膠結(jié)充填體水化放熱規(guī)律及其影響研究*

魏丁一，杜翠鳳，張宏光，徐海月

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100083；2. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3.馬鋼(集團(tuán))控股有限公司南山礦業(yè)公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

隨著當(dāng)前淺部資源開采的日漸枯竭，金屬礦山逐步轉(zhuǎn)向深部開采，深部開采過程中對于采空區(qū)的治理也越來越難,因此充填采礦法在深部金屬礦山開采過程中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]，許多人對于膠結(jié)充填體的水化過程進(jìn)行了相關(guān)研究。毋林林等[3]對8種粉煤灰膏體進(jìn)行了水化放熱速率和水化熱分析，得到放熱速率和水化熱隨粉煤灰和煤矸石的增加而降低；陳川等[4-7]進(jìn)行了不同持續(xù)低溫的水泥水化熱試驗(yàn)，擬合的水化放熱模型與實(shí)測吻合；張娜等[8-9]利用固廢制備高強(qiáng)混凝土，得到水化硅酸鈣凝膠的發(fā)展和鈣礬石的充填效應(yīng)使后期強(qiáng)度進(jìn)一步提高；朱振泱等[10]提出一種合適的遺傳算法，并得到不同溫度歷程時仍能獲取準(zhǔn)確參數(shù)；董繼紅等[11-13]推導(dǎo)了不同養(yǎng)護(hù)溫度下水泥水化放熱的模型，得到反應(yīng)速率與養(yǎng)護(hù)溫度的關(guān)系，且與推導(dǎo)模型一致。

目前對于膠結(jié)充填體散熱及溫度影響的研究較少，因此對某采場內(nèi)233 m3膠結(jié)充填體的不同位置設(shè)置溫度記錄儀進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，并運(yùn)用Ventsim對于采場內(nèi)的膠結(jié)充填體水化熱進(jìn)行治理。

1 試驗(yàn)方案及測點(diǎn)布置

1.1 測量儀器及方法

采用RC-4溫度記錄儀可設(shè)置時間間隔，通過USB連接電腦后可直接傳輸數(shù)據(jù)，測溫范圍為-30～60℃，分辨率為0.1℃，記錄容量為16 000組數(shù)據(jù)，電池以15 min的時間間隔可使用1 a以上，完全滿足要求。

1.2 充填體測溫方案

選取采深為1 024 m的某個充填體進(jìn)行測定，充填量為233 m3。充填作業(yè)前按如下步驟安裝儀器：

1)將溫度探頭放置在供水管(4分管)中，并用水泥封口，避免充填漿體流入管中。

2)采用供水管作支撐將溫度探頭穿過隔墻并將探頭固定在隔墻擋板內(nèi)側(cè)，RC-4記錄儀在供水管外側(cè)與探頭線連接包裹好，于充填前2 d啟動。

3)采用4×4的矩形布置測點(diǎn)，間距為700 mm。

現(xiàn)場測點(diǎn)位置布置如圖1所示。

1.3 充填體散熱機(jī)理

充填體水化主要是水泥的水化產(chǎn)熱。水泥的水化是指水泥熟料、石膏和水之間一系列化學(xué)反應(yīng)的疊加，水化熱是水泥水化過程中發(fā)生放熱反應(yīng)而產(chǎn)生的熱量[14]。根據(jù)水泥水化放熱速率與時間的關(guān)系，可將硅酸鹽水泥水化分為4個階段,即誘導(dǎo)前期、誘導(dǎo)期、凝結(jié)期、硬化期[14]，如圖2所示。因此以采深為1 024 m的某充填體為例去測量預(yù)估充填體的放熱量。

圖2 水泥水化過程的放熱Fig.2 Exothermic curve of cement hydration process

1.4 計算方法

充填體放熱中起主導(dǎo)作用的是水化放熱和后期緩慢放熱，選取現(xiàn)場的充填體進(jìn)行溫度記錄測試，數(shù)據(jù)處理后應(yīng)用下式計算充填體放熱：

qc=CcmcΔt

(1)

