱特性，料漿的流動特性，強度特性為三大約束條件。

圖2 液-固相變儲能介質分類與特征Fig.2 Classification and characteristics of liquid-solid phase change energy storage medium

料漿配方設計與優化的方法可依照傳統方法展開，如采用正交試驗設計、均勻試驗設計、配方試驗設計等方法。其中，正交試驗設計和分析方法是一種高效處理多因素問題優化的方法，是目前最常用的工藝優化試驗設計和分析方法[32]。采用該方法通過開展料漿坍落度試驗、沉降試驗、自流試驗、環管實驗，充填體傳熱試驗、強度試驗，并結合理論分析與數值模擬，分析尾砂、廢石、水泥、相變材料含量對3種約束條件的影響規律，從而尋求最優化的配方。

3 充填體相變降溫特性

載/蓄冷充填體的相變降溫特性取決于材料本身和周圍環境因素。環境因素與開采模式相關，以采用上向式充填采礦法的工程為例，某一層礦產開采完畢后，被充注載/蓄冷相變充填料漿，這一充填區域與其上部采場區共同構成一個充填降溫單元，如圖1所示。充填區內部的相變材料通過吸收上層采場區域和周圍礦體或圍巖的熱量產生相變，從而實現對采場區的降溫。為減少充填體從周圍礦體或圍巖吸收熱量，提高冷量使用效率，可在除充填體與采場間的邊界以外的其他邊界上設置保溫層。

載/蓄冷充填材料自身的相變傳熱特性是影響其降溫特性的核心，掌握其傳熱機理與規律有助于指導工程應用[33]。載/蓄冷充填材料由相變材料、廢石、尾砂、水泥、水等組成，其相變傳熱機理復雜。內部的相變材料吸收相變潛熱從而實現對環境降溫，同時，水和水泥等材料發生水化反應放出化學反應熱可作為內部熱源考慮。在液固相變傳熱問題的研究中，常見兩種方法:界面追蹤法模型和焓法模型。界面追蹤法模型假設冰與水之間存在明顯的邊界，申艷軍[34]為研究凍融問題，建立了巖石中冰水兩相區的傳熱模型，模擬得到了凍融循環中的溫度變化曲線。這種方法的難點在于需要對兩相區域分別列出控制方程，在計算中逐步追蹤兩相界面。對于液-固熔融問題，在液相區和固相區之間還存在粥狀區，即融化具有一定的溫度界限，界面追蹤法較難解決這一問題，液-固熔融問題的計算應用更為普遍的方法是焓法模型。該方法在能量控制方程中除溫度參數外還加入了焓，將3個區內的傳熱過程統一到1個控制方程中，可以簡化傳熱過程的求解[35]。

3.1 載/蓄冷充填材料傳熱模型

對于三維盒體空間內的載/蓄冷充填材料，如圖3所示，其上、下有蓋板、底板，按定壁溫導熱邊界處理，環境溫度為Tair，蓋板、底板導熱系數為λ1和λ2，厚度為δ1和δ2，4個側壁面外側為環境空氣，按自然對流邊界處理，對流傳熱系數為hnc。

圖3 物理模型Fig.3 Physical model

針對盒體內的載/蓄冷充填材料物理模型，假設:① 充填材料濃度高，忽略液態水的自然對流;② 材料物理特性具有各向同性特征;③ 忽略孔隙內滲流的影響。根據以上假設，載/蓄冷充填材料的傳熱過程是一種具有內熱源的多孔介質的非穩態傳熱過程，內熱源來自于水化反應放熱，多孔介質結構是以尾砂為骨架結構，冰與水被看作為充斥于尾砂之間的流體。根據體積平均理論，能量守恒方程為

(1)

λeff=ε[γλl+(1-γ)λs]+(1-ε)λsk

(2)

式中，下標l為液相;s為固相;sk為尾砂等固體骨架部分;下角eff為有效;λeff為根據體積平均理論計算的載/蓄冷充填材料的有效導熱系數。

由于相變材料的融化有一定的溫度范圍，在粥狀區的液相率與溫度具有以下關系[36]:

(3)

(4)

3.2 載/蓄冷充填材料傳熱特性實驗

實驗中采用尾砂、水泥、冰和水作為實驗材料，其體積分數依次為55%，5%，17%，23%，各材料的密度和導熱系數見表1。計算出質量濃度為72%，水泥與尾砂比例為1∶6。冰漿初始液相率為58%，冰粒直徑為2 mm，初始溫度為0 ℃。將充填料漿混合均勻后，灌入邊長為150 mm的立方體容器中，并將誤差為±0.5 ℃的熱電偶按照圖4測點位置布置在充填材料之中。通過NI公司的數據采集系統對各測點溫度進行采集，實驗及采集系統如圖5所示。實驗的環境空氣參數分別為22.3 ℃和0.2 m/s。

