矿用复合隔热混凝土制备及其性能分析.pdf

l I I I IH I I I I I I I H I I I II l U lU l Y 3 4 6 9 6 9 3 逻宁工程技术大学 硕士学位论文 破恩复盒隔热混凝制备及其陛熊分析 I - j 0 1 1c r e t eD r e D a r a t l o na n nD e r l o r ma n c ea n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯● 0 IC 0 m D O S l t el n S U I a t l n gU n a e rC o a l ⋯⋯⋯⋯⋯Ⅲ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯㈣⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯●● 作者姓名 指导教师 学科专业 海洋 张树光教授 建筑与土木工程 二。一六年十二月 万方数据 分类号 T U 4 5 8 U D C 6 2 4 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 硕士学位论文 破用．复金隔热混凝制备．及其． 陛熊分析 C o n c r e t ep r e p a r a t i o na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s o fc o m p o s i t ei n s u l a t i n gu n d e rc o a l 作者姓名海洋 指导教师张树光 申请学位工学硕士 学科专业建筑与土木工程 研究方向岩土工程 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝工程技本太堂有关保留、使用 学位论文的规定，同意辽宝工程技本太堂保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名 三塾醯 年月日 导师签名 年月日 万方数据 致谢 本论文是在导师张树光教授的指导下完成的。感谢张老师在研究生期间为本人提供了 良好的科研平台，并从论文选题、资料收集、室内试验、理论分析到论文修改定稿等每个 细节给予的悉心的指导。导师科学严谨的治学态度、渊博精深的专业知识以及创新进取的 学术思想令学生终身受益，在此，谨表示我最真挚的感谢和由衷的敬意 感谢土木学院的老师们，谢谢你们的辛勤教育指导，孜孜不倦的传授我各门专业知识， 使我学到了很多的知识与技能。让我在以后的工作道路上能更加顺利。 感谢辽宁工大六年来的培养，太阳石的精神将永远陪伴我的一生。在这座城市，我不 仅收获的知识与友情，而且丰富了人生阅历，增长了见识，所以衷心地感谢那些在日常学 习与生活中给予我热心帮助的良师益友们 最后，向百忙之中审阅本论文的教授与专家们致以衷心的敬意 并渴望得到宝贵的指 导与建议 万方数据 摘要 随着经济的迅猛发展，矿产资源的需求量也与日俱增，能源危机己成为我国亟待解决 的难题。而我国是煤炭大国，煤炭是我国储量最为丰富的基础能源，为解决能源危机，矿 井的大量开采己成必然趋势。而许多浅层矿井的储煤量早已供不应求，这就迫使矿井的开 采深度逐年增加。随之而来的岩土力学问题也愈加复杂，其中矿井高温与热害己成为制约 矿山安全生产的重要问题。矿井热害导致的高温作业环境将严重影响工人的身体健康，引 发一系列疾病，造成工作效率低并引起安全事故。因此，解决矿井热害问题刻不容缓。目 前矿井热害的防止主要以被动降温为主，即采用通风、人工制冷技术对高温矿井降温。这 种被动降温的方法起到了很好的效果，但也具有成本高、技术复杂、治标不治本等缺点。 基于被动降温的这些缺点，有必要从另一角度对矿井热害进行控制，即阻断深井巷道的最 主要的热源围岩放热，通过在深井巷道壁面喷涂玻化微珠陶粒隔热混凝土来减缓围岩 向巷道内散热，以达到降低巷道内风流温度，减轻深井热害影响的目的。这种主动的降温方 式较人工制冷技术降温等被动降温方法不仅极大的降低成本，而且从源头控制了围岩散 热。有效的解决了矿井热害问题。研究的具体工作如下 1 对玻化微珠进行了改性，为玻化微珠陶粒隔热混凝土的试验研究奠定了基础。 2 基于正交设计理论，通过正交设计表设计出1 8 组配合比，并分别测定出其抗压 强度及导热系数，采用综合平衡法、综合评分法及方差分析法对实验数据进行了分析。得 出水泥用量、玻化微珠的掺量、砂子的用量、页岩陶粒用量、石子用量及玻化纤维用量六 个因素对玻化微珠陶粒隔热混凝土导热系数、抗压强度的影响规律，并综合三种方法的分析 结果并考虑经济性最终确定了隔热混凝土的较优配合比，并为验证该配合比的正确性进行 了性能复测试验，最终得到了7d 抗压强度为2 8 ．0 2M P a 导热系数为0 ．2 2W ／ m K 的矿用 玻化微珠陶粒复合隔热混凝土。 3 建立导热系数理论计算公式，与实测导热系数值进行比较。 关键词矿井热害；玻化微珠；陶粒；导热系数隔热砂浆较优配合比；正交试验 万方数据 A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ed e m a n do fm i n e r a lr e s o u r c e si si n c r e a s i n gd a y b yd a y , a n dt h ee n e r g yc r i s i sh a sb e c o m ead i f f i c u l tp r o b l e mt ob es o l v e du r g e n t l yi no u rc o u n t r y ． A n dC h i n ai sa b i gc o u n t r yo fc o a l ，c o a li st h em o s ta b u n d a n tb a s i ce n e r g yr e s o u r c e s ，i no r d e rt o s o l v et h ee n e r g yc r i s i s ，al o to fc o a lm i n i n gh a sb e c o m ea ni n e v i t a b l et r e n d ．