礦區長下坡路段融雪化冰技術及應用

盧國菊 趙國飛 于麗雅 馮驍

【摘 要】 冬季或者寒冷地區的長下坡路段積雪、結冰嚴重影響著礦區煤炭的運輸，礦區運輸道路的融雪化冰已成為煤炭運輸領域亟待解決的問題。本文研究了一種無副作用的碳纖維發熱電纜主動融雪化冰技術，對碳纖維發熱電纜的性質、選型、鋪設方式和安裝方式等方面進行了詳細分析，并進行了現場應用。結果表明：1）碳纖維發熱電纜是集耐壓抗折能力強、絕緣性好、安全性高、使用壽命長為一身的高性能材料;2）60K碳纖維發熱電纜性價比是最高的;3）碳纖維發熱電纜選用垂直鋪裝方式和嵌入式安裝方式，大大地提高了安全性。4）對臺東山礦區長下坡路段進行碳纖維發熱電纜鋪設，通電一段時間，路面積雪融化。此技術確實可以解決礦區長下坡路段積雪、結冰問題，為國家煤炭資源正常生產運輸提供了一定的安全保證。

【關鍵詞】 礦區;長下坡路段;融雪化冰;融雪劑;碳纖維發熱電纜

【中圖分類號】 TD58 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）06-0024-03

2019年全國的煤炭產量高達38.5億噸。然而礦區煤炭運輸過程中的山區道路基本上都是上下起伏的不平整路段。在冬季或者寒冷地區，積雪結冰會使得公路上摩擦系數變小，附著力變小，礦車出現打滑、轉向的情況。近年來，國內外學者對道路的融雪化冰問題進行了大量的研究，總的來說將融雪化冰方法分為主動法和被動法兩種，其中被動法包括人工清除、機械清除和融雪劑，主動融雪法有熱力融雪、抗凝冰改性瀝青和表面涂層技術等，但是目前還沒有專門針對礦區道路融雪化冰的研究。

針對此問題，本文提出一套完整的處理礦區山路混凝土路面融雪化冰的方案，以期解決冬季或者寒冷地區的礦區長下坡路段積雪、結冰問題。

1 礦區長下坡路段新型融雪化冰技術

對于礦區山路長下坡路段來說，結冰現象存在的時間較長，如果頻繁使用融雪劑，會對道路結構造成破壞，而且會對附近的土壤、植被等生態環境造成污染，所以必須選擇一種長效無副作用的新型融雪化冰方法。本文采用的是碳纖維發熱電纜主動融雪化冰技術，主要原理是將碳纖維發熱電纜預先埋藏在混凝土路面的中面層，一旦接通電源，利用電能轉化為熱能，就可以實現融雪化冰的效果。

1.1 碳纖維發熱電纜類型優選

碳纖維絲是一種新型的高性能材料，具有高強度、耐磨、抗腐蝕、耐高溫、導電和導熱的諸多優異性能，而由碳纖維絲為主體做成的碳纖維發熱電纜，更是集耐壓抗折能力強、絕緣性好、安全性高、使用壽命長為一身，能完全符合要求。

常用的碳纖維發熱電纜有12K、24K、36K、48K、60K、72K六種，通過對比不同的碳纖維發熱電纜最后選用60K碳纖維發熱電纜，鋪裝間距設定為11m。如圖1到圖3所示，60K碳纖維發熱電纜接通電源10min左右，電纜表面的溫度就能達到130℃，完全滿足融雪的溫度要求，斷電10min左右，電纜的表面溫度就能恢復到環境溫度，而48K電纜接通電源后，電纜表面溫度不到100℃，不能很好地滿足融雪的要求，而對于72K電纜雖然表面溫度達到了融雪的要求，但相對于60K電纜來說，溫度優勢不明顯，造價反而更高，工藝要求也更高，所以60K碳纖維發熱電纜是性價比最高的。

1.2 碳纖維發熱電纜鋪裝工藝

合理的碳纖維發熱電纜鋪設工藝能更好地契合于混凝土路面的施工，不僅可以融雪化冰，解決礦車在長下坡路段的運輸安全問題，還能在一定程度上提高混凝土路面的強度，取得較好的效果，下面主要從碳纖維發熱電纜的鋪裝方式和安裝方式兩方面對研究內容進行分析。

