深部巷道地聚合物泡沫材料及隔热性能研究

摘要

煤炭随着浅部资源逐渐枯竭，深部开采已不可避免，由此引发的深部热环境及人工控制逐渐成为限制能源资源可持续发展的重要问题。传统矿井人工降温仅仅考虑地下围岩、设备、人员等冷负荷，导致系统设计容量大、运行耗能高等问题不断显现。本文从被动降温和节能角度出发，研究适合地下巷道用的隔热材料物理力学性质及变化规律，分析深部高温巷道壁面敷设隔热层后围岩温度及其与风流间换热量变化，研究不同条件下地下巷道内风流温度变化规律。 首先研究了粉煤灰基地聚合物泡沫材料物理力学性质及变化规律。结果表明，水灰比0.4时NaOH添加量为10%时抗压强度高，抗压强度、导热系数均随干密度增加呈非线性增大，添加不同含量纤维可不同程度增加抗压强度和导热系数，粗、细骨料对强度及导热系数的影响规律不同。表面喷涂憎水剂对强度和导热系数影响不大，但直接添加憎水剂到浆液内部可显著影响强度和导热系数。试样表面憎水处理后可大幅降低试样吸水性能，可降低外部热湿环境对隔热材料导热系数的影响。 采用解析和数值模拟方法研究了地下巷道全断面及部分隔热时围岩温度场及对流换热变化规律，结果表明铺设隔热层可显著降低巷道近壁面处围岩温度，热流密度随隔热层厚度增加及隔热材料导热系数降低而显著降低；围岩导热系数越大，热流密度越大；对流换热系数对热流密度几乎无影响；单位长度巷道对流换热量随巷道等效半径增大而增加。部分隔热时隔热层铺设范围越大，巷道与风流间换热量越小，铺设隔热层位置处围岩温度分布较未铺设隔热层时显著降低。 基于CFD计算分析了周期性风流温度时围岩温度场演变及恒定风流时巷道内部风流温度场变化规律。周期性风流温度下，围岩温度随风流温度发生周期性波动，温度波振幅和相位滞后程度分别随围岩深度增加而衰减和增大。恒定风流温度时，巷道内部近壁面处风流温度高，轴心处风流温度低。巷道围岩温度沿轴向呈线性增加，轴心处风流温度呈近似线性增大。铺设100mm隔热层，500m巷道和2000m巷道的百米温升降幅分别为30%和40%。

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