胶结充填体水化放热规律及其影响研究*

魏丁一，杜翠凤，张宏光，徐海月

(1.金属矿山高效开采与安全教育部重点试验室，北京 100083；2. 北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；3.马钢(集团)控股有限公司南山矿业公司，安徽 马鞍山 243000)

0 引言

随着当前浅部资源开采的日渐枯竭，金属矿山逐步转向深部开采，深部开采过程中对于采空区的治理也越来越难,因此充填采矿法在深部金属矿山开采过程中的应用越来越广泛[1-2]，许多人对于胶结充填体的水化过程进行了相关研究。毋林林等[3]对8种粉煤灰膏体进行了水化放热速率和水化热分析，得到放热速率和水化热随粉煤灰和煤矸石的增加而降低；陈川等[4-7]进行了不同持续低温的水泥水化热试验，拟合的水化放热模型与实测吻合；张娜等[8-9]利用固废制备高强混凝土，得到水化硅酸钙凝胶的发展和钙矾石的充填效应使后期强度进一步提高；朱振泱等[10]提出一种合适的遗传算法，并得到不同温度历程时仍能获取准确参数；董继红等[11-13]推导了不同养护温度下水泥水化放热的模型，得到反应速率与养护温度的关系，且与推导模型一致。

目前对于胶结充填体散热及温度影响的研究较少，因此对某采场内233 m3胶结充填体的不同位置设置温度记录仪进行现场实测，并运用Ventsim对于采场内的胶结充填体水化热进行治理。

1 试验方案及测点布置

1.1 测量仪器及方法

采用RC-4温度记录仪可设置时间间隔，通过USB连接电脑后可直接传输数据，测温范围为-30～60℃，分辨率为0.1℃，记录容量为16 000组数据，电池以15 min的时间间隔可使用1 a以上，完全满足要求。

1.2 充填体测温方案

选取采深为1 024 m的某个充填体进行测定，充填量为233 m3。充填作业前按如下步骤安装仪器：

1)将温度探头放置在供水管(4分管)中，并用水泥封口，避免充填浆体流入管中。

2)采用供水管作支撑将温度探头穿过隔墙并将探头固定在隔墙挡板内侧，RC-4记录仪在供水管外侧与探头线连接包裹好，于充填前2 d启动。

3)采用4×4的矩形布置测点，间距为700 mm。

现场测点位置布置如图1所示。

1.3 充填体散热机理

充填体水化主要是水泥的水化产热。水泥的水化是指水泥熟料、石膏和水之间一系列化学反应的叠加，水化热是水泥水化过程中发生放热反应而产生的热量[14]。根据水泥水化放热速率与时间的关系，可将硅酸盐水泥水化分为4个阶段,即诱导前期、诱导期、凝结期、硬化期[14]，如图2所示。因此以采深为1 024 m的某充填体为例去测量预估充填体的放热量。

图2 水泥水化过程的放热Fig.2 Exothermic curve of cement hydration process

1.4 计算方法

充填体放热中起主导作用的是水化放热和后期缓慢放热，选取现场的充填体进行温度记录测试，数据处理后应用下式计算充填体放热：

qc=CcmcΔt

(1)

式中：qc为放热量，kW；mc为充填量，kg；Cc为充填体比热，此处取1.004 8 kJ/(kg·℃)；Δt为充填后7 d的平均温度变化率，℃/s。

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果分析

根据图1布置16个测点，在距充填体隔墙外部约3 m处记录充填体外部气温变化。由于设备损坏等原因，部分测点数据不全，其中A，B，C，D，E，F，G，H，L，M，Q等11个测点数据较完整。考虑测点及分布对称性，选取测点A，Q和F作为计算依据，其中测点A和Q代表四周测点，测点F代表中间测点。A，Q，F及外部气温变化如图3所示。

图3 充填体测点A，Q，F及巷道内气温记录Fig.3 Cemented backfill body measuring points A，Q，F and air temperature in the roadway