表1 載/蓄冷功能充填料漿物理參數
Table 1 Physical parameters of cold load and storage functional backfill slurry materials

材料密度/(kg·m-3)導熱系數/(W·(m·K)-1)尾砂1 5663.20水泥2 8000.60冰9172.22水1 0000.57

圖4 實驗測點分布Fig.4 Distribution of test point

圖5 實驗裝置Fig.5 Experimental facility

3.3 模型驗證與結果討論

將實驗中置于載/蓄冷充填料漿內的19個溫度測點的平均值與數值計算結果進行對比，以驗證模型的正確性。釋冷過程以平均溫度達到室溫作為釋冷結束的判斷依據，如圖6所示，實驗與數值計算對釋冷時長的計算結果一致。在整個釋冷過程中，從平均溫度上升趨勢體現出了計算和實驗結果的一致性。同時，對單個測點也進行了逐一驗證，實驗與計算的最大偏差出現在測點1(t=3 h)處，數值計算與實驗的偏差為10.06%。因此，多孔介質-焓法-水化熱復合數值計算模型能夠較好地計算載/蓄冷充填材料的相變傳熱過程，該方法可以被利用于進一步的釋冷規律特性研究。

圖6 數值計算與實驗結果對比Fig.6 Comparison of numerical simulation and experim- ental results

載/蓄冷充填料漿中起降溫作用的是相變材料，即冰漿，冰漿含量直接影響總冷量和相變釋冷過程特征。在上文實驗條件下，初始液相率γ0由58%調整至16%，37%和79%，進行計算并比較，如圖7所示，隨著初始液相率增加，總冷量減小，在邊界換熱條件不變的情況下，融化過程加速;整個融化過程的時長隨初始液相率變化呈現出非線性特征，γ0由79%降至16%，每降低21%時長依次減少37.5%，27.3%和21.4%，即初始液相率越低，相變速度越快;融化過程均顯現出3階段特征，在初始階段傳熱以相變方式為主，融化速度較快，中期融化速度較慢，后期由于整體溫度上升，核心含冰區域減小，融化速度再加快。

圖7 初始液相率γ0對相變過程的影響Fig.7 Influence of initial liquid ratio γ0 on phase change process

圖8 井下二維載/蓄冷充填區及周圍環境物理模型Fig.8 2-D physical model of cold load and storage backfill and surroundings in mine

應用以上經過驗證的數值計算模型對考慮井下實際熱環境的問題展開數值計算研究。設定環境圍巖和礦體溫度為40 ℃，采場風流速度為0.5 m/s，計算二維充填區域內的相變釋冷傳熱過程，計算區域如圖8所示。考慮到盡量保證載/蓄冷充填料漿具有較高的冷量利用效率，在充填區域與周圍非采場相接的邊界上設置保溫隔板;考慮到傳熱熱阻隨上邊界融化升溫而逐漸增加，為保證釋冷效率，采取了1/2充填法，即在采空區下半部充填傳統料漿，上半部充填載/蓄冷功能性料漿。以載/蓄冷功能性充填區作為數值計算區域(20 m×1.5 m)，對井下釋冷規律進行探索。

選取質量濃度為72.8%，初始液相率為54%的載/蓄冷充填料漿，計算出該區域內溫度和液相率分布隨時間變化的趨勢，如圖9所示。相變材料完全融化時間為20 d，隨著冷量的釋放，冷卻核心區域逐漸下移，向采場傳熱的熱阻增大，導致冷量釋放速率逐漸減緩。采場下表面平均溫度維持在25 ℃以下的時間為22 d，在這一階段內能夠滿足采場的降溫需求。因而，可以根據采場開采周期設計載/蓄冷充填料漿配方，以滿足整個開采周期內采場的降溫需求。

圖9 井下載/蓄冷充填體溫度與液相率分布Fig.9 Distributions of temperature and liquid ratio of cold load and storage backfill in mine

井下環境中初始液相率直接影響含冰量及融化過程。對初始液相率取78%，54%和29%，料漿質量濃度均為72.8%配比的料漿進行數值計算，得出3種液相率下的融化過程特征，如圖10所示。從圖10可以看出，隨著初始液相率的降低，含冰量提高，液相率增長時間增長，即融化時間增長，同時采場與載/蓄冷充填料漿之間的輻射表面維持低溫的時間顯著增加，初始液相率由78%降至54%和29%，表面維持在25 ℃以下的時間分別增長了36.2%和53.1%，完全融化的時間分別增長了38.1%和55.2%，從而能夠通過控制初始液相率來調整降溫時間。

