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《太原理工大学》 2010年
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高温岩层巷道主动降温支护结构技术研究

李国富  
【摘要】:科学预测,未来矿井热害防治技术将决定着矿井的极限开采深度。目前国内外对矿井热害的治理以加大通风量降温、制冷降温和制冰降温等被动降温方法为主,其主要缺限是投入大、能耗高、效率低。论文提出的主动降温技术,是在巷道支护结构中添加隔热材料,形成“隔热结构”,将热害阻止在井巷外围,降低围岩热量向井巷的排放,达到减排降温目的。 减少高温岩层向巷道的热排放,降低巷道风流温度,实现矿井节能是研究的主要目的。首先在矿井降温理论基础上,推导出巷道隔热结构的减排和降温计算理论模型,为巷道隔热效果分析和试验提供了理论依据;其次,通过实验和试验,开发出玻化微珠基材的巷道“注浆”和“喷浆”新型隔热材料,应用于高温巷道隔热结构,实现巷道隔热、减排、降温;最后,经现场试验研究,得出了巷道减排和降温计算理论模型,并总结出试验条件下,喷浆、注浆、注填和矿物类型隔热层放热量和巷道出口风流温度分析模型。研究为巷道隔热、减排和降温工程的设计应用,为隔热结构实施前后降温效果预测提供了依据。 主要研究内容与创新: 1.研究了巷道“非隔热结构”和“隔热结构”的热传递特征。根据“非隔热结构”热传递和温度场理论,建立了巷道“隔热结构”热传递分析计算理论模型;提出了不稳定换热系数k’、巷道热排量、风流温度及降温效果解析计算式,为巷道“隔热结构”设计提供了理论依据。 2.分析了多孔状、纤维状、组合状及玻化微珠等结构材料的传热特征、机理和传热模型,为巷道新型玻化微珠隔热材料的研究开发提供了理论依据。 3.实验室研究中以玻化微珠为基材,开发了用于井巷隔热结构的“注浆隔热”和“喷浆隔热”两种新型材料。试验测定了9组“注浆隔热”和9组“喷浆隔热”材料的不同配合比,并制作了用于导热系数、单轴抗压强度、侧限抗压强度和渗流系数测试试件,测得各组试验数据。采用正交设计理论,对试验数据进行直观和方差分析,考虑导热系数和强度指标的主次关系,得出了“注浆隔热”最优配比为玻化微珠:水泥:砂子:添加剂注1#=120:350:200:20;“喷浆隔热”最优配比为玻化微珠:水泥:砂子:添加剂喷3#=200:150:150:20。并得出了玻化微珠在“注浆隔热”和“喷浆隔热”材料中掺量与导热系数、单轴抗压强度、侧限抗压强度的实验模型,为巷道隔热结构的设计实施与效果分析提供了实验参数。 4.对“注浆隔热”和“喷浆隔热”结构方案的结构力学性能和稳定性进行了理论分析和数值分析,结果表明两种类型隔热层在巷道变形和受力过程中保持稳定,满足支护结构需要。 5.对“注浆隔热”层结构进行了隔热性能和稳定性能的现场试验,通过对巷道终端风温测试,并对理论计算值与实测值进行对比分析,表明巷道温度的计算值与实测值误差范围在10%以内,计算和实测数据具有较高的拟合性,可以作为同类条件下巷道风流温度设计预测的依据。 6.对“注浆隔热”层结构进行力学性能和稳定性观测分析,“注浆隔热”层侧限压力小于其侧限抗压强度;巷道顶底板相对位移一般不超过40mmm,两帮相对位移一般不超过35mmm,巷道表面变形稳定。监测结果表明“注浆隔热”材料满足结构的力学性能和稳定性要求。 7.试验推导出喷浆、注浆、注填、矿物类型隔热的巷道放热量和出口风流温度分析模型及方程,可以作为同类工程技术条件下巷道放热量和巷道出口风流温度分析预测模型,为设计、施工和参数预测提供了依据,具有显著的应用价值。 8.技术经济分析表明,巷道“隔热结构”在控制矿井地热方面具有显著的技术经济效益,经深入研究推广,将产生更大的社会效益。 该课题的研究成果丰富了煤矿、非煤矿山和地下工程领域井巷主动降温的理论和技术,为矿井降温节能提供了新的途径,对制定我国矿山和地下工程领域降温节能的行业标准和技术规范提供了借鉴。 项目研究开发获得资助的有:国家自然基金:“基于关键块运动原理采场矿压研究”,项目号:50774078;国家重点实验室开放基金:“巷道围岩注浆技术研究”,项目号:07KF02。 研究开发的“地下工程用刚柔性防水密闭材料及应用”、“具有吸能与抗压的地下硐室”获得两项国家发明专利。“基于平战结合的地下高效停车系统研究开发”项目在研究中引用了该论文多项研究成果,并获得国家金桥奖,证书号:JQJ2009-X-021。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TD353

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
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2 张源;万志军;周长冰;程敬义;;巷道/隧道围岩非稳态导热模化试验方法[J];采矿与安全工程学报;2014年03期