由图3(a)～(c)可知，3个测点温度变化规律呈现一致性，前3 d温度基本不变化，且与巷道内气温接近。3～6 d温度急速上升，在第6 d达到极大值，6 d后缓慢下降，至30 d时温度基本趋于稳定。

这是由于温度探头预埋入隔墙，在充填前2 d开始启动记录仪，因此前2 d的温度与巷道内气温近似。第3 d充填结束，水泥与尾砂等发生水化反应热。放热高峰出现在水化反应过程中的初凝和终凝期间[14]，对应于充填后若干小时至若干天内。由现场实测可知放热高峰出现在充填后第1 d至第4 d，对应记录仪的第3 d至第6 d，这与文献放热高峰出现时间吻合[14]。

图3(d)是充填体周围气温的变化，前3 d气温与测点A近似，第3 d至第6 d气温呈上升趋势，第6 d后气温逐渐下降，之后与充填作业前气温大致相同，因此周围气温与充填体温度变化呈正相关。在充填作业完成后第25 d出现的温度波动，可能是由于设备转移或人员的后续作业引起。

比较图3(a)、(b)和(c)可知，尽管放热规律近似，但温度极值呈现差异性。测点A的温度由接近巷道气温的25℃迅速升至A1时的30.5℃，在第6 d升至峰值A2时的36.1℃；之后充填体内部温度开始下降，缓慢向外散热，到第39 d时温度缓慢下降并基本稳定至26.4℃。同理如图3(b)和(c)，在充填作业完成后的第3 d分别达到的最大值为34和42.1℃，测点Q最终稳定温度为26.5℃，测点F最终稳定在30℃左右。

A，Q测点与边帮围岩相邻，因此极值温度及最终温度变化比较相近，而中心测点F的极值温度比A，Q分别高6和8℃，最终温度高3.5℃。这是由于水化过程中周边测点的水化热会沿低温岩壁方向进行热传递，因此极值温度相对较低；中部测点F由于周边水化热的聚集不易进行热传递，因此极值温度相对较高。

2.2 试验讨论

由于采用充填法采矿，采充比为1∶1。根据采矿工艺的要求，充填体强度为1～4 MPa。充填材料以全尾砂和水淬渣为骨料，水泥与石灰组成复合胶凝剂。充填过程中产生的热量不可忽视，且放热主要为水泥水化放热。

将现场充填体温度实测数据代入公式(1)计算，得到加权平均值为10.92 kW。因此233 m3充填体的散热量为10.92 kW。结合不同采深充填量统计数据，计算得到不同采深充填体的放热量如图4所示。

图4 各采深的充填量及放热量Fig.4 Cementing volume and heat release at each depth

由于采深为976 m的水平作业强度较大，因此充填量及散热量大。由图4可知，充填体向空气中散热262.079 kW，对采场有较大影响。对比可知充填体放热在整个热源结构中占比最大，达48.5%。

充填体放热可分为2个过程，一是快速水化放热过程，充填体温度迅速上升，在充填作业结束后第2 d至第4 d，极值温度可达42℃；二是缓慢散热过程，自身温度缓慢下降，直到充填体温度冷却到与周围环境基本一致。计算得到采深为976 m的水平充填体放热贡献率达到最高为69.8%，充填体散热是该水平的最重要热源，采深为1 456 m的水平暂时没有采场，故充填放热为零。因此需要对于充填体放热进行重点治理。

3 充填体放热对巷道温度的影响

由于充填体内部水化放热量较大，且通常位于采场最末端，通风效果相对不好，因此容易热蓄积造成热害。通过现场实测后设置10.92 kW的热源作为充填体，模拟初始条件如下：巷道断面宽高均为3 m，拱高为1/3巷宽的三心拱，巷长为116 m，采用压入式通风，风量为3 m3/s，风温为22.2℃，岩温为17.1℃，模拟充填7 d后巷道温度分布如图5所示。

由图5可知，巷道供风量为3 m3/s时，充填作业完成7 d后附近气温升至27.9℃，风流经过长约100 m巷道的冷却降温后降至23.8℃。因此充填体只在采场内存在热害，此时保证有效通风量可避免更严重的热蓄积，大大降低采场热害。

