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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

【引证文献】
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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
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【共引文献】
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
6 徐文;巷道水分蒸发处理及风流温度湿度计算[D];河南理工大学;2010年
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9 赵永梅;方钢管混凝土火灾条件下温度场和温度应力研究[D];山东科技大学;2010年
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 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
2 张兴凯,王英敏;火灾烟流与围岩间不稳定换热系数探讨[J];东北大学学报;1996年01期
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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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【二级参考文献】
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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
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10 陈幸福;巷道喷块注浆支护技术[J];矿业研究与开发;1993年S2期
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2 张治军;;矿井深部资源开发研究[A];经济策论(上)[C];2011年
3 付祥明;魏永启;孙宗凯;王英德;;矿井深部软岩巷道二次复合支护技术探讨[A];煤炭开采新理论与新技术——中国煤炭学会开采专业委员会2006年学术年会论文集[C];2006年
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10 记者 马志国 通讯员 于海蓉;河北局物测队多项报告获殊荣[N];中煤地质报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前9条
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3 乔伟;矿井深部裂隙岩溶富水规律及底板突水危险性评价研究[D];中国矿业大学;2011年
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5 黄存捍;采动断层突水机理研究[D];中南大学;2010年
6 王海东;深部开采低渗透煤层预裂控制爆破增透机理研究[D];中国地震局工程力学研究所;2012年
7 张贺新;TiO_2和六钛酸钾晶须掺杂SiO_2干凝胶的制备及隔热性能研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
8 马春德;深部复合型破坏高应力软岩巷道支护技术研究[D];中南大学;2010年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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3 黄寿元;周源山煤矿深部热害分析及掘进工作面热环境研究[D];湖南科技大学;2011年
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8 郝珠成;急倾斜矿床深部开采围岩运动规律研究[D];西安科技大学;2011年
9 陶铁军;大安山煤矿通风系统安全检测与优化研究[D];首都经济贸易大学;2010年
10 蒋全超;四川金窝井田幺塘煤矿床采矿权评估[D];成都理工大学;2011年
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