高温矿井隔热支护一体化结构设计与应用研究

Research on the Design and Application of Integrated Thermal Insulation Support Structures for High-Temperature Mines

摘要: 随着矿山开采深度不断增加，高温热害已成为制约矿井安全生产与矿工健康的关键问题。为此，本文系统探讨了高效隔热材料在高温矿井中的应用方式，重点研究其与巷道支护相结合的一体化解决方案。通过文献调研分析多种隔热材料性能，建立一维轴对称稳态传热模型以揭示隔热层温度分布规律，并结合“气凝胶隔热毡–锚网”支护装置实例，综合对比分析了聚氨酯硬泡、二氧化碳泡沫混凝土、复合隔热材料、蛭石砂浆及隔热混凝土等材料的应用案例与性能特点。研究结果表明：理论模型为隔热效果评估提供了有效依据；气凝胶复合材料导热系数低至0.015~0.025 W/(m·K)，表现出优异的隔热性能；聚氨酯硬泡可使巷道平均温度降低4.8℃，复合隔热材料可使风流温度增幅减小5℃，蛭石砂浆在6 cm喷层厚度时效果最优，而陶粒与玻化微珠隔热混凝土的导热系数可降至普通混凝土的1/5~1/7；所述支护装置成功实现了隔热与支护功能合一，通过地表预加工和井下锚固形成了全密闭柔性保护层，在保障安全的同时显著提升了施工效率。研究证实，各类隔热材料各有优势，需根据具体矿井环境选择适用方案，未来应朝着“材料–结构–系统”三位一体的方向发展，结合多物理场耦合模型、智能调控与绿色材料技术进行深入研究。

Abstract: With the continuous increase in the depth of mining, high-temperature heat hazards have become a key issue restricting the safe production of mines and the health of miners. Therefore, this paper systematically explores the application methods of efficient thermal insulation materials in high-temperature mines, with a focus on the integrated solution combining them with roadway support. Through literature review and analysis of the performance of various thermal insulation materials, a one-dimensional axisymmetric steady-state heat transfer model was established to reveal the temperature distribution law of the insulation layer. Combined with the example of the “aerogel insulation mat-anchor net” support device, the application cases and performance characteristics of materials such as polyurethane rigid foam, carbon dioxide foam concrete, composite insulation materials, vermiculite mortar, and insulation concrete were comprehensively compared and analyzed. The research results show that the theoretical model provides an effective basis for the evaluation of insulation effects; aerogel composite materials have a thermal conductivity as low as 0.015 to 0.025 W/(m·K), demonstrating excellent insulation performance; polyurethane rigid foam can reduce the average temperature of the roadway by 4.8˚C, and composite insulation materials can reduce the temperature increase of the air flow by 5˚C. Vermiculite mortar has the best effect at a spray layer thickness of 6 cm, while the thermal conductivity of the insulation concrete made of ceramsite and glass microsphere can be reduced to 1/5 to 1/7 of that of ordinary concrete. The support device successfully integrates the functions of insulation and support, forming a fully enclosed flexible protective layer through surface pre-processing and underground anchoring, significantly improving construction efficiency while ensuring safety. The research confirms that various insulation materials have their own advantages, and the applicable solutions should be selected based on the specific mine environment. In the future, research should be conducted in the direction of “material-structure-system” integration, combining multi-physical field coupling models, intelligent regulation, and green material technologies for in-depth study.

1. 引言

随着矿产资源开采向深部推进，矿井热害问题日益突出。据《GB50418-2017煤矿井下热害防治设计规范》规定，井下作业环境温度超过26℃需采取降温措施，超过30℃必须停产。例如，安徽淮北矿区在采深达1000米时，地温可达30℃以上，且每加深100米地温升高1.4℃~3.3℃。高温高湿环境不仅影响矿工健康，还可能引发瓦斯突出、围岩变形等次生灾害。因此，开发高效隔热材料并研究其应用方式，对矿井热害防治具有重要意义。

目前，矿井隔热材料多借鉴地面建筑保温材料，如珍珠岩、岩棉等，但其导热系数较高(0.181~0.24 W/(m·K))，隔热效果有限。尽管气凝胶复合材料具有极低的导热系数(0.015~0.025 W/(m·K))和良好的耐高温性能，但其在矿井中的应用尚不成熟，应用方式有待探索。同时，聚氨酯硬泡、复合隔热材料、蛭石砂浆、以及各类轻集料隔热混凝土(如陶粒混凝土、玻化微珠混凝土)等地聚合物泡沫材料也在矿井热害治理中展现出应用潜力。如何将隔热材料与巷道支护结构有机结合，形成安全、高效、经济的隔热支护体系，是当前研究的重点。本文旨在通过理论分析、多种材料应用案例对比与应用案例研讨，系统阐述高温矿井中隔热材料的应用方式，并为未来发展提供方向。