式中：qc為放熱量，kW；mc為充填量，kg；Cc為充填體比熱，此處取1.004 8 kJ/(kg·℃)；Δt為充填后7 d的平均溫度變化率，℃/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)圖1布置16個測點(diǎn)，在距充填體隔墻外部約3 m處記錄充填體外部氣溫變化。由于設(shè)備損壞等原因，部分測點(diǎn)數(shù)據(jù)不全，其中A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，L，M，Q等11個測點(diǎn)數(shù)據(jù)較完整?？紤]測點(diǎn)及分布對稱性，選取測點(diǎn)A，Q和F作為計算依據(jù)，其中測點(diǎn)A和Q代表四周測點(diǎn)，測點(diǎn)F代表中間測點(diǎn)。A，Q，F(xiàn)及外部氣溫變化如圖3所示。

圖3 充填體測點(diǎn)A，Q，F(xiàn)及巷道內(nèi)氣溫記錄Fig.3 Cemented backfill body measuring points A，Q，F(xiàn) and air temperature in the roadway

由圖3(a)～(c)可知，3個測點(diǎn)溫度變化規(guī)律呈現(xiàn)一致性，前3 d溫度基本不變化，且與巷道內(nèi)氣溫接近。3～6 d溫度急速上升，在第6 d達(dá)到極大值，6 d后緩慢下降，至30 d時溫度基本趨于穩(wěn)定。

這是由于溫度探頭預(yù)埋入隔墻，在充填前2 d開始啟動記錄儀，因此前2 d的溫度與巷道內(nèi)氣溫近似。第3 d充填結(jié)束，水泥與尾砂等發(fā)生水化反應(yīng)熱。放熱高峰出現(xiàn)在水化反應(yīng)過程中的初凝和終凝期間[14]，對應(yīng)于充填后若干小時至若干天內(nèi)。由現(xiàn)場實(shí)測可知放熱高峰出現(xiàn)在充填后第1 d至第4 d，對應(yīng)記錄儀的第3 d至第6 d，這與文獻(xiàn)放熱高峰出現(xiàn)時間吻合[14]。

圖3(d)是充填體周圍氣溫的變化，前3 d氣溫與測點(diǎn)A近似，第3 d至第6 d氣溫呈上升趨勢，第6 d后氣溫逐漸下降，之后與充填作業(yè)前氣溫大致相同，因此周圍氣溫與充填體溫度變化呈正相關(guān)。在充填作業(yè)完成后第25 d出現(xiàn)的溫度波動，可能是由于設(shè)備轉(zhuǎn)移或人員的后續(xù)作業(yè)引起。

比較圖3(a)、(b)和(c)可知，盡管放熱規(guī)律近似，但溫度極值呈現(xiàn)差異性。測點(diǎn)A的溫度由接近巷道氣溫的25℃迅速升至A1時的30.5℃，在第6 d升至峰值A(chǔ)2時的36.1℃；之后充填體內(nèi)部溫度開始下降，緩慢向外散熱，到第39 d時溫度緩慢下降并基本穩(wěn)定至26.4℃。同理如圖3(b)和(c)，在充填作業(yè)完成后的第3 d分別達(dá)到的最大值為34和42.1℃，測點(diǎn)Q最終穩(wěn)定溫度為26.5℃，測點(diǎn)F最終穩(wěn)定在30℃左右。

A，Q測點(diǎn)與邊幫圍巖相鄰，因此極值溫度及最終溫度變化比較相近，而中心測點(diǎn)F的極值溫度比A，Q分別高6和8℃，最終溫度高3.5℃。這是由于水化過程中周邊測點(diǎn)的水化熱會沿低溫巖壁方向進(jìn)行熱傳遞，因此極值溫度相對較低；中部測點(diǎn)F由于周邊水化熱的聚集不易進(jìn)行熱傳遞，因此極值溫度相對較高。