3 王建平;;高原高地热隧道热害防治安全施工技术[J];中小企业管理与科技(上旬刊);2014年04期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 张源;高地温巷道围岩非稳态温度场及隔热降温机理研究[D];中国矿业大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 祝国强;深井巷道玻化微珠隔热结构体系的研究[D];太原理工大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 樊丽军;玻化微珠保温混凝土试验研究及其剪力墙结构抗震性能分析[D];太原理工大学;2008年
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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7 杨红霞;戴天兴;崔保龙;吴小强;;陶粒湿屋面传热过程的有限元解法[J];四川建筑科学研究;2010年04期
8 刘霞;叶燕华;王滋军;孙仁楼;卢吉松;;国内外节能结构体系发展现状[J];四川建筑科学研究;2011年06期
9 张仁义;顾强康;林超群;何培;;沥青和水泥混凝土导热特性研究[J];四川建筑科学研究;2012年01期
10 李茜;苏华;李晓虹;张燕;;地源热泵竖埋U形换热器一维数值模型[J];四川建筑科学研究;2012年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 林达明;尚彦军;孙福军;孙元春;吴锋波;刘志强;;岩体强度估算方法研究及应用[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
2 周剑;张路青;胡瑞林;王学良;;大型结构面产状影响下应力波传播规律研究[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
3 季玲玲;周光魏;寇智慧;赵保国;杜志明;郭泽荣;;圆柱形烟花热自燃数学模型研究[A];全国危险物质与安全应急技术研讨会论文集(上)[C];2011年
4 魏琪;赵俊;;太阳能空气集热器传热性能实验研究[A];中国建筑学会建筑热能动力分会第十六届学术交流大会论文集[C];2009年
5 林芸;赵强;方肇洪;;水平螺旋埋管地源热泵的研究[A];中国建筑学会建筑热能动力分会第十六届学术交流大会论文集[C];2009年
6 介鹏飞;李德英;;能耗统计在建筑节能工作中的应用[A];中国建筑学会建筑热能动力分会第十六届学术交流大会论文集[C];2009年
7 亓玉栋;宋桂梅;刘志国;;我国煤矿高温矿井热害治理现状综述[A];中国建筑学会建筑热能动力分会第十七届学术交流大会暨第八届理事会第一次全会论文集[C];2011年
8 王爱爱;程春;黄炜;魏京胜;高涛;;高温矿井热害机理的实验研究[A];中国建筑学会建筑热能动力分会第十七届学术交流大会暨第八届理事会第一次全会论文集[C];2011年
9 李新;方亮;赵强;张方方;方肇洪;;螺旋埋管地热换热器的线圈热源模型[A];中国建筑学会建筑热能动力分会第十七届学术交流大会暨第八届理事会第一次全会论文集[C];2011年
10 王超;赵自豪;陈世江;伍永平;;西部深井软岩巷道围岩变形失稳的FLAC数值分析[A];2011年中国矿业科技大会论文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李伟;深部巷道围岩稳定性安全控制原理与应用研究[D];山东科技大学;2010年
2 谷海峰;密度锁内水力特性的研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 王猛;煤矿深部开采巷道围岩变形破坏特征试验研究及其控制技术[D];辽宁工程技术大学;2010年
4 付文俊;矿井封闭火区救灾辅助决策系统研发[D];辽宁工程技术大学;2010年
5 李刚;水岩耦合作用下软岩巷道变形机理及其控制研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
6 高晓阳;甘肃河西大麦麦芽干燥控制系统研究[D];甘肃农业大学;2010年
7 宋新华;宁夏矿产资源产业布局研究[D];中国地质大学(北京);2010年
8 左远志;熔融盐高温斜温层混合蓄热的热过程特性[D];华南理工大学;2010年
9 姚栋伟;汽油机燃用乙醇汽油混合燃料的空燃比控制技术研究[D];浙江大学;2010年