除了初始液相率外，料漿質量濃度會影響冰水總量，進而影響含冰量和總冷量。對料漿質量濃度取66.1%，72.8%和78.5%，初始液相率均為54%配比的料漿進行數值計算，得出3種料漿質量濃度下的融化過程特征，如圖11所示。隨著料漿質量濃度的降低，冰水總量增加，含冰量增加，融化時間增長，同時采場與載/蓄冷充填料漿之間的輻射表面維持低溫的時間小幅增加，料漿質量濃度由78.5%降至72.8%和66.1%，表面維持在25 ℃以下的時間分別增長了8.7%和16.3%，完全融化的時間分別增長了14.3%和25%。

圖10 初始液相率γ0對融化過程的影響Fig.10 Influence of initial liquid ratio γ0 on melting process

圖11 料漿質量濃度C對融化過程的影響Fig.11 Influence of mass concentration C on melting process

在井下環境中開展初始液相率和料漿質量濃度對傳熱降溫的影響特性研究有助于指導工程實踐中料漿配比的設計。通過研究發現，在實際可采用的配方范圍內，初始液相率有較大的調整空間，該參數對冷量及降溫時長影響程度顯著，料漿質量濃度的影響則相對較弱。

4 充填料漿輸運特性

充填料漿管內輸運特性是工程設計階段中料漿輸運管道設計、充填泵選型的基礎，也是工程運行階段中料漿流量調整的重要依據，因此該特性作為充填采礦中的一個重要方面已經開展了眾多的研究。對于新型載/蓄冷充填料漿，其配方不同于常規料漿，對其輸運特性的研究具有理論與工程意義。本研究中的載/蓄冷充填料漿具有高濃度特征，因而該類型料漿具有流變力學性質，通過研究其流變特性，進而掌握其輸運過程中的阻力損失特征，為充填采礦工程的設計與運行提供基礎研究支撐。

4.1 載/蓄冷充填料漿流動模型

分析已有相關高濃度充填料漿流變特性研究[39-40]，賓漢模型廣泛應用于研究非牛頓流體，尤其是高濃度充填料漿。賓漢模型用于管道流動的摩擦阻力計算可表示為式(5)[41]。為得出管壁剪切應力，可以對不同配方的料漿的屈服應力和塑性黏性系數進行實驗測試。

(5)

4.2 載/蓄冷充填料漿流變特性

實驗中所采用銅礦尾砂，其主要化學成分為SiO2(58.7%)，Al2O3(14.8%)，CaO(6.30%)和Fe(6.18%)，粒徑小于20 μm的尾砂占比為16%;冰粒粒徑為2～4 mm;膠凝劑采用P.O42.5型水泥;水采用自來水。將以上4種成分按照10種配方進行制備，即2種質量濃度(C=72%，74%)下分別采用5種比例的初始液相率(γ0=0，45.5%，52.6%，62.5%，78%)，配備出含冰量不同、質量濃度不同的載/蓄冷充填料漿，對每一份料漿采用上述實驗方式開展實驗，最終獲得含冰量與料漿質量濃度對屈服應力和塑性黏性系數的影響規律。

圖12表明隨著初始液相率的減小，即含冰量的增大，塑性黏性系數增加。不同料漿質量濃度對塑性黏性系數的影響較小。圖13表明隨著初始液相率的減小，即含冰量的增大，屈服應力有明顯增大的趨勢;隨著料漿質量濃度的增加屈服應力增加。綜合來看，固體份額的增大會導致料漿屈服應力增加，因而載/蓄冷充填料漿在泵送特性上會比常規料漿耗能有所增加。但從工程整體角度，充填與降溫系統整合為了共用一個輸配系統，其綜合經濟效益則更為突出。

圖12 初始液相率γ0和料漿質量濃度C對塑性黏 性系數的影響Fig.12 Effects of initial liquid ratio γ0 and slurry concentration C on viscosity coefficient

圖13 初始液相率γ0和料漿質量濃度C對屈服應力的影響Fig.13 Effects of initial liquid ratio γ0 and slurry concentration C on initial shear stress