2. 研究现状

2.1. 隔热材料定义

隔热材料是指具有绝热性能、对热流可起屏蔽作用的材料或材料复合体，通常具有质轻、疏松、多孔、导热系数小的特点，矿用隔热材料是指在矿山井下使用的隔热材料。由于矿井工程复杂多变，矿山巷道隔热技术一般要和支护结构一起考虑，并达到合后才能应用，所以，巷道隔热材料只有通过个别矿井进行了试验，其试验和应用范围远不如地面保温工程。在1992年的我国国家标准中，规定凡平均温度不高于350℃时，导热系数小于0.12 W/(m·k)的材料称为保温材料，而在矿山和地下工程中对材料的导热系数还没有相关的标准[1]-[7]。

根据国内外的研究，现对隔热材料的研制可归结为两类：组分、结构。组分改良即用导热系数低的材料替代原材料中导热系数较高的材料；结构改良多采用泡沫化手段，主要有物理发泡、化学发泡等[8]-[17]。

隔热材料用途广泛，不同工程领域对隔热材料的性能要求不同，矿用隔热材料对材料的隔热性能及力学性能要求较高，根据其用途要求矿用隔热材料需要具有下列特点：(1) 导热系数小。(2) 有一定的强度。(3) 低密度。(4) 其他特点。粒度小；环保，无毒，无气味；疏水性较好；防火，不燃烧；成本低，来源广泛；便于施工、运输及存储等。

2.2. 常用矿井隔热材料性能分析

在巷道支护中，在巷道表面喷涂类似于结构墙体用的保温材料，通过隔绝高温岩层热源向卷道的泄露，达到矿井降温的效果。目前，矿井支护工程中采用的隔热材料主要来源于地面工程墙体保温，其中应用较多的是珍珠岩。珍珠岩是火山喷发时在一定条件下形成的一种酸性玻璃质熔岩，属非金属矿物质，主要成份是SiO₂、A1₂O₃、CaO和一定含量的结品水。膨胀珍珠岩是珍珠岩经人工粉碎、分级加工形成一定粒径的矿砂颗粒后，在瞬间高温下，矿砂内部结晶水汽化产生膨胀力，熔融状态下的珍珠岩矿砂颗粒瞬时膨胀，冷却后形成多孔轻质白色颗粒，它的理化性能十分稳定，具有很好的绝热防火性能，是一种很好的无机轻质绝热材料，掺入砂浆可减小绝干表观密度容重，减轻自重，提高砂浆的保温性能。目前，国内卷道隔热有代表性的研究有河南理工大学郭文兵，姚柴等人，研究的矿井无机材料导热系数一般为0.181~0.24 W/(m·K)，是聚胺脂与聚苯乙烯泡沫(EPS)等导热系数0.038~0.047 W/(m·K)的五倍左右，试验结果表明，目前以珍珠岩、粉煤灰、岩棉等为基材的巷道隔热材料，使用成本较低，但隔热效果不是十分理想。另外，当前气凝胶复合材料为新型矿用隔热材料：导热系数低至0.015~0.025 W/(m·K)，耐高温(800℃以上)，适用于深井环境，但其应用实例不多，应用方式不成熟，有待推广。常用矿井隔热材料性能比较如表1所示[18]-[24]。

由表1可知，不同类型隔热材料其性能、特点及适用场景各异。气凝胶复合材料在导热系数方面具有显著优势，但其他材料在成本、力学性能、环保性等方面也可能具有独特优势，需根据具体工程条件选择或复合使用。

Table 1. Performance comparison of commonly used mine thermal insulation materials

表1. 常用矿井隔热材料性能比较

材料类型	典型代表	导热系数/(W/(m·K))	主要特点	应用案例与效果简述
颗粒状	膨胀珍珠岩	0.181~0.24	成本低，施工简便，隔热性能一般	复合隔热材料组分，模拟显示可使风流温升减小5℃
纤维状	岩棉、玻璃棉	0.03~0.045	防火性好，易吸湿
泡沫塑料	聚氨酯硬泡	-	现场应用便捷，隔热效果显著	现场应用平均降温4.8℃
砂浆类	蛭石砂浆	-	新型廉价无机材料，非阻燃	6 cm喷层时降低风流增温幅度效果最好
轻质混凝土类	陶粒/玻化微珠混凝土	0.1~0.18 (约为普通混凝土1/5~1/7)	轻质，兼具支护与隔热功能，力学性能可调	用于主动隔热喷层，降低壁面温度，导热系数显著低于普通混凝土
新型泡沫混凝土	二氧化碳泡沫混凝土	0.1674~0.1789	兼具固碳与隔热，环境友好	抗压强度7.9~8.86 MPa，为矿井隔热提供新选择
地聚合物类	粉煤灰基地聚合物泡沫	与干密度等相关，可调	耐高温，憎水处理可降低吸水性	铺设隔热层可显著降低近壁面围岩温度及热流密度
新型复合材料	硅基气凝胶毡	0.015~0.025	导热系数极低，耐高温(>800℃)，质轻	与锚网结合形成一体化支护装置，施工效率高，形成全密闭隔热层