2.2 試驗(yàn)討論

由于采用充填法采礦，采充比為1∶1。根據(jù)采礦工藝的要求，充填體強(qiáng)度為1～4 MPa。充填材料以全尾砂和水淬渣為骨料，水泥與石灰組成復(fù)合膠凝劑。充填過程中產(chǎn)生的熱量不可忽視，且放熱主要為水泥水化放熱。

將現(xiàn)場充填體溫度實(shí)測數(shù)據(jù)代入公式(1)計算，得到加權(quán)平均值為10.92 kW。因此233 m3充填體的散熱量為10.92 kW。結(jié)合不同采深充填量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算得到不同采深充填體的放熱量如圖4所示。

圖4 各采深的充填量及放熱量Fig.4 Cementing volume and heat release at each depth

由于采深為976 m的水平作業(yè)強(qiáng)度較大，因此充填量及散熱量大。由圖4可知，充填體向空氣中散熱262.079 kW，對采場有較大影響。對比可知充填體放熱在整個熱源結(jié)構(gòu)中占比最大，達(dá)48.5%。

充填體放熱可分為2個過程，一是快速水化放熱過程，充填體溫度迅速上升，在充填作業(yè)結(jié)束后第2 d至第4 d，極值溫度可達(dá)42℃；二是緩慢散熱過程，自身溫度緩慢下降，直到充填體溫度冷卻到與周圍環(huán)境基本一致。計算得到采深為976 m的水平充填體放熱貢獻(xiàn)率達(dá)到最高為69.8%，充填體散熱是該水平的最重要熱源，采深為1 456 m的水平暫時沒有采場，故充填放熱為零。因此需要對于充填體放熱進(jìn)行重點(diǎn)治理。

3 充填體放熱對巷道溫度的影響

由于充填體內(nèi)部水化放熱量較大，且通常位于采場最末端，通風(fēng)效果相對不好，因此容易熱蓄積造成熱害。通過現(xiàn)場實(shí)測后設(shè)置10.92 kW的熱源作為充填體，模擬初始條件如下：巷道斷面寬高均為3 m，拱高為1/3巷寬的三心拱，巷長為116 m，采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)量為3 m3/s，風(fēng)溫為22.2℃，巖溫為17.1℃，模擬充填7 d后巷道溫度分布如圖5所示。

由圖5可知，巷道供風(fēng)量為3 m3/s時，充填作業(yè)完成7 d后附近氣溫升至27.9℃，風(fēng)流經(jīng)過長約100 m巷道的冷卻降溫后降至23.8℃。因此充填體只在采場內(nèi)存在熱害，此時保證有效通風(fēng)量可避免更嚴(yán)重的熱蓄積，大大降低采場熱害。

圖5 充填體對巷道氣溫的影響Fig.5 Effect of cemented backfill on roadway temperature

4 采深為1 456 m的采場熱環(huán)境預(yù)測

目前1 456 m采深處于開拓階段，沒有充填體且低溫裂隙水水量大，因此熱害并不突出。假定該水平進(jìn)入回采，其開采強(qiáng)度及充填量參照964 m采深。在此條件下預(yù)測1 456 m采深進(jìn)入回采階段后充填體處于3 d水化放熱高峰時的采場熱環(huán)境參數(shù)。

現(xiàn)場實(shí)測采深為1 456 m的原巖溫度為23.38℃，入口溫度設(shè)為夏季月平均氣溫21.5℃，地?zé)嵩鰷芈蕿?.4℃/hm。探礦道編號從左至右為1#～10#。通過Ventsim軟件對1 456 m采深的熱環(huán)境分布進(jìn)行預(yù)測模擬如圖6所示。相應(yīng)的溫度分布如表1所示。

圖6 采深為1 456 m時的溫度模擬結(jié)果Fig.6 Temperature simulation result with a depth of 1 456 m

表1 采深為1 456 m時的溫度變化Table 1 Temperature change with a depth of 1 456 m

按照評價指標(biāo)人體舒適度指數(shù)ssd、WBGT指數(shù)、熱應(yīng)力指數(shù)HSI和PMV-PPD分別對采深為1 456 m水平的各采場相關(guān)數(shù)據(jù)計算熱環(huán)境參數(shù)，得到采深為1 456 m水平的采場人體熱參數(shù)和各評價指標(biāo)值如表2所示。