B u tt h eq u a n t i t yo f c o a lr e s e r v ei nm a n ys h a l l o wc o a lm i n e sh a sb e e ni ns h o r ts u p p l y , w h i c hf o r c e st h em i n i n gd e p t h t oi n c r e a s ey e a rb yy e a r ．T h ep r o b l e mo fr o c ka n ds o i lm e c h a n i c sh a sb e c o m em o r ea n dm o r e c o m p l i c a t e d ，w h i c hh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tp r o b l e mo fm i n es a f e t yp r o d u c t i o n ．T h eh i 【g h t e m p e r a t u r ew o r k i n ge n v i r o n m e n tc a u s e db ym i n eh e a td a m a g ew i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h eh e a l t ho f w o r k e r s ，l e a dt oas e r i e so fd i s e a s e d ，r e s u l t i n gi nl o we f f i c i e n c ya n ds a f e t ya c c i d e n t s ．T h e r e f o r e ， i ti su r g e n tt os o l v et h ep r o b l e mo fm i n eh e a td a m a g e ．A tp r e s e n t ，t h ep r e v e n t i o no fm i n eh e a t d a m a g ei sm a i n l yb a s e do np a s s i v ec o o l i n g ，t h a ti s ，t h ec o o l i n go fh i g ht e m p e r a t u r em i n eb y v e n t i l a t i o na n da r t i f i c i a lr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g y ．T h i sm e t h o do fp a s s i v ec o o l i n gp l a y sav e r y g o o de f f e c t ，b u ta l s oh a st h ed i s a d v a n t a g e so fh i g hc o s t ，c o m p l e xt e c h n o l o g y , p a l l i a t i v e se t c ．．T h e d i s a d v a n t a g eo fp a s s i v ec o o l i n gb a s e do nt h es u b j e c to fm i n eh e a th a r mc o n t r o lf r o ma n o t h e r p o i n to fv i e w , t h a ti st h em a i nb l o c ko fd e e pr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k h e a ts o u r c eh e a t ， t h r o u g ht h ed e e pt u n n e lw a l ls p r a yg l a z e dh o l l o wb e a da n dc e r a m i s i t ec o n c r e t ei n s u l a t i o nt ot h e s u r r o u n d i n gr o c kt os l o wc o o l i n g ，i no r d e rt Or e d u c et h ea i rt e m p e r a t u r ei nd e e pr o a d w a y ，r e d u c e t h ee f f e c to ft h et h e r m a ld a m a g e ．T h i sk i n do fa c t i v ec o o l i n gm e t h o di sm o r et h a nt h ep a s s i v e c o o l i n gm e t h o d ss u c ha sa r t i f i c i a lr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hn o to n l yg r e a t l yr e d u c et h e c o s t ，b u ta l s of r o mt h es o u r c et oc o n t r o lt h es u r r o u n d i n gr o c kh e a t ．E f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e m o fm i n eh e a td a m a g e ．