復合隔熱材料在治理礦井熱災害中的應用

黃康娜，李銀川，邢之林，段穎 （濟南城建集團有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，資源的消耗量日益增加。加快煤炭向深部開采的速度，隨之產生的高溫熱害問題更加突出。礦井熱害嚴重影響井下工人的身體健康和勞動安全以及礦井的生產效率和經濟效益。因此，如何改善礦井氣候條件、治理熱害已成為我國礦井生產亟待解決的問題[1-3]。

礦井熱害通常是指人在礦井時周圍的空氣環境溫度、空氣的相對濕度及焓值超過一定數值，打破了人體的熱平衡極值，通常會出現頭昏、心悸、全身無力等不同癥狀，或影響工人的活動能力及勞動效率，甚至導致更嚴重的安全事故。礦井熱害事故普遍存在于超過700m 深度的較深礦井中，工人在礦井高溫高濕的自然環境下從事較為繁重的體力勞動時，需要及時補充含礦物質的水分，否則易導致各種癥狀，包括不僅限于人體脫水、高熱虛脫、全身抽搐、發熱、呼吸衰竭、昏迷等，甚至出現重大安全事故[4-6]。

1 礦井概況

霄云礦井為魯西南煤炭基地金鄉煤田內的規劃礦井，位于山東省金鄉縣霄云寺鎮，距金鄉縣城約20km，行政區劃屬濟寧市金鄉縣管轄，是一個生產能力為90 萬t/年、服務年限為40.9 年的新型礦井。井田面積約為23.425km2，地勢趨于平坦，海拔標高落差不大，位于+35.83～+44.94m 之間，總趨勢為西高東低。礦區氣溫變化顯著，夏熱冬冷，屬于溫帶季風區大陸性氣候，年最高氣溫為41.9℃，最低氣溫為-18.5℃，年平均氣溫為14.0℃。

2 礦井地溫測定

對礦井進行原始地溫勘測，采集數據是判斷礦井熱害的重要依據，為礦井熱害治理與防治提供技術支持，對礦井熱害標準、熱源分析、礦井環境溫度測定以及對礦井熱害的原因及機理分析提供基礎理論，同時也是區分礦井熱害程度等級的基本參考依據[7-9]。

根據測定原理、實驗所用儀器以及實驗目的三項主因，原始地溫的測定方法可以劃分為三種，即礦井地面鉆孔進行測溫、井下深孔進行測溫、新掘進巷道進行淺孔測溫。對于霄云礦井來說，為了得到比較全面的礦井原始地溫區域測定資料，全面掌握礦井各個地層中詳細的煤層賦存現狀以及礦井所開采深度所有范圍內的巖層所處環境及自身溫度分布情況。采用地面鉆孔測溫的方法，但是這種方法鉆孔施工困難、測溫周期長、成本高。因此，為了得到較為準確的溫度數據，需在其測定結果分析的基礎上進行必要的修正。

3 巷道風流溫度場的數值模擬分析

由于巷道圍巖放熱是導致礦井出現熱害問題的主要因素，為了進一步有效地控制圍巖放熱、防止熱害對井下工人再次造成傷害，將復合材料應用于巷道圍巖，阻擋熱量傳遞速率。鑒于實際情況與時間原因，復合材料尚未實際應用于試點礦井，無法得到巷道采用復合材料后風流溫度場變化規律，不能驗證復合材料的隔熱效果。為此，可以通過數值模擬軟件，基于上一小節復合材料擬應用方案，建立與實際情況相吻合的數學物理模型，進行巷道風流溫度場模擬分析，對比巷道在是否采用復合材料兩種情況下的模擬結果，以此判斷復合材料的風溫控制效果以及其隔熱降溫效果。

3.1 建立模型

為了研究高溫礦井巷道圍巖與風流熱交換的溫度場分布規律，在理論上驗證膨脹珍珠巖隔熱結構體系在熱害防治上是否滿足巷道隔熱結構的要求，本節以霄云礦井為背景，從礦井的主要進風巷道中任意截取一段代表性巷道，采用ANSYS Fluent 軟件進行輔助，對巷道進行建模和數值分析，判斷巷道是否附有隔熱結構。

為了便于計算簡化模型，假定巷道所處的周圍巖層及自身隔熱結構的物理性質均為各向同性，巷道近似為半圓拱形狀，內徑3m，巷道凈空2m，巷道圓拱半徑為1.5m，航道的長度為100m，針對上述兩種情況，分別建立三維模型。

為了便于Fluent 模擬計算，不考慮外界及巷道內機電運輸設備對溫度場的影響，采用三面體作為控制體，對于巷道是否采用隔熱結構兩種情況三維模型的網格劃分如圖1 所示，圖1（a）為采用隔熱結構的巷道模型，圖1（b）為不采用隔熱結構的巷道模型。