5 充填體力學強度特性

充填料漿在采空區固結為充填體后，起著支撐圍巖與礦體的作用，其強度特性受到了廣泛關注[43-44]。對于常規充填體，影響充填體強度的因素包括充填濃度，膠結材料特性，尾礦的化學組分和級配，養護齡期和時間等，有關這些因素對充填體強度的影響規律目前已開展了大量的研究。然而，載/蓄冷充填料漿作為一種新型降溫功能性料漿，其組成成份中含有冰粒，冰是否會弱化充填體強度，冰粒含量對充填體強度的影響規律如何，這些問題目前鮮有研究。曾有學者研究了低溫下混凝土和廢石的強度，對本研究具有一定的借鑒意義。劉超等[45]通過試驗對寒冷地區某金礦固井廢石強度進行了研究。結果表明，固化溫度對強度有明顯的影響。隨著養護溫度的升高，強度增大，特別是在養護早期。SUZUKI等[46]提出了一種用一部分碎冰代替水制混凝土的方法，通過控制冰的比例，加冰混凝土強度可以提升至普通混凝土的兩倍。

為了掌握含冰量對載/蓄冷充填體的影響規律，設計了不同初始液相率的含冰料漿，其中尾砂的成份，冰、水泥材料與上文中相同，質量濃度設定為76%，初始液相率分別設定為38.5%，41.7%，45.5%，50%，100%，對這5組不同初始液相率的料漿開展了強度特性研究。將配比好的料漿分別裝入直徑50 mm，高100 mm的標準實驗試模中，放進養護箱中進行不同期限(7，14，28，56，90 d)的養護，養護箱內溫度設定為(21±1)℃,濕度設定為90%。在養護后，開展單軸壓縮實驗對所有樣品進行了強度測試，25組不同初始液相濃度、不同養護天數的試件的強度測試結果如圖14所示。

圖14 初始液相率γ0和養護時間對單軸抗壓強度的影響Fig.14 Effects of initial liquid ratio and curing time on uniaxial compressive strength

從初步的力學強度實驗結果可以看出，加冰粒的充填料漿固結后的強度在一定比例下有所增加。從孔隙角度考慮，一般認為加冰越多會導致充填體孔隙增加，或者低溫會限制水化反應的進行，從而降低充填體強度[47]，從圖14中初始液相率在45.5%以下的趨勢中可以體現出這一點，即含冰量高于某一值后具有強度隨含冰量增加而減小的特征。然而實驗中初始液相率在45.5%以上的趨勢中卻顯示出隨著含冰量增加，即初始液相率降低，強度逐漸增強的特征。出現這種現象的原因可推測為一是降低初始液相率即增加含冰量，對充填體內部自由水的擴散起到了抑制作用，冰逐漸融化為水后再參與水化反應，能夠促使水化反應過程中始終保證有充足的水量，從而提高了水化反應程度;二是初期冰的存在降低了水的揮發速度，延長了水在充填體中保持的時間，減少了自干燥，利于保證足夠的水參與水化，加強水化反應。雖然在養護初期水化反應受到抑制，但低溫維持的時間相對短暫，這種抑制作用的影響并不占主導。綜合以上分析，在不同的初始液相率區間內，有不同的影響因素占優，因而表現出了隨初始液相率的增加，強度先增加后降低的趨勢，在本研究的范圍內，初始液相率為45.5%的料漿的充填體抗壓強度最高。

6 結 論

(1)結合深井降溫需求與充填采礦特點，提出了載/蓄冷功能性充填降溫方法;介紹了該方法的總體實施方案，主要包括材料制備、充填料漿輸運、充填體相變降溫、充填體固結強化4個階段;分析了該方法較之傳統降溫方法的優勢，發現這種新型充填降溫方法能夠大幅降低礦井降溫工程的初投資與運行成本，經濟與安全效益顯著。

(2)通過分析常用相變材料特征，綜合考慮導熱特性、相變溫度、潛熱量、經濟、環保等方面因素，選取了冰作為載/蓄冷充填料漿中的相變材料;對材料配方優化需開展的研究進行了分析，提出了優化應以料漿的流動特性，充填體的傳熱特性，充填體的力學強度特性為三大約束條件。

(3)針對載/蓄冷功能性充填核心的相變降溫問題，采取了建立模型、實驗驗證、工程計算分析的研究路線，研究表明影響相變降溫的關鍵參數是初始液相率和料漿質量濃度，隨著這兩參數的降低，料漿冷量增加，降溫時長增加;料漿質量濃度可變化范圍較小，其對降溫的影響程度小于初始液相率。

(4)采用賓漢模型以及實驗測試出的屈服應力與塑性黏性系數，可以預測出工程實際中的管道輸運剪切應力特性;實驗研究表明隨著初始液相率的減小，屈服應力和塑性黏性系數均有明顯增加的趨勢;料漿質量濃度的增加會促使屈服應力增加，對塑性黏性系數無明顯影響。

(5)通過初步的力學強度實驗，加冰粒的充填料漿固結后的強度隨初始液相率的降低出現了先增加后降低的趨勢，實驗范圍內初始液相率為45.5%的料漿強度最高。