矿山载/蓄冷功能性充填基础理论

王美^1,2，刘浪^1,2，张波^1,2，张小艳^1,2，郇超^1,2，赵玉娇^1,2，屠冰冰³

1. 西安科技大学能源学院2. 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室3. 西安科技大学理学院

摘 要：深井热害是矿产资源开采面临的重大问题,为改善矿井降温效果、提高冷量利用效率,提出了一种结合深井降温需求与充填采矿特点的载/蓄冷功能性充填降温方法,与传统矿井降温方式相比,该方法省去了井下空气调节末端装置和载冷介质输送系统,并营造出采场整体低温环境,其经济和安全效益明显。制定了载/蓄冷功能性充填的总体实施方案,包括材料制备、充填料浆输运、充填体相变降温、充填体固结强化4个阶段。材料制备与配方优化方面提出了以料浆的流动特性,充填体的传热特性,充填体的力学强度特性为三大约束条件的优化目标;在充填体相变降温方面建立了基于焓法模型、多孔介质模型和水化放热模型的载/蓄冷相变充填体瞬态相变传热模型,并以实验验证了该相变传热模型的准确性,应用该模型计算了井下条件中载/蓄冷相变充填体相变过程中的温度和液相率随时间变化的分布特征,对比初始液相率和料浆浓度2个影响因素,计算分析得出影响降温的主要因素为初始液相率;在充填料浆输运方面,实验表明随着初始液相率减小,含冰量增加,屈服应力与塑性黏性系数均增加,采用宾汉模型以及实验测试出的屈服应力与塑性黏性系数,得出了预测工程实际中管道输运剪切应力特性的计算公式;在充填体强度方面,实验表明抗压强度与含冰量之间的关系呈现出阶段性特征,随初始液相率从100%降低到临界值,强度逐渐增加,当初始液相率低于临界值,强度随初始液相率降低而降低,对不同阶段的特征分析了各阶段占优的影响因素及影响机制。

关键词：深井降温;充填采矿;相变传热;料浆输运;强度;