T h es p e c i f i cw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s 1 M o d i f i c a t i o no fg l a z e dh o l l o wb e a dw e r em o d i f i e d ，w h i c hl a i dt h ef o u n d a t i o nf o r e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h e r m a li n s u l a t i o ng l a z e dh o l l o wb e a da n dc e r a m i s i t ec o n c r e t e ． 2 B a s e do nt h eo r t h o g o n a ld e s i g nt h e o r y , 18s e t so fm i x i n gr a t i ow e r ed e s i g n e db y o r t h o g o n a ld e s i g nt a b l e ，a n dt h e i rc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yw e r em e a s u r e d r e s p e c t i v e l y ．T h ee x p e r i m e n t a l d a t aw e r e a n a l y z e db yc o m p r e h e n s i v eb a l a n c em e t h o d ， c o m p r e h e n s i v es c o r em e t h o da n dv a r i a n c ea n a l y s i sm e t h o d ．a n a l y s i s ．T h ei n f l u e n c eo fc e m e n t c o n t e n t ，t h ea m o u n to fv i t r i f i e dm i c r o b e a d s ，t h ea m o u n to fs a n d ，t h ea m o u n to fs h a l ec e r a m s i t e ， t h ea m o u n to fs t o n ea n dt h ea m o u n to fv i t r i f i e df i b e ro nt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y , c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ，A n dt h eo p t i m a lm i xr a t i oo ft h et h e r m a li n s u l a t i o nc o n c r e t ew a sd e t e r m i n e db yt h e a n a l y s i so f t h et h r e em e t h o d sa n dt h ee c o n o m i ct e s t ．T h es t r e n g t ht e s tw a sc a r d e do u tt ov e r i f y l I 万方数据 t h ec o r r e c t n e s so ft h em i x t u r er a t i o ，C o m p r e s s i v es t r e n g t ho f2 8 ．0 2 M p at h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f 0 ．2 2W ／ m ’K o ft h eg l a s sw i t hc e r a m i cb e a d so fc e r a m i cc o m p o s i t ei n s u l a t i o n ． 3 T oe s t a b l i s ht h et h e o r e t i c a lf o r m u l af o rt h e r m a lc o n d u c t i y i t y ，a n dt h em e a s u r e dt h e r m a l c o n d u c t i v i t yv a l u e sw e r ec o m p a r e d ． K e yw o r d s m i n et h e r m a ld a m a g e ；v i t r i f i e dm i c r o b e a d s ；c e r a m s i t e ；t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ； t h e r m a li n s u l a t i o nm o r t a r ；o p t i m u mm i xr a t i o ；o r t h o g o n a lt e s t 1 1 1 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．I 工 1 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 矿井热害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 井下主要热源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．1 ．3 矿井降温措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．1 ．4 课题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．1 国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．