表2 采深為1 456 m的采場熱參數(shù)和評價指標(biāo)值Table 2 Stope thermal parameters and evaluation index values with a depth of 1 456 m

礦井熱害等級主要受風(fēng)速、充填體、裂隙水、氣溫及作業(yè)時間的影響，風(fēng)速越大，熱害等級會降低。充填體作為最主要熱源，對采場熱環(huán)境影響大。

由表2可知，采深為1 456 m水平的獨(dú)頭風(fēng)量對巷道氣溫有一定影響，風(fēng)速越大降溫效果越明顯。當(dāng)獨(dú)頭風(fēng)量為3 m3/s時，1#、4#和7#這3個探礦道人體蓄熱率(S)分別為52.07，56.52 及60.57 W/m2，均大于0，人體會積聚大量熱量；熱應(yīng)力指數(shù)分別為133.69，164.54及206.40，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極限值100；PMV值分別為1.86，2.02及2.16，預(yù)測不滿意百分比PPD分別為69.92%，77.45%和83.43%，大部分人不滿意；ssd分別為77.68，79.33和80.82，需注意防暑降溫。故當(dāng)獨(dú)頭風(fēng)量為3 m3/s時，按采掘工作面風(fēng)流溫度劃分[15]，采深為1 456 m的采場屬于一級熱害礦井。

當(dāng)風(fēng)量增至6和9 m3/s時，氣溫分別下降3和4℃，評價指標(biāo)值S,HSI,PMV-PPD和ssd均出現(xiàn)大幅度減小。當(dāng)獨(dú)頭風(fēng)量由3 m3/s增至6 m3/s時，采場S值均下降了10 W/m2左右，HSI降低60，PMV降低0.4，PPD降低20，ssd值降低5；當(dāng)風(fēng)量由6 m3/s增至9 m3/s時，采場S值均下降了5 W/m2，HSI降低20，PMV降低0.2，PPD降低12，ssd降低2。因此加大風(fēng)量明顯改善采場熱環(huán)境，熱害等級也降至一級熱害標(biāo)準(zhǔn)以下。

加大采深為1 456 m的有效風(fēng)量，提高采場風(fēng)速是改善熱環(huán)境的有效措施，此外調(diào)節(jié)工作時長，必要時采取人工制冷和冷卻入風(fēng)流的措施。目前熱環(huán)境參數(shù)均在風(fēng)速較小時測得，加大風(fēng)速后會明顯改善，新近充填體附近如需作業(yè)時應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)，注意環(huán)境變化并及時補(bǔ)充水分。

5 結(jié)論

1)采用充填采礦法的作業(yè)面均依靠局扇供風(fēng)，因此局部通風(fēng)的好壞直接影響采場熱環(huán)境，因此應(yīng)加大風(fēng)量以緩解熱害。現(xiàn)場實(shí)測充填作業(yè)完成后3 d內(nèi)熱量達(dá)到最大，此時周圍氣溫達(dá)28℃以上，應(yīng)依據(jù)降溫風(fēng)速(0.5～1.0 m/s)要求重新計算采場需風(fēng)量。

2)運(yùn)用Ventsim預(yù)測采深為1 456 m的采場熱環(huán)境，當(dāng)獨(dú)頭風(fēng)量為3 m3/s時為一級熱害礦井，風(fēng)量增至6 m3/s和9 m3/s時降至一級以下。且初始風(fēng)溫為21.4℃,風(fēng)量為6 m3/s時氣溫降至27.2℃，因此加大采場有效風(fēng)量和風(fēng)速是改善深部熱環(huán)境的有效措施。

3)充填水化熱與采場氣溫正相關(guān)，因此合理安排作業(yè)，避免在新近充填體周圍作業(yè)；若需作業(yè)時應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)，人員上崗前及在崗期間應(yīng)進(jìn)行職業(yè)健康檢查并及時發(fā)放防暑藥和飲品，避免高溫出現(xiàn)緊急情況或危險。