复合隔热材料在治理矿井热灾害中的应用

黄康娜，李银川，邢之林，段颖 （济南城建集团有限公司，山东 济南 250000）

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，资源的消耗量日益增加。加快煤炭向深部开采的速度，随之产生的高温热害问题更加突出。矿井热害严重影响井下工人的身体健康和劳动安全以及矿井的生产效率和经济效益。因此，如何改善矿井气候条件、治理热害已成为我国矿井生产亟待解决的问题[1-3]。

矿井热害通常是指人在矿井时周围的空气环境温度、空气的相对湿度及焓值超过一定数值，打破了人体的热平衡极值，通常会出现头昏、心悸、全身无力等不同症状，或影响工人的活动能力及劳动效率，甚至导致更严重的安全事故。矿井热害事故普遍存在于超过700m 深度的较深矿井中，工人在矿井高温高湿的自然环境下从事较为繁重的体力劳动时，需要及时补充含矿物质的水分，否则易导致各种症状，包括不仅限于人体脱水、高热虚脱、全身抽搐、发热、呼吸衰竭、昏迷等，甚至出现重大安全事故[4-6]。

霄云矿井为鲁西南煤炭基地金乡煤田内的规划矿井，位于山东省金乡县霄云寺镇，距金乡县城约20km，行政区划属济宁市金乡县管辖，是一个生产能力为90 万t/年、服务年限为40.9 年的新型矿井。井田面积约为23.425km2，地势趋于平坦，海拔标高落差不大，位于+35.83～+44.94m 之间，总趋势为西高东低。矿区气温变化显著，夏热冬冷，属于温带季风区大陆性气候，年最高气温为41.9℃，最低气温为-18.5℃，年平均气温为14.0℃。

对矿井进行原始地温勘测，采集数据是判断矿井热害的重要依据，为矿井热害治理与防治提供技术支持，对矿井热害标准、热源分析、矿井环境温度测定以及对矿井热害的原因及机理分析提供基础理论，同时也是区分矿井热害程度等级的基本参考依据[7-9]。

根据测定原理、实验所用仪器以及实验目的三项主因，原始地温的测定方法可以划分为三种，即矿井地面钻孔进行测温、井下深孔进行测温、新掘进巷道进行浅孔测温。对于霄云矿井来说，为了得到比较全面的矿井原始地温区域测定资料，全面掌握矿井各个地层中详细的煤层赋存现状以及矿井所开采深度所有范围内的岩层所处环境及自身温度分布情况。采用地面钻孔测温的方法，但是这种方法钻孔施工困难、测温周期长、成本高。因此，为了得到较为准确的温度数据，需在其测定结果分析的基础上进行必要的修正。

由于巷道围岩放热是导致矿井出现热害问题的主要因素，为了进一步有效地控制围岩放热、防止热害对井下工人再次造成伤害，将复合材料应用于巷道围岩，阻挡热量传递速率。鉴于实际情况与时间原因，复合材料尚未实际应用于试点矿井，无法得到巷道采用复合材料后风流温度场变化规律，不能验证复合材料的隔热效果。为此，可以通过数值模拟软件，基于上一小节复合材料拟应用方案，建立与实际情况相吻合的数学物理模型，进行巷道风流温度场模拟分析，对比巷道在是否采用复合材料两种情况下的模拟结果，以此判断复合材料的风温控制效果以及其隔热降温效果。

3.1 建立模型

为了研究高温矿井巷道围岩与风流热交换的温度场分布规律，在理论上验证膨胀珍珠岩隔热结构体系在热害防治上是否满足巷道隔热结构的要求，本节以霄云矿井为背景，从矿井的主要进风巷道中任意截取一段代表性巷道，采用ANSYS Fluent 软件进行辅助，对巷道进行建模和数值分析，判断巷道是否附有隔热结构。

为了便于计算简化模型，假定巷道所处的周围岩层及自身隔热结构的物理性质均为各向同性，巷道近似为半圆拱形状，内径3m，巷道净空2m，巷道圆拱半径为1.5m，航道的长度为100m，针对上述两种情况，分别建立三维模型。

为了便于Fluent 模拟计算，不考虑外界及巷道内机电运输设备对温度场的影响，采用三面体作为控制体，对于巷道是否采用隔热结构两种情况三维模型的网格划分如图1 所示，图1（a）为采用隔热结构的巷道模型，图1（b）为不采用隔热结构的巷道模型。