10 朱登亮;槽形竖壁冷凝强化规律研究与结构优化[D];华东理工大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 何权富;矿井热参数测算方法研究[D];河南理工大学;2010年
2 潘少杰;新安煤田瓦斯赋存规律与突出区域预测指标研究[D];河南理工大学;2010年
3 张艳利;局部通风掘进工作面换热系数计算方法研究[D];河南理工大学;2010年
4 唐杰兵;平煤十一矿软岩破坏巷道修复治理研究[D];河南理工大学;2010年
5 陈勇;开滦矿区深部开采地表移动规律的研究[D];河南理工大学;2010年
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10 孙明;深井底板突水判别和预测系统开发研究[D];山东科技大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张建荣;刘照球;刘文燕;;混凝土表面自然对流换热系数的实验研究[J];四川建筑科学研究;2007年05期
2 胡增辉;李晓昭;赵晓豹;肖琳;武伟;;隧道围岩温度场分布的数值分析及预测[J];地下空间与工程学报;2009年05期
3 田青超,吴建生,樊新民,张越;有限差分法在复合枪管传热中的应用[J];兵工学报;2000年04期
4 姚嵘,张玉波;深井煤矿巷道隔热材料研制[J];材料科学与工程;2002年04期
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10 王文,桂祥友,王国君;矿井热害的治理[J];矿业安全与环保;2002年03期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 刘何清;高温矿井井巷热质交换理论及降温技术研究[D];中南大学;2010年
2 王义江;深部热环境围岩及风流传热传质研究[D];中国矿业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 姚轩;超低能耗日光温室保温性能及其节能效果研究[D];太原理工大学;2011年
2 李赟婷;玻化微珠保温砂浆性能优化及喷涂式施工技术研究[D];太原理工大学;2011年
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 路阳;何小芳;吴永豪;王运霞;曹新鑫;卿培良;;煤矿井下新型水泥基注浆材料的应用研究进展[J];硅酸盐通报;2014年01期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王立涛;大型有限元分析软件——ANSYS的应用技巧[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2003年03期
2 牟在根;侯晓武;宁平华;吴坚如;;ANSYS环境下基于离散变量的网架结构优化设计[J];北京科技大学学报;2006年05期
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9 张中杰;地震各向异性研究进展[J];地球物理学进展;2002年02期
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中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 黄小平;陶粒混凝土受压力学性能试验研究[D];广西大学;2003年
2 曹刚;高强轻骨料混凝土试验研究[D];西北工业大学;2004年
3 王少武;提高泡沫混凝土抗压强度的研究[D];中南大学;2005年
4 于湲;北京城区地热田地下热水的水化学及同位素研究[D];中国地质大学(北京);2006年
5 柴蕊;天津市周良庄地热田地下热水的水化学及钙华研究[D];中国地质大学(北京);2006年
6 陈岩;高强轻骨料混凝土配合比设计及性能研究[D];吉林大学;2007年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 王文超;万鹏继;张久伟;;孔庄煤矿水力采煤生产系统的安全质量技术研究[J];煤炭技术;2006年02期
3 齐干;何满潮;刘文涛;郭志飚;张国锋;;深部顺槽巷道差异性变形破坏特征及原因研究[J];煤炭工程;2006年11期
4 石炳华;;夹河煤矿深部煤巷支护技术研究与应用[J];能源技术与管理;2007年06期
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6 贺峰;;煤矿软岩巷道支护技术[J];中国高新技术企业;2010年15期
7 李登高;胡超;;石壕煤矿二区通风系统改造[J];中州煤炭;2010年10期
8 王金海;;孤岛煤柱工作面巷道掘进支护加强技术[J];煤炭工程;2011年02期
