深井煤矿巷道隔热材料研究.pdf

深井煤矿巷道隔热材料研究 郭文兵 ，涂兴子 ，姚 荣 ，李文彩 （ 焦作工学院，河南 焦作 ； 平顶山煤业（集团）有限责任公司 一矿，河南 平顶山 ） 摘 要分析了国内外高温热害矿井的研究现状及热害治理措施，提出了采用巷道隔热材料隔断热 源降低井下温度的方法。通过大量实验研制出了适合于煤矿井下的巷道隔热材料，该材料适合于在 煤矿井下高温热源地段的进风巷内，对高温矿井热害治理、改善井下作业环境具有积极意义。 关键词矿井热害；降温技术；巷道；隔热材料 中图分类号 ， 文献标识码 文章编号 （ ） ， ， ， （ ， ， ； ， ， ） “ 概“ “ 述 随着社会的发展和煤炭资源开发的日益加强， 矿井的开采深度不断增大。目前世界各主要采煤国 家相继进入深部开采，开采深度的逐步增加，地温 也随之升高。据有关资料 ［ ］，加拿大超过 的矿井有 对，美国有 对，德国和前苏联开 采深度都达到 。我国煤矿 年 的平均开采深度为 ，到 年已达 ， 并且目前的开采深度平均每年以 的速度增 加，采深超过 的矿井已有数 对。 在深部开采条件下，地温的升高恶化了井下作 业环境，使劳动生产率下降，矿井热害问题越来越 突出。矿井热害问题将是深部开采条件下影响矿井 生产效率的主要因素之一。在常温带以下，岩层的 温度将以平均 的梯度上升，最高梯度为 。如俄罗斯的 深矿井平均地温 为 ，最高达 ；印度某金矿 采深时地温达 。如我国河南平顶山五矿采深 时原始岩温为 ，采面气温超过 ， 高的达到 ；八矿采深 时井下原始岩温 已达 以上，采掘工作面气温超过 以上的 有 个，最大达到 ；并且开采深度每增加 ，温度升高约 ，矿区平均地温梯度为 ［ ， ］。山东新汶局孙村矿 埋 深巷道岩温达 ，掘进工作面气温达 。 矿井热害造成的高温作业环境严重影响工人身 体健康，引发各种疾病（如湿疹等） ，并且导致工 人乏力、气喘，精力分散，思维和判断力差，出勤 率下降，作业事故率上升 ［ ］。而据有关资料，高 温采煤工作面气温每降低 ，生产效率提高 。说明在深部开采条件下，有效的井下降温 技术是保证安全生产的重要前提。 目前国内外在对高温矿井热害治理、降温技术 等方面进行了一些研究。如德国在开采深度大、地 温高的矿井采用机械制冷措施，技术上居世界领先 地位。我国通过引进国外或自行开发制冷设备实施 人工制冷、采取增风降温等技术措施收到了一定的 效果。此外，还采取了个体防护措施和疏导隔热措 施，个体防护措施即采取冷水或空气冷却工作服或 穿冰袋服等个体防护工具，但其冷却时间短，也加 重了工人负担，使用不方便；疏导隔热措施为采用 疏导井下热水、掘进工作面采用隔热风筒等。 上述技术措施的采用在高温矿井热害治理、井 下局部降温方面起到了重要作用，但也存在一定的 缺陷。如增风降温技术要受到巷道断面和风速等方 面的限制；机械制冷技术存在设备成本高、能耗 大、管理复杂等缺点。并且这些措施“治标不治 本” ，因为井下除机电设备散热、煤氧化放热等热 源以外，地下高温围岩热源不是封闭的系统，而是 能不断得以补的近似恒定地热源系统。研究表明， 在井下高温地段主要进风巷道中，围岩的热辐射导 致进风流温度升高，风流在经过高温地段巷道被逐 步加温，最终使得工作面气温升高。巷道围岩与风 第 卷第 期 煤 炭 科 学 技 术 年 月 流的换热量可采用下式计算 ［ ］ （ ） （ ） 式中 巷道围岩同风流的换热量， ； 不稳定换热系数， （ ） ， 其物理意义是当井巷深部未冷却的 岩体与巷道风温相差 时 ，单位时 间内从井巷单位面积上散发或吸收的 热量； 巷道围岩的平均原始岩温， ； 巷道内风流的平均温度， ； ， 计算段内巷道的周界和长度， 。 