2 国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 课题的研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 课题的研究目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．5 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．6 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 玻化微珠陶粒复合隔热混凝土混合料的选用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 矿用隔热材料的选取原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 复合隔热混凝土的隔热骨料一玻化微珠及页岩陶粒⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 玻化微珠的改性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．4 玻化纤维⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．5 其他材料的选用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 3 复合隔热混凝土强度测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 3 ．1 抗压强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 3 ．2隔热材料对抗压强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 4 复合隔热混凝土导热性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 4 ．1隔热材料传热机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 4 ．1 ．1传热方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 4 ．1 ．2 隔热材料传热机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 I V 万方数据 4 ．2 导热试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 4 ．3 导热系数的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．4 隔热材料对导热系数的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．5 导热系数数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．5 ．1 导热基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．5 ．2 多孔介质导热系数的平均计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．5 ．3 复合隔热混凝土导热系数模型修正及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 5 复合隔热混凝土配比优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 5 ．1 正交试验设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 5 ．2 试验数据的结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 5 ．2 ．1 极差分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 5 ．2 ．2 方差分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．2 ．3 复合隔热混凝土较优配合比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．3 复合隔热混凝土的最优配合比性能复测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 6 ．1结{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 l 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 V 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．1 问题的提出 1 ．1 ．1 矿井热害 相关研究表明我国的能源需求量高居世界能源消耗量前列。而煤炭作为我国储备最丰 富的资源己成为我国最重要的供给能源。我国幅员辽阔，矿产丰富，煤质优良，煤种齐全， 其分布区域广，可为我国的经济发展提供源源不断的能源支持。近年来，我国大力发展经 济，G D P 不断创新高，能源的需求量也与日俱增，我国正面临着严重的能源危机。而由于 石油、天然气等能源不仅价格比煤炭高数倍且其储量非常少，因此煤炭已我国赖以生存的 能源，其需求量在不断增加。目前浅层的煤矿以出现供不应求现象，绝大多浅层矿井甚至 已经枯竭。开采深度的逐年增加己成为必然的趋势。 煤矿的深部开采虽解决了能源问题，但同时也引发了另一严重的问题矿井热害。 [ I - 3 1 矿井内的温度将随着开采深度的增加不断增高。据国家煤炭科技“十二五”规划提供的资 料表明，矿井深度的不断延深导致高温矿井数量迅速增加，直接在井下高温环境工作的工 人总人数超过2 0 万人，高温矿井热害己成为煤矿深部开采急需解决的重大灾害之一。如 德国鲁尔煤田采深1 0 0 0 ．1 2 0 0m 岩温己达5 0 ．6 0 ℃；日本常磐煤矿涌水温度高达7 5 ℃；中 国平顶山八矿．2 7 3m 东石门断层出水水温为3 7 ℃，岫岩铅矿西山一坑6 0m 中段距地表9 5 m 处水温4 8 ℃，抚顺矿区地热梯度约为3 ．3 ℃／1 0 0m ，当地热通过断层、裂隙与地层深部 水源发生联系时，地下热水活动可形成局部地热异常区。煤炭开采深度不断增加是社会经 济发展的必然趋势，不可避免，但其引发的热害问题危害极大，解决矿井热害问题刻不容 缓。 矿井热害的危害极大。医学研究表明，人的正常工作环境不宜超过2 8 ℃，长期处于 高温环境里，将会影响人体的新陈代谢，使人感觉不适，不仅会导致注意力不集中，影响 工作效率，甚至会引发心脏病、呼吸系统疾病等一系列并发症，严重危及人的身体健康。 另外，井下的工作环境非常危险，工人的工作量很大，不仅需要工人保持良好的体力，也 需要工人时刻保持高度的警惕，而温度过高将会使人感到晕眩，四肢无力，甚至可能休克， 这种身体状况极大的增加了事故发生的概率。矿井高温也容易引发有毒热浪、硫尘爆炸和 瓦斯爆炸等重大矿井安全事故。井下的高温环境不仅会危机工人的身体健康，也会对井下 的机电设备造成一定的损伤，温度过高一些机械设备将容易发生故障，同时也会降低机械 的工作效率。由1 ．1 可知当温度超过3 1 ℃时井下的生产效率将急剧下降，当温度达到3 5 ℃ 时生产效率甚至降到了2 0 ％。因此，必须找到一种能从根本上解决矿井热害的有效方法。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 s s 。 莪 昧 靛 3 。 2 0 等效温度 ℃ ▲一4 m ／s 风速 1 2 1 T l ／s 风速 2 图1 ．1 等效温度与生产效率的关系 F i g ．1 ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e ne q u i v a l e n tt e m p e r a t u r ea n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y 1 ．1 ．2 井下主要热源 矿井内的高温是由多种热源共同放热产生。主要由以下几种 1 围岩放热 导致矿井内高温的最主要原因就是围岩散热。当矿井通风后，围岩中原有的热平衡被 打破，风流的温度相对较低，这与温度较高的围岩形成明显温度差，热量将从温度较高的 围岩体中逐渐向巷道内风流中散发，然后被风流带走，然后继续散热。围岩的散热是持续 不断的进行的，这使巷道内的温度不断上升，因此必须采取有效的降温措施阻止围岩的不 断散热，使巷道内的温度控制在人体所能承受的范围内。可见围岩放热对矿井内环境的影 响是巨大的。 2 机械设备散热 由于矿井开采时将会使用如掘进机、盾构机等大型机械设备。而这些机械设备因为功 率较大且须长时间处于工作状态，这将使其不可避免的向井下或巷道内释放大量的热量， 这些热量将会直接导致巷道内的温度升高。 3 热水放热 对于大量涌水的矿井，地下水易于流动，且热流量较大，是良好的载体，井下的热水 通过两种方式将热量传递给风流1 岩层中的热水通过热对流的作用，加热了巷道中的 围岩，围岩再将热对流中获得的热量传递给风流；2 井下的热水涌入巷道中使风流温度 升高。 1 ．1 ．3 矿井降温措施 近年来，国内外学者对矿井降温措施不断的研究与改善，并获得了良好的成果。目前 2 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 国内外被广泛使用的矿井降温措施主要有以下三种 1 通风降温技术 通风措施简单有效，并且成本较低，通过通风降温措施可以有效的降低矿井内的温度， 通风还可使矿井内的空气变得清新，维持人体的热平衡，从而提高了工作效率。通风降温 技术被广泛应用于各大矿山，并有效地减缓了矿井热害的危害。但通风降温也具有一定的 局限性。首先，矿井内的风速不得超过规范中限定的最高风速值。煤矿安全规程中规 定巷道内采掘工作面的最高风速不得超过5m ／s ，因此，不能为了降温而一味的增大风速。 另外，研究发现围岩散热量与风速成幂函数增长的关系，即风速越大围岩的散热量将增大， 这是因为风速的增加加剧了热对流作用。通风的目的是降温，但同时又增加了热源的散热 量，因此通风降温技术具有局限性。风量增加将提高机械的故障率从而导致维修成本增加， 而研究表明当风量增加到一定程度时，降温效果不明显，当围岩温度高于4 0 ℃时，通风 降温措施将不起作用。 2 人工制冷降温技术 从2 0 世纪7 0 年代开始，国内外学者开始使用人_ T _ l l l 冷的方式对高温矿井进行降温， 并取得了良好的效果。随着科技水平的提高，制冷设备越来越先进，目前人工制冷降温已 成为一项技术非常成熟的降温措施。人工制冷技术主要包括空气压缩式制冷技术、人工制 冷水降温技术和人工制冰降温技术。按照降温系统位置的设定又可分为井下集中制冷降温 和地面集中制冷降温。虽然人工制冷降温技术具有见效快且降温效果显著，但因其设备复 杂，导致成本非常高，且使用费与维修费也是一笔巨额支出。 3 个体防护 由于通风降温措施和人工制冷降温措施均需要庞大的设备，需设置通风站和制冷站， 因此需要有一定的空间。但某些矿井所处地点恶劣，不具备这种条件因此无法采用这两种 降温措施，这时就需要对工人采取个体防护措施。即当工人们在高温矿井中作业时事先穿 上特制的冷却服，以减缓高温作业下对矿工身体的损害。冷却服种类繁多，效果各异。德 国5 妇冷量2 2 0W 的功率下可持续工作2 ．5h 。尽管个体防护具有成本低，简单便捷等优 点，但长期穿防护服将会对工人的身体造成严重的伤害。相关使用结果显示，工人长期穿 冷却服3 个月即会出现关节炎、风湿性心脏病等疾病，严重影响了公人的身体健康。