三山岛金矿深部巷道围岩放热系数实验研究.pdf

第 3 1 卷第 2 期 2 0 1 5年 0 4月 有 色 矿 冶 N0N F ERR0US M I NI NG AND M ETALLURGY VoI _ 31 ．№ 2 Apr i l 2 01 5 文 章 编 号 1 0 0 7 9 6 7 X 2 0 1 5 0 2 1 5 0 4 三 山岛金矿深部 巷道 围岩放热 系数 实验研 究 ** 王瑞 星 ， 沃杭 帅。 ， 赵兴 东。 ， 闰东光 1 ． 山东黄金矿业 莱州 股份有限公司 三山岛金矿 ， 山东 莱州 2 6 1 4 4 2； 2 ． 东北大学 资源与土木工程学 院 辽宁 沈 阳 1 1 0 8 1 9 摘 要 随着矿山开采深度增加 ， 原岩温度亦不断 升高 ， 围岩放热是深部矿 体热环境 恶化 的诱 因之 一 ，严重制约深部 矿体的安全高效 开采 。为有效 分析三 山岛金 矿深部 巷道 围岩热 源灾害 诱 因 ， 本文通过在 三山岛不同 中段现 场钻取 岩样 ， 在 实验室 内进行 加工 ， 应用 稳态法 测试 岩石放热系数 ， 测试结 果表明 围岩 的热传导 系数 随地点不 同亦有 一定 的差异 ， 三 山岛金 矿岩石的平均热传导率为 1 ． 9 2 ， 围岩 的平均 热传 导率为 1 ． 7 9 ， 借此 可 以分 析 围岩放 热量 ， 为深部降温提供基础数 据。 关键 词 导热率 ； 围岩放热 ； 稳态 法 ； 深部 开采 中图分 类号 TD 2 6 3 ． 2 文献标识码 A 1 引 言 目前 ， 我国地下金属矿山多数 已进入中晚期开 采时期， 矿井采掘深度增加 ， 开采越深 ， 井巷 围岩的 温度越高 ， 围岩 的散热量越 大； 在 持续 的高温条件 下， 人员的健康和工作能力将会受到很大的损伤 ， 这 影响到采掘工作的正常进行 ， 使 劳动生产率大大下 降。据统计资料 ， 超过适合人体温度后 ， 温度每增加 1 ℃， 工人 的劳动生产率将降低 7 ～1 0 。而围岩 散热 作为 矿井 深 部 的 主要 热 源之 一 ， 在 总 的放 热 量 之中占有很大 比重。热导率 导热系数 是一个重 要物理量 ， 它是围岩放热量 的控制性 因素之一。因 此 ， 进 行深 部 巷道 围岩 的 放 热 系数 的研 究 对 围岩 放 热量的计算有重要 的意义[ 1 7 ] 。 三山岛金矿直属矿 区采用 中央混合井 、 斜坡道 进 风 ， 南 、 北 回风井 出风 的两 翼 对 角 抽 出 式 通 风 ， 是 典 型 的 中央入 风 、 两 翼 出风 的通 风 系统 。深部 一6 0 0 n l 水 平 以下 近几 年新 增 至 一7 8 0 m 水平 的 几个 中段 内岩温较高且有大量热涌水 ， 并且通风不 畅导致深 部热量淤积使深部工作环境极其恶劣。井下热害已 成为制约其向深部开采 的最主要 因素。本文 以三 山 岛金 矿 为背景 采用 稳态 法来 测 岩石 的导 热 系数 。 2 试 验方法 2 ． 1 试验 原 理 本实验采用 YB F一2型导热系数测试仪进行测 试 ， 实验仪 器 如 图 1所 示 。 一 图 1导 热 系数 测 定 仪 根据傅立叶导热方程式， 在物体 内部 ， 取两个垂 直与热传导方 向、 彼此 问相距为 h 、 温度分别为 T 、 T 。的平行平面 设 T T ， 若平 面面积均为 S ， 在 时 间 内通 过 面积 S的热量 △ Q满 足 下述 表达 式 一 s ； 1 △ 【 n 式 中 热 流 量 ； L 即为该物质的热导率 又称作导热系数 ， Wm 一 K 。 在支架上先放上 圆铜盘 P， 在 P的上面放上待 测样 品 B， 再 把 带发 热 器 的 圆铜 盘 A 放 在 B上 ， 发 热器通电后 ， 热量从 A盘传到 B盘 ， 再传到 P盘， 由 于 A、 P盘都 是 良导体 ， 其 温度 即可 以代 表 B盘 上 、 下表 面 的温度 T 、 ， T 、 T 。 分别 由插入 A、 P盘边 缘 小 孔热 电偶 E来 测 量 。 由式 1 可 知 ， 单 位 时 间 * 基金 项目 国家十二 五科技支撑计划 2 0 1 2 B AB 0 8 B 0 1 ； 国家 自然科学基金 5 1 4 7 4 0 5 2 ， 5 1 1 7 4 0 4 4 ； 辽宁省教育厅 L J Q2 O 1 2 O 2 4 ； 省科技 厅人 才项 目 2 0 1 3 9 2 1 0 7 0 ； 国家 8 6 3 项 目 2 0 1 1 AA 0 6 0 4 0 0 ； 北京 市科技 计划 重大科技 成果转化落地培育项 目 Z 1 4 1 1 0 0 0 0 3 5 1 4 0 1 2 资助 。 * * 收稿 日期 2 0 1 4 1 1 2 O 作者简介 王瑞星 1 9 7 o 一 ， 采矿高级工程师 ， 三山岛金矿运营部经理 ， 主要从事建井与采矿技 术管理 工作。 