因此，只要能有效减少空气流通线路上的热辐 射，巷道内风流的温度就会有明显下降，从而降低 采掘工作面的温度。这种将深井地下的巨大热源封 闭隔离在巷道围岩以内、减少围岩体热量进入巷道 系统对矿井降温具有重要意义。 试验根据治理高温矿井热害的这一思路，通过 大量的实验对深井煤矿巷道隔热材料进行了研究。 研制出的隔热材料用于煤矿地下高温热源地段的巷 道辅助支护或壁后充填，旨在通过研制这种既适合 于井下使用又具有良好的隔热效果的隔热材料来解 决深井地热问题。采用隔热材料降低井下温度的技 术被称为“主动的热害治理技术” ，它将可能成为 深部开采条件下高温热害治理技术的重要发展方 向。 巷道隔热材料基本组料实验分析 巷道隔热材料的基本性能要求 研究表明，为使隔热材料适合于煤矿井下特殊 的条件和环境并发挥良好的作用，其性能应满足以 下基本要求 （ ）导热系数 小。作为隔热材料最基本的 指标之一，导热系数是衡量隔热效果的重要参数。 经实验室及现场研究分析，当导热系数 小于 （ ）时，才能起到较好的隔热作用。 （ ）有一定的强度。为便于隔热材料在煤矿 井下的运输和使用，应具备一定的强度。根据现场 分析，巷道隔热材料的抗压强度应大于 。 （ ）密度小。在满足强度要求的条件下，密 度越小，使用越方便，一般隔热材料的表观密度不 大于 。 除上述基本性能要求以外，巷道隔热材料还要 具备成本低廉和一定的防水性能等。 巷道隔热材料的组成 在实验分析的基础上，并根据煤矿井下隔热材 料的性能要求，确定隔热材料的组成见表 。 表 巷道隔热材料的组成 胶凝材料集料外掺料外加剂水 水泥、生石灰硅灰石、膨胀珍珠岩粉煤灰增强剂、发泡剂、减水剂、防水剂自来水 隔热材料主要组料实验分析选择 （ ）胶凝材料。它是巷道隔热材料的强度组 分，选择水泥和石灰作为巷道隔热材料的胶凝材 料，以有效提高材料强度。根据巷道隔热材料的工 程特点、所处的环境及条件、成本和不同种类水泥 的性能差别等因素，试验选择 号普通硅酸盐水 泥。技术指标为密度 ，细度满足 方孔筛筛余小于 ，初凝时间不小于 ，终凝时间不迟于 ，安定性合格，有害 成分满足国标规定。 石灰用于辅助提高强度，资料表明，石灰的加 入使坯体硬化变快，制品强度提高，干燥收缩值减 小。根据对比试验结果可知石灰的掺加量为水泥 量的 时，制品的强度最大。要求生石 灰的有效 ， ，细度为 孔筛筛余＜ 。 （ ）集料。集料在巷道隔热材料中的作用为 改善隔热性能，降低成本。由于硅灰石来源广，取 材方便，并且它在隔热材料中可减少收缩变形、提 高强度和具有一定的隔热作用。研究中对硅灰石的 粒度进行了实验分析，硅灰石粒度越细，材料强度 越大，但相应的加工费用升高。故确定选用 以下和 为此次隔热材料研制的 实验粒径。实验表明，硅灰石的添加量为水泥的 左右（质量比）抗压强度较大，此次实验研 究的配比为水泥的 和 。 膨胀珍珠岩内部具有多孔结构，它质轻、绝 热，并且成本低廉。实验中采用了呈蜂窝状、泡沫 状的膨胀珍珠岩，大幅度的降低了隔热材料密度和 导热系数。通过对比实验确定了合适的粒度和添加 第 卷第 期 煤 炭 科 学 技 术 年 月 量，认为粒径为 和 、 添加量为水泥的 左右可较好的满足隔热材料 性能的要求。 （ ）外掺料。为降低水泥用量，改善隔热材 料性能，同时由于粉煤灰来源广，故实验中选用粉 煤灰作为外掺料。粉煤灰中的珠状颗粒（图 ）具 有密度小、导热系数小的特点 ［ ］。 图 粉煤灰中的珠状颗粒 （ ）水灰比（“ ） 。