图5 充填体对巷道气温的影响Fig.5 Effect of cemented backfill on roadway temperature

4 采深为1 456 m的采场热环境预测

目前1 456 m采深处于开拓阶段，没有充填体且低温裂隙水水量大，因此热害并不突出。假定该水平进入回采，其开采强度及充填量参照964 m采深。在此条件下预测1 456 m采深进入回采阶段后充填体处于3 d水化放热高峰时的采场热环境参数。

现场实测采深为1 456 m的原岩温度为23.38℃，入口温度设为夏季月平均气温21.5℃，地热增温率为1.4℃/hm。探矿道编号从左至右为1#～10#。通过Ventsim软件对1 456 m采深的热环境分布进行预测模拟如图6所示。相应的温度分布如表1所示。

图6 采深为1 456 m时的温度模拟结果Fig.6 Temperature simulation result with a depth of 1 456 m

表1 采深为1 456 m时的温度变化Table 1 Temperature change with a depth of 1 456 m

按照评价指标人体舒适度指数ssd、WBGT指数、热应力指数HSI和PMV-PPD分别对采深为1 456 m水平的各采场相关数据计算热环境参数，得到采深为1 456 m水平的采场人体热参数和各评价指标值如表2所示。

表2 采深为1 456 m的采场热参数和评价指标值Table 2 Stope thermal parameters and evaluation index values with a depth of 1 456 m

矿井热害等级主要受风速、充填体、裂隙水、气温及作业时间的影响，风速越大，热害等级会降低。充填体作为最主要热源，对采场热环境影响大。

由表2可知，采深为1 456 m水平的独头风量对巷道气温有一定影响，风速越大降温效果越明显。当独头风量为3 m3/s时，1#、4#和7#这3个探矿道人体蓄热率(S)分别为52.07，56.52 及60.57 W/m2，均大于0，人体会积聚大量热量；热应力指数分别为133.69，164.54及206.40，均远远大于极限值100；PMV值分别为1.86，2.02及2.16，预测不满意百分比PPD分别为69.92%，77.45%和83.43%，大部分人不满意；ssd分别为77.68，79.33和80.82，需注意防暑降温。故当独头风量为3 m3/s时，按采掘工作面风流温度划分[15]，采深为1 456 m的采场属于一级热害矿井。

当风量增至6和9 m3/s时，气温分别下降3和4℃，评价指标值S,HSI,PMV-PPD和ssd均出现大幅度减小。当独头风量由3 m3/s增至6 m3/s时，采场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；当风量由6 m3/s增至9 m3/s时，采场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。因此加大风量明显改善采场热环境，热害等级也降至一级热害标准以下。

加大采深为1 456 m的有效风量，提高采场风速是改善热环境的有效措施，此外调节工作时长，必要时采取人工制冷和冷却入风流的措施。目前热环境参数均在风速较小时测得，加大风速后会明显改善，新近充填体附近如需作业时应加强通风，注意环境变化并及时补充水分。

5 结论

1)采用充填采矿法的作业面均依靠局扇供风，因此局部通风的好坏直接影响采场热环境，因此应加大风量以缓解热害。现场实测充填作业完成后3 d内热量达到最大，此时周围气温达28℃以上，应依据降温风速(0.5～1.0 m/s)要求重新计算采场需风量。

2)运用Ventsim预测采深为1 456 m的采场热环境，当独头风量为3 m3/s时为一级热害矿井，风量增至6 m3/s和9 m3/s时降至一级以下。且初始风温为21.4℃,风量为6 m3/s时气温降至27.2℃，因此加大采场有效风量和风速是改善深部热环境的有效措施。

3)充填水化热与采场气温正相关，因此合理安排作业，避免在新近充填体周围作业；若需作业时应加强通风，人员上岗前及在岗期间应进行职业健康检查并及时发放防暑药和饮品，避免高温出现紧急情况或危险。