圖1 三維模型的網格劃分

3.2 參數設置

假設巷道主要入口處的風流溫度初始值設定為25℃，風速設定為5m/s，風量給定為47.5m3/s。根據霄云礦井地質統計歷史資料可知：巖體的導熱系數為3.044W/（m·℃），密度為2580kg/m3，比熱容為976J/（m2·℃），圍巖的原始溫度≥45℃，取60℃；錨噴支護混凝土厚度為200mm，導熱系數為1.74W/（m·℃），密度為2400kg/m3，比熱容為2418J/（m2·℃）；巷道內風流與巷道壁面的對流系數為12.5W/（m2·℃）；隔熱材料結構層厚度取100mm，導熱系數為0.0816W/（m·℃），材料的干表觀密度為408kg/m3，材料比熱容為1250J/（m2·℃）。

3.3 不同深度溫度變化

按照設定的物理模型，劃分好單元網格，依據設置好的初始參數以及邊界條件，進入后處理并施加荷載，進行約為300 次迭代模擬運算后，結果基本收斂。假定的巷道是三維物理模型，長度為100m，選取巷道在z=20m、40m、60m、80m、100m 橫截面上的溫度云分布圖，具體模擬結果如圖2～圖6所示。

圖2 巷道溫度云圖

圖3 巷道溫度云圖（不含復合材料）

圖4 五個截面處溫度云圖

圖5 五個截面處溫度云圖（不含復合材料）

圖6 巷道截面平均溫度沿z軸變化曲線圖

3.4 模擬結果分析

圖2、圖3 為巷道整體模型，由圖可知，在巷道的入口處，風流會吸收少許熱量，對溫度影響不大，溫度增幅較小，隨著風流不斷流動；在巷道出口附近，風流明顯吸收了更多的熱量，其主要是圍巖釋放的熱量，此時溫度增幅有較大增長。同時可以得出，相較于采用隔熱結構，巷道采用無聲隔熱結構會使風流的溫度增幅更大。

從圖6 可以看出，巷道橫截面風流的平均溫度隨著巷道的長度有所升高。巷道是否附加復合材料隔熱層，并不影響風流溫度，無論巷道是否附加復合材料隔熱層，風流經過局部高溫巷道都會被逐漸加熱，只是溫度增加幅度不一樣。然后風流流向采掘工作面，進而會導致采掘面空氣溫度增高，使井下工作人員處于惡劣的熱環境之中。所以在巷道表面進行復合材料施工對于控制采掘面空氣溫度具有重要的現實意義。

可以得出，巷道采用附加復合材料隔熱層時，其風流在經過100m 的巷道后，溫度上升了10℃左右。這是因為在進行模擬時，設想巷道風流在更為惡劣的環境下，圍巖原始溫度取60℃，所以才致溫度上升10℃，主要是用來驗證復合材料的隔熱控制效果。而無隔熱材料時，在進風流溫度同為25℃的情況下，在沒有附加復合材料隔熱層的巷道中，風流經過溫度上升了15℃左右，相較于有附加復合材料隔熱層的巷道中風流上升溫度，兩者的差值為5℃左右。

一段風流經過長度僅為100m 的巷道，在圍巖原始溫度為60℃、初始溫度同為25℃時，巷道出口截面采用復合材料平均溫度為306.5167K，沒有采用復合材料為310.8881K。

4 結束語

本文針對開采條件下煤礦熱害的特點，提出了采用巷道隔熱材料對治理礦井熱害的思路和方法，并對無隔熱材料和存在隔熱材料的溫度變化進行了研究[10]。

巷道中是否附加復合材料隔熱層，對于巷道中風流的溫升有著極大的影響，繼而推斷出將復合材料應用到巷道中可以起到良好的隔熱效果。只有降低進入采掘面風流溫度，才能將采掘面空氣溫度控制在可接受范圍內[11]。

巷道復合隔熱材料的作用效果受到很多因素的影響，例如進風流的溫度、巷道圍巖溫度情況、巷道風量和風速大小、巷道掘進長度、巷道周圍的水文地質條件以及礦山壓力等多種因素的影響。

礦井熱害形成機理以及主要影響因素需要進一步深入研究。目前，國內外對于在微觀系統下礦井熱害的形成機理、各種熱源三相耦合傳熱方式等相關方面的研究涉及較少，應緊密結合理論試驗與現場實踐、分析事物的本質特征，為礦井熱害防治數學物理模型的建立、模擬求解及實際應用提出相應熱害治理技術措施。