水灰比过大会降低隔热 材料的强度，干缩作用也加大。为分析最佳水灰 比，进行了对比试验，结果表明，水灰比为 和 时强度下降不明显，密度略有下降，故选择 和 作为进一步实验分析值。 隔热材料外加剂实验分析 按照巷道隔热材料的性能要求，经实验分析， 在巷道隔热材料中选择加入减水剂、发泡剂、增强 剂和防水剂等外加剂 ［ ］。 （ ）减水剂。使用减水剂的目的是在不影响 和易性的条件下，减少用水量，从而提高隔热材料 的强度和耐久性。由于减水剂是具有表面活性的物 质，能促使水泥颗粒散凝或分散，减少聚凝块之间 的包裹水，提高和易性，降低水灰比。实验选用木 质素磺酸钙作为本隔热材料的减水剂，实验分析可 知，减水剂添加量为水泥的 和 时对隔 热材料的强度影响较大，加入的方式对材料的强度 基本没有影响。 （ ）发泡剂。为提高隔热材料的隔热性能， 在制备过程中采用铝粉作为发泡剂。试验表明，发 泡剂使隔热材料内部产生微小而均匀分布的气泡， 并且减少了泌水和离析现象。对凝固时间影响不 大，但对隔热材料的强度影响较大，材料渗透性降 低。铝粉的加入量兼顾了强度和密度 项指标。 （ ）增强剂。由于实验在隔热材料中使用了 不具有胶结性的膨胀珍珠岩等组分，在一定程度上 降低了材料的强度，为了将这种不利影响降低到最 低限度，同时降低制品的干燥收缩作用，在采用其 它措施的同时，加入石膏作为增强剂。加入石膏对 材料抗压强度影响关系的试验结果如图 所示。从 图 中看出，加入适量的石膏对改善隔热材料的强 度有明显效果，并确定石膏掺量为水泥的 。 图 石膏加入量与强度关系曲线 （ ）防水剂。它是降低隔热材料在静水压力 下透水性的一种外加剂。由于水的导热系数较空气 大得多，当材料有水通过时，隔热材料的导热系数 将增大。实验选用无机质防水剂（如 等） 。 但实验表明，加入防水剂在一定程度上使得材料的 导热系数增加，降低材料的隔热性能。 巷道隔热材料制备和性能测试 材料配方实验剂制作工艺 （ ）配比试验。上述实验初步选定了各种原 材料及其掺量的范围，但还要考虑制品内部各因素 对材料影响的主次关系，以便在满足巷道隔热材料 性能的情况下，得到更为优质廉价的材料。根据各 主要指标（抗压强度、导热系数） 、因素及水平， 按照正交试验法设计配比试验，见表 。 试验中还考虑了以下五组交互作用即硅灰 石、膨胀珍珠岩的粒度与添量之间的交互作用（ 、 ） ，减水剂添量、膨胀珍珠岩添量、粉 煤灰添量分别与水灰比之间的交互作用（ 、 、 ） 。 针对 个因素和 个交互作用安排 试验，并分别测试材料的强度及密度数据，采用极 差分析法对试验结果进行分析，最后确定各组分占 水泥重量的百分比为生石灰为 ；硅灰石为 ，粒度 （ ） ；膨胀珍珠岩为 ， 第 卷第 期 煤 炭 科 学 技 术 年 月 表 正交试验设计 指标因素 水平 水平 生石灰添量（ 因素） 硅灰石粒度（ 因素） （ 目） （ 目） 硅灰石添量（ 因素） 抗压强度珍珠岩粒度（ 因素） 珍珠岩添量（ 因素） 粉煤灰添量（ 因素） 减水剂添量（ 因素） 水灰比（ 因素） 导热系数发泡剂添量（ 因素） 增强剂添量（ 因素） 粒度为 ；粉煤灰为 ；减水剂为 ；发泡剂为 ；石膏为 ；水灰比为 ；其它成分适量。 （ ）材料制作工艺。本隔热材料的生产工艺 过程包括原材料的加工制备、配料搅拌、浇注成 型、坯体静置和养护等。 隔热材料的性能测试结果 根据大量实验所确定的巷道隔热材料组成，按 要求制成样品对其技术指标进行了测试，测试项目 包括抗压强度、导热系数和密度 项指标。委托国 家建材局保温与密封材料产品质检中心进行测试， 所检项目参照 标准进行测试。 