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地下工程深部开采呈常态化,高地温造成矿井热环境问题制约着进一步开掘。以淮南矿区典型热害矿井朱集东煤矿为工程背景,调研矿区地温分布特征及影响因素,提出主动隔热降温思路,借鉴地面保温材料选用轻集料混凝土构建主动隔热喷层,探究其各项基础性能,开发出适宜井下喷射的新型隔热混凝土材料,采用有限元数值模拟的方法讨论主动隔热巷道围岩温度场分布规律,并提出矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌构想,以朱集东矿深部高温巷道为工程依托,完成工程应用与效果评价。主要研究内容和成果如下:(1)系统分析朱集东矿钻孔测温数据,结果表明地温随深度增加线性递增,地温梯度介于1.7～3.6℃/hm,均值2.60℃/hm,原岩温度31℃一级热害区均深-552.01 m,37℃二级热害区均深-741.01 m。今主要工作水平-906 m和-965 m大部分达到一级热害区,部分处于二级热害区,进一步开发的-1070 m和-1200 m水平绝大部分达二级热害区。(2)以巷道围岩温度控制为研究对象,分析巷道围岩热传导模型,通过建立主动隔热层的方式改变换热系数,阻隔减少围岩放热量。提出采用轻集料混凝土喷层构建主动隔热层,从混凝土导热模型出发,理论上证实轻集料掺入混凝土对隔热能力的改善。(3)采用页岩陶粒、玻化微珠作为粗细轻集料,讨论陶粒全轻集料混凝土(All-lightweight Aggregate Concrete,ALWC)与次轻集料混凝土(Sub-lightweight Aggregate Concrete,SLWC)、玻化微珠次轻集料混凝土(Glazed Hollow Bead Concrete,GHBC)的工作性、高温劣化、抗碳化特性及细微观结构,并与普通混凝土(Normal Concrete,NC)比对,结果表明ALWC和SLWC高温后强度损失、抗碳化性较NC有较大优势,原因在于陶粒轻集料是极好的耐高温材料,内部吸返水效果使得水泥石日趋密实;GHBC高温后强度损失与NC相近,抗碳化性较NC劣,但掺入玻化微珠对拌和物流动性有益;轻集料与水泥基体在微细观形成界面嵌固区,破坏往往是轻集料本身强度低所致,克服了 NC界面区薄弱的劣势。(4)针对隔热混凝土喷层,采用正交试验的方法研发了陶粒隔热混凝土、陶粒玻化微珠隔热混凝土。对于陶粒混凝土,讨论了不同陶粒级配、陶粒、粉煤灰和砂子用量对材料性能的影响;对于陶粒玻化微珠混凝土,讨论了不同陶粒、玻化微珠、粉煤灰和砂子用量对材料性能的影响。性能测试包括表观密度、导热系数、抗压、抗拉、抗折强度,通过极差分析得到各因素对各性能的影响顺序,通过层次分析得到各因素水平对各性能的影响权重,通过功效系数分析得出综合性能最优配比。(5)选用ANSYS有限元软件分析主动隔热巷道围岩温度场分布规律,讨论隔热混凝土喷层导热系数、厚度、围岩导热系数、赋存温度对巷道温度场的影响,结果表明围岩本身热物理属性决定了巷道围岩温度场分布,岩温是最敏感的因素;采用低导热系数喷层、增加喷层厚度的措施可阻隔热量、减少风流对围岩温度场的影响,但随时间延长而减弱,喷层导热系数较厚度敏感度高。故采用低导热系数喷层对于井巷热环境控制有积极意义。(6)结合半刚性网壳锚喷支护结构和隔热混凝土喷层材料,提出一种能够主动隔绝深部岩温的新型功能性支护结构和方法:矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌,利用网壳支护结构的强力支护能力,保证巷道长期稳定;利用隔热混凝土的主动隔热效果,阻断围岩内部热量向巷道传播,起到主动隔热降温之作用。以朱集东矿东翼8煤顶板回风大巷为工程依托,进行约100 m的隔热喷层工业应用,结果表明井下高温热害问题严重,掘进工作面温度长期保持在27℃以上,壁面温度超过27.5℃,相对湿度维持在70%以上,采用隔热混凝土喷层后壁面温度有所下降,现场取样测试结果表明隔热喷层导热系数显著降低。该项技术是一项节能减排的良性措施,为矿井热环境控制提供了新思路。图[117]表[56]参[239]