图1 三维模型的网格划分

3.2 参数设置

假设巷道主要入口处的风流温度初始值设定为25℃，风速设定为5m/s，风量给定为47.5m3/s。根据霄云矿井地质统计历史资料可知：岩体的导热系数为3.044W/（m·℃），密度为2580kg/m3，比热容为976J/（m2·℃），围岩的原始温度≥45℃，取60℃；
锚喷支护混凝土厚度为200mm，导热系数为1.74W/（m·℃），密度为2400kg/m3，比热容为2418J/（m2·℃）；
巷道内风流与巷道壁面的对流系数为12.5W/（m2·℃）；
隔热材料结构层厚度取100mm，导热系数为0.0816W/（m·℃），材料的干表观密度为408kg/m3，材料比热容为1250J/（m2·℃）。

3.3 不同深度温度变化

按照设定的物理模型，划分好单元网格，依据设置好的初始参数以及边界条件，进入后处理并施加荷载，进行约为300 次迭代模拟运算后，结果基本收敛。假定的巷道是三维物理模型，长度为100m，选取巷道在z=20m、40m、60m、80m、100m 横截面上的温度云分布图，具体模拟结果如图2～图6所示。

图2 巷道温度云图

图3 巷道温度云图（不含复合材料）

图4 五个截面处温度云图

图5 五个截面处温度云图（不含复合材料）

图6 巷道截面平均温度沿z轴变化曲线图

3.4 模拟结果分析

图2、图3 为巷道整体模型，由图可知，在巷道的入口处，风流会吸收少许热量，对温度影响不大，温度增幅较小，随着风流不断流动；
在巷道出口附近，风流明显吸收了更多的热量，其主要是围岩释放的热量，此时温度增幅有较大增长。同时可以得出，相较于采用隔热结构，巷道采用无声隔热结构会使风流的温度增幅更大。

从图6 可以看出，巷道横截面风流的平均温度随着巷道的长度有所升高。巷道是否附加复合材料隔热层，并不影响风流温度，无论巷道是否附加复合材料隔热层，风流经过局部高温巷道都会被逐渐加热，只是温度增加幅度不一样。然后风流流向采掘工作面，进而会导致采掘面空气温度增高，使井下工作人员处于恶劣的热环境之中。所以在巷道表面进行复合材料施工对于控制采掘面空气温度具有重要的现实意义。

可以得出，巷道采用附加复合材料隔热层时，其风流在经过100m 的巷道后，温度上升了10℃左右。这是因为在进行模拟时，设想巷道风流在更为恶劣的环境下，围岩原始温度取60℃，所以才致温度上升10℃，主要是用来验证复合材料的隔热控制效果。而无隔热材料时，在进风流温度同为25℃的情况下，在没有附加复合材料隔热层的巷道中，风流经过温度上升了15℃左右，相较于有附加复合材料隔热层的巷道中风流上升温度，两者的差值为5℃左右。

一段风流经过长度仅为100m 的巷道，在围岩原始温度为60℃、初始温度同为25℃时，巷道出口截面采用复合材料平均温度为306.5167K，没有采用复合材料为310.8881K。

本文针对开采条件下煤矿热害的特点，提出了采用巷道隔热材料对治理矿井热害的思路和方法，并对无隔热材料和存在隔热材料的温度变化进行了研究[10]。

巷道中是否附加复合材料隔热层，对于巷道中风流的温升有着极大的影响，继而推断出将复合材料应用到巷道中可以起到良好的隔热效果。只有降低进入采掘面风流温度，才能将采掘面空气温度控制在可接受范围内[11]。

巷道复合隔热材料的作用效果受到很多因素的影响，例如进风流的温度、巷道围岩温度情况、巷道风量和风速大小、巷道掘进长度、巷道周围的水文地质条件以及矿山压力等多种因素的影响。

矿井热害形成机理以及主要影响因素需要进一步深入研究。目前，国内外对于在微观系统下矿井热害的形成机理、各种热源三相耦合传热方式等相关方面的研究涉及较少，应紧密结合理论试验与现场实践、分析事物的本质特征，为矿井热害防治数学物理模型的建立、模拟求解及实际应用提出相应热害治理技术措施。

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