经测试本方法制备的巷道隔热材料密度为 ，抗压强度为 。导热系数的测试采 用厚 、 的圆盘试件进行，并将试件 在 烘干至恒重、磨平，测得导热系数为 （ ） 。 本隔热材料适用于深部开采条件下围岩温度较 高的井下采准巷道。可根据煤矿井下巷道的类型、 地点、围岩应力大小、受采动影响程度、水文地质 及采矿条件和使用要求等预制成不同的形状及尺 寸，作为轻质隔热板、壁后充填或辅助支护材料。 综合试验分析表明，在围岩温度大于 条件下 的进风巷道内应用本隔热材料的效果比较明显，可 使巷道内的空气温度最大降低 。在采煤 工作面内由于受采场本身的地热、机械设备放热和 人员等因素的影响，空气温度可降低 。此 外本隔热材料应用的效果还受到多种因素的影响， 如进风流本身的温度、围岩温度、巷道的风量和风 速、巷道长度、水文地质条件和矿山压力的大小 等。经综合计算分析，该材料成本约为 元 。 结 论 （ ）针对深部开采条件下煤矿热害的特点， 提出了采用巷道隔热材料对高温矿井热害治理的思 路和方法，并研制出了适合于煤矿井下高温地段巷 道使用的矿用隔热材料。 （ ）该隔热材料的主要技术指标抗压强度 为 ；密度为 ；导热系数为 （ ） 。 （ ）在井下围岩温度大于 条件下的进风 巷道内应用本隔热材料的效果较明显，可使巷道内 的温度最大降低 ，采煤工作面温度可降 低 。 （ ）巷道隔热材料的应用效果受到进风流本 身的温度、围岩温度、巷道的风量和风速、巷道长 度、水文地质条件和矿山压力的大小等多种因素的 影响。 （ ）采用巷道隔热材料降温技术避免了机械 制冷和增风降温等技术的缺点和限制，是一种主动 的矿井热害治理技术，是深部开采条件下高温矿井 热害治理新的发展方向。 参考文献 ［ ］ 余恒昌，邓 孝，陈碧琬，等 矿井热害与热害治理 ［ ］ 北京煤炭工业出版社， ［ ］ 田运生，高荫桐，张文平 深部开采有关问题及解决途径 ［ ］ 煤矿开采， （ ） ［ ］ 张 麟 高温热害矿井巷道隔热支护技术及发展前景［ ］ 世界煤炭技术， （ ） ［ ］ 胡汉华 深井高温矿山通风与降温技术研究动态［ ］ 金 属矿山， （ ） 第 卷第 期 煤 炭 科 学 技 术 年 月 今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今今 ［ ］ 谢贤平 深井降温技术中的新方法［ ］ 江西有色金属， （ ） ［ ］ 梁尤平，黄伯儒，任硫春，等 矿井热害分类治理［ ］ 煤炭科学技术， （ ） ［ ］ 杜伯超 平八矿矿井降温技术研究［ ］ 平煤科技， （ ） ［ ］ 赵家振，崔丽琴，李勇军 煤矿井下气候参数和劳动强度 对矿工生理参数影响的研究［ ］ 中国安全科学学报， （ ） ［ ］ 曲 方，秦跃平 高温矿井集中生产对采煤工作面气候及 制冷量的影响［ ］ 山西矿业学院学报， （ ） ［ ］ 仲兆裕，孔祥歧 粉煤灰漂珠及其在隔热耐火材料中的应 用［ ］ 粉煤灰综合利用， （ ） ［ ］ 秦展琰，陈文华，王蕾 粉煤灰高效隔热保温材料研究 ［ ］ 能源研究与利用， （ ） ［ ］ 李淑进，万小梅，赵铁军 保温隔热材料的新进展［ ］ 粉煤灰综合利用， （ ） ［ ］ 陈文豹 混凝土外加剂及其工程中的应用［ ］ 北京煤 炭工业出版社， ［ ］ 懋 强，陈玉峰，夏淑琴，等 超轻微孔硅酸钙绝热材料 的显微结构和工艺控制［ ］ 硅酸盐学报， （ ） ［ ］ 顾幸勇，霍爱红，朱俊 工业废石膏在研制新型隔热材料 中的应用［ ］ 中国陶瓷， （ ） 作者简介郭文兵（ ） ，男，河南宁陵人，副教授，中 国矿业大学博士研究生，现在焦作工学院主要从事采矿工程与特殊 开采方面的科研和教学工作。 