1 6 有色矿冶 第 3 1卷 内通过 待测 样 品 B任一 圆截 面的热 流量 为 一 式 中 R 样 品 的半径 ， 1T I ； h 样 品的厚 度 ， m； 当热传导达到稳定状态时 ， T 和 T 的值不变， 于是 通 过 B盘 上 表 面 的热 流 量 与 由铜 盘 P 向周 围 环 境 散 热 的 速 率 相 等 ， 因此 ， 可通 过 铜 盘 P在 稳 定 温度 时 的散 热 速 率 来 求 出 热 流量 。试 验 中 ， 在 读 得 稳定 时 的 T 和 T z后 ， 即可 将 B盘移 去 ， 而 使 盘 A 的底 面与铜 盘 P直 接 接 触 。 当盘 P 的温 度 上 升到高 于稳定时 的 T 值若干摄氏度后， 再将圆盘 A移开 ， 让铜盘 P自然冷却 。观察其温度 T随时间 t 变化情况 ， 然后 由此求 出铜盘在 T。 的冷却速率 k ， 而 roC k 1 T I 为 紫铜盘 P的质 量 ， C为铜 材 的 比 热容 ， 就 是 紫铜盘 P在 温度 为 T 时的散 热速 率 。 但要注意 ， 这样求出的 k是紫铜盘 P的全部表面暴 露 于空气 中 的 冷 却 速 率 ， 其 散 热 表 面 积 为 2 R 2 丌 RP h r 其 中 R r与 h 分 别 为 紫 铜 盘 的 半 径 与 厚 度 。然 而 ， 在观 察测 试 样 品 的稳 态 传 热 时 ， P盘 的 上 表面 面积 为 7 r R 。 是 被 样 品覆 盖 着 的。考 虑 到 物体的冷却速率与它 的表面积成正 比， 则稳态 时铜 盘散热速率的表达式应作如下修正 A △ Q mCk 3 将式 3 代人 式 2 ， 得 入 m Ck ㈩ 2 ． 2试验 步骤 2 ． 2 ． 1 试 验试 件 的制备 样本选取坚持有充分代表性并且尽量采集新鲜 岩 石 的原则 ， 在 三 山岛 金 矿 的不 同 阶段 进 行 了岩 石 的取样 。试 件 为 圆柱 形 ， 所 用 试件 的具 体 参 数 如 表 1所示 。 表 1 试 件参数 试件编号 岩石类型 比热 k J ／ k g℃ 密度 k g ／ m。 半径 RB mm 厚度 h B mm 标高 m 6 4 5 K1 6 4 5 K2 6 4 5 K3 6 9 0 Kl 6 9 0 K2 6 0 Y 6 4 5 Yl 6 4 5 Y2 6 4 5 Y3 角闪岩 角闪岩 角闪岩 花 岗 岩 花 岗岩 花 岗岩 花 岗岩 花 岗岩 花 岗岩 一 6 4 5 6 4 5 645 6 9 O 一 6 9 O 6 0 0 6 4 5 6 4 5 6 4 5 2 ． 2 ． 2 试 验 步 骤 1 先将 岩 石 试 件 放 在 散 热 盘 上 面 ， 然 后 将 发 热盘 放在 样 品盘上 方 。 使 样 品盘 的 上 下 两个 表 面 与 发热盘和散热盘紧密接触 ， 一定要使样品盘、 加热盘 和散 热 盘对齐 。 2 本 实验 选 用 铜 一康 铜 热 电偶 测 温 度 ， 将 二 个热 电偶 的热 端 涂上硅 脂 后分别 插入 加热 盘 和散热 盘侧面的小孔 中， 并分别将热电偶接线连接到仪器 面板 的传感 器 I、 Ⅱ上 。将 加热 组件 与 电源链 接 。 3 接 通 电源 ， 在 “ 温 度 控 制 ” 仪 表 上设 置加 温 的上 限温度 。加 热岩 石试 件 。 4 每 隔 3 rai n记 录 ￡ 和 ￡ 值 ， 填 入 表 2 。大 约 8 0 rai n后 ， 加 热 盘 和 散 热 盘 的温 度 不再 上 升 ， 说 明已达 到稳态 。 5 测量散热盘在稳态值 T 附近 的冷却速率 k 。移开加热盘， 取下岩石样本 ， 并使加热盘的底面 与散热盘直接接触 ， 当散热盘的温度上升到高于稳 态的 T 值若干度后 ， 再将加热盘移开 ， 让散热盘 自 然冷却 。每隔 3 0 S 记录散热盘 ￡ 的值填入表 3 ， 计 算散热盘的冷却速率 k 。 3 试验结果及分析 1 记 录稳 态 时 样 品盘 上 、 下 表 面 的温 度 所 对 应 的 电压 ￡ 和 ￡ 2 。 2 记录散热盘 自然冷却时 ￡ 。 随时间的变化 。 3 将 记 录 的 电压 值 转 换 为 温 度 值 ， 查 铜 一 一 康铜热电偶分度表得 出稳态时 电压所对应 的温度 ， 并用作 图法求 出散热盘在稳态值 T。 附近的冷却速 率 k ， 如 表 4所示 。 ∞ ％ ∞ ∞ 船 强 勰 勰 第 2 期 王瑞 星等 三 山岛金矿 深部 巷道围岩放热系数实验研究 1 7 表 3下 铜 盘 散 热 时 温 度 随 时 问 变化 表 4 稳态 时温 度及 冷却速率表 将表 4所得的数据代入式 4 可得出试验结果 ， 如表 5所示 。 通过对三山岛金矿巷道围岩热传导率的试验研 究 ， 初步得到了三 山岛金矿的岩石热传导率的规律 及特性。影响岩石热导率 的因素很多 ， 除主要取决 于 岩石成 份特 点 和结 构 特 点 外 ， 温 度 和 压 力 等 因素