因此， 个体防护措施应慎用。 1 ．1 ．4 课题的提出 面对矿井热害问题，如何确保巷道内部的正常运营成为了急需解决的问题。根据上文 对井下热源热源的分析可知围岩散热是导致矿井高温的主要原因，因此若要解决矿井热害 就必须解决围岩散热问题。目前国内外解决深井热害的措施可归为两类一种为“被动降 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 温”，是以人工制冷降温技术为主要技术方法，实现矿井降温目的，如机械制冷措施等。 另一种是“主动降温”，是控制向井巷内排放高温气体为主要方法，实现降温目的，如 通过个体防护措施、疏导隔热和采用隔热材料设置隔热层方法。目前被动降温技术较为成 熟且降温效果比较明显，应用广泛，具有立竿见影效果。但被动降温需大量机械设备，耗 资巨大且操作复杂。另外机械工作时长期处于高速运转状态将释放大量热量反而增高了矿 井内的温度。最重要的是被动降温没有从源头上解决围岩散热问题，只能不断的对其降温， 治标不治本，也极大地增加了工程的经济压力。基于此，主动降温的优势便一目了然。主 动降温可以采用向围岩内壁喷涂隔热保温材料的方法将围岩与巷道内部之间的传热通道 关闭，相当于切断了热源。从长远意义上讲，是一种既经济又有效且从根本上解决了导致 矿井高温的围岩散热问题。另外，近年来，房屋建筑领域的节能环保科学技术的发展在一 定程度上对于巷道热害处理提供了一定的启示，特别是空心混凝土、泡沫混凝土、加气混 凝土以及陶粒混凝土成功运用于房屋隔热保温极大地节约了建筑成本，且能满足相应的强 度与变形要求。受此启发，如果研制相应的高强度隔热混凝土，并且运用于高温矿井的围 岩支护，不仅能解决巷道变形问题，而且能有效地解决矿井热害问题。 在房屋建筑领域，隔热混凝土的研究与工程应用取得了巨大的成果。但极少有报道有 隔热混凝土直接应用于矿井工程，隔热混凝土在深部矿井的应用有待进一步的考察与尝 试。巷道混凝土支护结构处于复杂的地质条件下，受力方式不唯一，不仅受压、更有局部 受拉，受剪切作用，且巷道顶部还受相应的弯矩与等复杂作用，且为了防渗以及稳定性考 虑，对混凝土的性能要求相较于房屋建筑行业更高，诸如空心混凝土、加气混凝土等强度 较低、防渗性差的混凝土在巷道隔热工程的运用可能性较小，需要从混凝土集料以及配合 比方面着手，制备适合高温巷道的高强度隔热混凝土。 面对复杂的地下赋存地质条件以及日益增多的深部岩体工程矿井热害事故，深入开展 隔热混凝土集料以及配合比对混凝土试件强度与隔热性能影响的研究，优选出较好的隔热 骨料以及最佳配合比，具有较强的理论研究意义；而且高强隔热混凝土的研究成果不仅可 直接用于矿井热害分析，而且可应用于房屋建筑、资源开采、地热工程、冻土工程和核废 料掩埋等工程，具有重要工程意义。 国内外对于隔热保温材料的研究最早是基于节能理念。能源是人类赖以生存的物质， 而随着经济的发展，人类对能源的需求量正不断提高，长久以来能源正不断地被消耗与浪 费，直到2 0 世纪7 0 年代爆发了轰动全球的能源危机。这一危机引起了人类对节能的重视， 各国纷纷制定相关的节能政策，并开始致力于保温节能材料的研究中，取得了很大的成果。 能源危机爆发后，美国、德国等发达国家率先开始了保温节能材料的研究。 4 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 有机隔热材料因其具有导热系数低、质轻等诸多优点备受欧美的发达国家喜青睐，但 同时有机材料也因其具有强度低、易燃等缺点限制了其的使用领域。因此一些发达国家又 开始了无机轻质隔热材料的研发。其中最主要的就是膨胀珍珠岩与陶粒。美国最早开始将 膨胀珍珠岩用作建筑保温材料，并成为了膨胀珍珠岩使用量最大的国家之一。美国著名的 联合国大厦、国家银行大厦等建筑物的屋顶结构中均采用了膨胀珍珠岩作为隔热材料。膨 胀珍珠岩混凝土被广泛的应用到德国建筑中的散铺隔热、隔音层。在1 9 1 3 年美国就首次 研制了陶粒，在两次世界大战期间均使用了陶粒混凝土代替钢才造船。在1 9 5 6 年美国和 部分加拿大地区陶粒的使用量就已经达到了2 5 0 万立方米。另外，在美国陶粒混凝土不仅 在非承重结构的墙板、楼板和屋盏中被广泛应用，也因其本身具有较高强度而在承重结构 甚至预应力结构中得到很好的利用，并建成了2 2 层陶粒混凝土大楼。可见其性质的优良 性。 近年来由于矿井热害问题的严重性使得国内外学者开始致力于矿用隔热材料的研发。 在国外，南非、前苏联等国家还使用了聚氨酯树脂材料、酚醛树脂材料、聚苯乙烯泡沫等 有机隔热材料进行了巷道隔热方面的研究，一些国家也相继研究了膨胀珍珠岩保温砂浆、 膨胀玻化微珠保温砂浆等及各种复合隔热材料，具有良好的隔热效果。 1 ．2 ．2 国内研究现状 我国对隔热材料的研究较发达国家起步比较晚。从上世纪八十年代，我国也面临能源 危机，开始了隔热材料的研发。 祝国强、李国富【5 6 1 在研究了在高低温巷道采用喷浆和注浆两种方法的主动降温技术， 研究了以玻化微珠为主要隔热材料的保温砂浆的热工及力学性能；郭文兵、姚嵘【8 】等研制 了以珍珠岩为隔热骨料，水泥为胶凝材料并配以硅灰石、粉煤灰等外加剂的深井煤矿巷道 隔热材料，隔热效果较好；李春I j E IE 4 2 1 采用聚氨酯材料作为隔热材料，并通过自建的模拟试 验台对聚氨酯材料的隔热效果进行了测试，测试结果证明聚氨酯的隔热防水效果良好；肖 力光【7 】等以膨胀珍珠岩、页岩陶粒为隔热骨料并配以粉煤灰、引气剂等外加剂配置了具有 导热系数小、抗冻性高等优点的保温砌筑砂浆，并研究了不同掺料对抗压强度与导热系数 的影响；周强【9 】等研发了以膨胀珍珠岩、页岩陶粒为隔热骨料配以粉煤灰等外加剂的建筑 保温砂浆，研究了粉煤灰的活性激发能力并详细阐述了保温砂浆的生产工艺和技术指标； 王智宇【l o 】等深入研究了聚合物保温砂浆的防水性能及抗裂性能，并得到了适用于夏热冬冷 地区保温砂浆的厚度；赵磊【1 l 】等对玻化微珠憎水性能的改善采用的三种方法并对其进行比 较分析，得到了最优的玻化微珠防水方案；施广鑫【1 2 】等研究了不同的纤维