收稿日期 ；责任编辑曾康生 粉煤高温燃烧过程中固硫机理研究 吴峻青 ，刘泽常 ，贾延生 ，王 斌 （ 山东科技大学 济南校区，山东，济南 ； 山东科技大学 化学与环境工程学院，山东 青岛 ； 济南市煤气公司，山东 济南 ） 摘 要模拟工业锅炉固定床燃烧方式进行实验，取工业废弃物，经适当预处理，配制成新型复合 固硫剂，在 燃烧温度下进行了固硫实验，达到了较为理想的固硫效果。通过对固硫剂、固 硫前后灰渣作 、 电镜观察，分析了固硫率提高的原因。对固硫后灰渣作 图谱分析， 进一步探讨了固硫机理。 关键词粉煤；高温燃烧；复合固硫剂；固硫机理 中图分类号 文献标识码 文章编号 （ ） ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ， ； ， ， ） 目前煤燃烧过程中固硫剂的研究开发多局限于 中低温段，高温条件下存在固硫剂烧结失活、固硫 产物复分解、固硫效率低、固硫剂用量大等缺点亟 待解决。适用于工业锅炉、窑炉等高温度的效果较 为理想的固硫剂缺乏理论上的系统研究，煤燃烧过 程中固硫机理研究尚没有统一认识。 本试验研究模拟工业锅炉固定床燃烧方式，所 配制的复合固硫剂在 燃烧温度下获得了较 理想的固硫效果。试验中对固硫剂、固硫前后的灰 渣作了 、 电镜观察，分析了固硫率提高 的原因，对固硫灰渣作了 图谱分析，探讨了 固硫机理。 “ 实验部分 “ 固硫剂的试制 取矸石、粉煤灰、熟石灰、生石灰、活性炭， 将其中不同组分，按一定质量比混合均匀，用造纸 废液对混合物进行 浸泡，然后干燥，制取固 第 卷第 期 煤 炭 科 学 技 术 年 月 深井煤矿巷道隔热材料研究深井煤矿巷道隔热材料研究 作者郭文兵， 涂兴子， 姚荣， 李文彩 作者单位郭文兵,姚荣,李文彩焦作工学院,河南,焦作,454000， 涂兴子平顶山煤业集团有限责任 公司一矿,河南,平顶山,467000 刊名 煤炭科学技术 英文刊名COAL SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷期2003,3112 参考文献15条参考文献15条 1.张麟 高温热害矿井巷道隔热支护技术及发展前景 199410 2.田运生;高荫桐;张文平 深部开采有关问题及解决途径 199904 3.余恒昌;邓孝;陈碧琬 矿井热害与热害治理 1991 4.顾幸勇;霍爱红;朱俊 工业废石膏在研制新型隔热材料中的应用[期刊论文]-中国陶瓷 200004 5.懋强;陈玉峰;夏淑琴 超轻微孔硅酸钙绝热材料的显微结构和工艺控制[期刊论文]-硅酸盐学报 200005 6.陈文豹 混凝土外加剂及其工程中的应用 1998 7.李淑进;万小梅;赵铁军 保温隔热材料的新进展[期刊论文]-粉煤灰综合利用 200101 8.秦展琰;陈文华;王蕾 粉煤灰高效隔热保温材料研究 199601 9.仲兆裕;孔祥歧 粉煤灰漂珠及其在隔热耐火材料中的应用 199502 10.曲方;秦跃平 高温矿井集中生产对采煤工作面气候及制冷量的影响 199604 11.赵家振;崔丽琴;李勇军 煤矿井下气候参数和劳动强度对矿工生理参数影响的研究[期刊论文]-中国安全科学学报 199801 12.杜伯超 平八矿矿井降温技术研究 199104 13.梁尤平;黄伯儒;任硫春 矿井热害分类治理 199807 14.谢贤平 深井降温技术中的新方法 199601 15.胡汉华 深井高温矿山通风与降温技术研究动态 199907 本文链接