1.2.1 碳纖維發熱電纜鋪裝方式

為了實現對碳纖維發熱電纜更規范化的管理，通常情況下如圖4所示，可以將五根碳纖維發熱電纜通過K字接頭相連，然后并聯在一根冷線上，作為一組一個整體進行統一管理。

碳纖維發熱電纜的鋪裝方式，按照其方向與行車方向的關系，可以分為垂直鋪裝和平行鋪裝。如果采用平行鋪裝，那么碳纖維發熱電纜的方向和行車方向一致，這時候K線接頭和冷線就會被鋪裝在行車道上，但是K線接頭和冷線沒有碳纖維發熱電纜那么大的強度，一旦經過車輛的反復碾壓，就會有漏電的安全隱患，所以我們一般選用垂直鋪裝方式，也就是說碳纖維發熱電纜的方向垂直于行車方向，這樣K字接頭和冷線就可以布置在行車道側邊的區域，安全性大大提高了。

1.2.2 碳纖維發熱電纜安裝方式

如果將碳纖維發熱電纜直接安裝在混凝土路面的中面層表面上，那么后期在進行上面層瀝青鋪設的時候，攤鋪機的履帶上會黏粘有大量的瀝青，當攤鋪機駛過碳纖維發熱電纜鋪裝區域時，會黏粘起部分或大量的碳纖維發熱電纜的外包覆層，從而增加了碳纖維發熱電纜漏電的風險，為了避免這種情況的發生，最后選擇了嵌入式安裝方式，也就是利用切縫機在路面刻槽，將碳纖維發熱電纜安裝在中面層所刻的槽里，這樣就不會對混凝土路面的強度造成任何影響。

1.3 碳纖維發熱電纜施工工藝

選擇礦區的一段長下坡路段進行碳纖維發熱電纜的鋪設試驗，具體施工工藝如下：

1.3.1畫線

按照施工圖紙，畫出行車道邊緣線和單組模塊的邊緣線，然后以此為基準在各個模塊范圍內畫出II類槽邊緣線，用于安裝K字接頭。在II類槽邊緣線的基礎之上畫線到路緣磚的位置，確定安裝冷線接頭的III類槽的位置。

1.3.2刻槽

按照施工圖紙，在各個單組模塊的區域內，用切縫機刻出I類槽，用于安裝碳纖維發熱電纜，如圖5所示。沿著畫好的II類、III類槽邊緣線刻出II類、III類槽。

1.3.3打孔

碳纖維發熱電纜的冷線接頭需與外界的電源連接，所以需要在混凝土路面上打孔鉆出電纜，一般打孔位置選擇在兩組電纜的交接處，讓兩組電纜共用一個孔，可以節省成本。

1.3.4布線

將碳纖維發熱電纜鋪設在刻好的槽內，整個過程必須小心謹慎，防止將碳纖維發熱電纜的外包覆層破壞，同時不得將碳纖維發熱電纜露出中面層;確認無誤后，再將碳纖維發熱電纜加熱直至變軟。

1.3.5上面層的攤鋪和壓實

碳纖維發熱電纜安裝完成之后，先將路面上的雜物清理，再進行后續上面層瀝青的攤鋪和壓實。

2 礦區長下坡路段新型融雪化冰技術的應用

以臺東山礦區長下坡路段為實際工程背景，該連續下坡路段全長為2.3km，沿途有3個大轉彎，路基寬度為9m，連續大縱坡路段平均縱坡值為5%。

以新型融雪化冰技術為基礎，對該長下坡路段進行碳纖維發熱電纜的安裝。上面層混凝土鋪設完備，在路面上有少量積雪的條件下，接通電源，觀察礦區山路長下坡路段混凝土路面的融雪情況。

從試驗結果可以看出，碳纖維發熱電纜的主動融雪技術是有效的，基本上通電30min就可以把長下坡路段混凝土路面上的積雪消除掉。

3 結論

選用60K的碳纖維發熱電纜，在通電5-10min左右，碳纖維發熱電纜表面的溫度就會達到峰值130℃，完全可以滿足融雪化冰的要求，而且性價比是最高的。

碳纖維發熱電纜采用垂直鋪裝方式和嵌入式安裝方式，可以大大降低漏電的風險，提高系統的安全性。

以臺東山礦區長下坡路段為實際工程背景，對該長下坡路段進行碳纖維發熱電纜的鋪設，當路面上有少量積雪的情況下，接通電源即可實現融雪，說明碳纖維發熱電纜對長下坡路面的融雪、化冰是非常有效果的，從而大大提高了礦區運輸的安全性。

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