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1 刘芋宏;;深部复杂构造下井底车场巷道变形及防治措施[A];2010年度淮南矿业集团煤炭学会学术交流会论文汇编(一)·地质专业[C];2010年
2 周坤;赵毅鑫;谢帅涛;刘迪;;模型边界位置对巷道变形模拟结果的影响研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
3 张成良;侯克鹏;李克钢;;凝灰岩巷道变形失稳机理及处置对策研究[A];第三届全国岩土与工程学术大会论文集[C];2009年
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5 丁同军;;薄煤层综采工作面周围巷道变形特征分析[A];2010年度淮南矿业集团煤炭学会学术交流会论文汇编(一)·地质专业[C];2010年
6 闫春杰;;水泵房治理方案的确定及网络技术的应用[A];开滦矿区采矿技术与实践文集[C];2009年
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9 朱彬;杨庚年;谷拴成;樊琦;;董东煤矿巷道修复设计[A];西部矿山建设工程理论与实践[C];2009年
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中国重要报纸全文数据库 前10条
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2 记者 王新生 通讯员 陶轩;综合支护技术在陶二矿成功应用[N];中国矿业报;2008年
3 本报记者 常旭日 特约记者 李宛玲;喜看风染煤城绿 且待春潮澎湃时[N];中国贸易报;2009年
4 记者 杨诗国通讯员 张富江;阳煤两科研项目达国际先进水平[N];山西经济日报;2008年
5 记者 杨沛洁实习生 赵峰涛;科技“妙手”让四矿焕发青春[N];平顶山日报;2008年
6 杨沛洁;平煤四矿给修复巷道“贴标签”[N];平顶山日报;2007年
7 杨丽丽;曹庄矿多管齐下补齐安全“短板”[N];经理日报;2009年
8 马淑芬 记者  张益龙;创新为“双矿”助跑加力[N];黑龙江日报;2006年
9 王立宇 记者 于敬文;城山矿采掘生产创新高[N];鸡西日报;2008年
10 武奕君;昂首引颈向天啸[N];中国矿业报;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李磊;大断面托顶煤巷道灾变机制与控制技术研究[D];中国矿业大学;2013年
2 詹平;高应力破碎围岩巷道控制机理及技术研究[D];中国矿业大学(北京);2012年
3 郭庆勇;急倾斜水平分层开采巷道锚网支护工程研究与应用[D];中国矿业大学(北京);2010年
4 李学彬;钢管混凝土支架强度与巷道承压环强化支护理论研究[D];中国矿业大学(北京);2012年
5 蔡来生;地下开采围岩稳定性及控制技术研究[D];兰州大学;2009年
6 李占金;鹤煤五矿深部岩巷变形机理及控制对策研究[D];中国矿业大学(北京);2009年
7 陈加轩;采动应力演化对底板岩巷失稳影响机理及控制研究[D];中国矿业大学;2009年
8 康荣;高应力软碎煤岩区废矸置换煤炭资源开采研究[D];中国矿业大学(北京);2011年
9 吴爱民;钱家营近距离煤层煤岩体破坏与巷道优化支护研究[D];中国矿业大学(北京);2010年
10 王永岩;软岩巷道变形与压力分析控制及预测[D];辽宁工程技术大学;2001年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 孟武峰;朝川矿己组煤层开采对上方巷道的变形破坏影响研究[D];河南理工大学;2011年
2 田花永;芦岭煤矿Ⅱ水平地应力场特征及其对巷道变形影响研究[D];安徽理工大学;2010年
3 尹潘;神经网络系统开发及巷道变形研究[D];武汉科技大学;2003年
4 兰兵;断层组应力分布的数值模拟及巷道组支护技术研究[D];安徽理工大学;2012年
5 梁晋源;河神庙(1000m)深井主要巷道的布置和支护技术的研究[D];太原理工大学;2012年
6 张伟;急斜煤层巷道动力失稳监测预报研究[D];西安科技大学;2012年
7 刘洪玉;锚固巷道复合加固理论研究及数值模拟[D];河南理工大学;2012年
8 孙东霞;巷道受采区采动影响的动态响应规律研究[D];安徽理工大学;2012年
9 师吉林;巷道松散煤体自燃数值模拟研究[D];西安科技大学;2012年
10 杨友伟;工作面侧向支承压力分布及保留巷道控制研究[D];山东科技大学;2010年
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