3. 理论传热模型

3.1. 物理模型假设

(1) 几何模型

以巷道围岩–隔热层–风流为研究对象，由于需要理论计算分析，故选取较为简单的原型巷道，以隔热层为基础建立物理模型，则该物理模型可假设为一维轴对称圆柱形结构，巷道半径为$R$ ，隔热层厚度为$\delta$ 。由于隔热材料效果分析是一个长期、持续性的过程，非稳态研究意义不大，故将模型简化为稳态模型。

(2) 热源：围岩地温($T_{ROCK}$ )及风流对流换热，认为隔热材料中无内热源(暂不考虑部分有机隔热材料固化凝结过程中产生的化学能)。

(3) 边界条件：

① 内边界(风流侧)：隔热材料与巷道内矿井风流为第三类边界条件(对流换热)，即当$r=R$ 时：

$-\lambda \frac{\partial t}{\partial r}=h\left(T-T_{air}\right)$ (1)

其中ℎ为对流系数，与巷道风速相关；$T$ 为隔热材料内表面温度，$T_{air}$ 为矿井风流温度，以上两个温度可通过现场实测测得。

② 外边界(围岩侧)：在巷道刚揭露非稳态条件下，围岩温度为时间的函数。在现场实测过程中，约48h后，即可趋于稳态(受实际现场环境影响，其趋于稳态时间可能有较大变化)。在稳态环境中，围岩温度随深度线性增加，认为围岩岩壁为第一类边界条件，且围岩岩壁温度为常量恒温，即

$t\left(r=R+\delta \right)=T_{ROCK}$ (2)

③ 隔热材料内部：隔热材料通常为多孔性结构，存在导热与多孔介质内的自然对流耦合效应，但研究该微观边界条件对矿井巷道隔热材料的传热模型意义不大，故忽略该边界条件，将隔热材料近似为均匀连续介质。同时，所取导热系数$\lambda$ 为当量导热系数或折算导热系数。

3.2. 控制方程

基于能量守恒定律，采用圆柱坐标系($r,\phi ,z$ )，简化为沿半径方向的一维导热问题，对隔热材料层建立稳态传热方程：

$\frac{1}{r}\frac{\text{d}}{\text{d}r}\left(r\lambda \frac{\text{d}t}{\text{d}r}\right)=0$ (3)

当隔热材料为各项同性均匀连续介质时，式中$\lambda =常�{\lambda }_1$ ，则上式可简化为：

$\frac{\text{d}}{\text{d}r}\left(r\frac{\text{d}t}{\text{d}r}\right)=0$ (4)

积分后得通解为：

$t=c_1\ln r+c_2$ (5)

将上述(a)、(b)两个边界条件带入，

当$r=R$ 时，$\frac{\text{d}t}{\text{d}r}=-\frac{h}{{\lambda }_1}\left(T-T_{air}\right)$ ；

当$r=R+\delta$ 时，$t=T_{ROCK}$ ，

解得

$c_1=-\frac{Rh}{{\lambda }_1}\left(T-T_{air}\right)$ (6)

$c_2=T_{ROCK}+\frac{Rh}{{\lambda }_1}\left(T-T_{air}\right)\ln \left(R+\delta \right)$ (7)

得到隔热材料层内温度分布规律为：

$t=-\frac{Rh}{{\lambda }_1}\left(T-T_{air}\right)\ln r+T_{ROCK}+\frac{Rh}{{\lambda }_1}\left(T-T_{air}\right)\ln \left(R+\delta \right)$ (8)

综上所述，通过现场实测岩体温度$T_{ROCK}$ 、隔热材料内表面温度T、巷道风流温度$T_{air}$ ，并确定隔热材料与风流间的表面传热系数h及隔热材料导热系数${\lambda }_1$ ，即可得到隔热材料层各点温度分布规律。

3.3. 理论模型评价

建立的传热模型虽经简化(稳态、一维轴对称)，但能清晰地揭示隔热层内的温度变化规律，为隔热效果的预测与评估提供了理论工具。FLUENT、ANSYS等数值模拟软件的应用，则能更细致地考虑复杂边界条件和材料非线性，定量分析不同隔热方案的效果，如围岩温度场分布、热流密度变化及风流温度演变等。未来模型可进一步纳入湿度场、应力场的影响，向热–湿–力多物理场耦合方向发展，以更精确地模拟实际工况下材料的性能。

4. 气凝胶隔热支护装置研发应用

本实用新型涉及一种用于高温矿井的隔热支护装置，其构建与施工方法主要包括组件准备、地面预制、井下安装三个核心阶段，通过将高效的隔热材料与矿井固有的支护体系有机结合，实现隔热与支护功能的一体化。

4.1. 组件准备与预处理

该方法首先进行组件的准备。核心材料选用以玻璃纤维为骨架、二氧化硅(SiO₂)为主材的硅基气凝胶隔热毡，其厚度设计为2毫米，以满足极低的导热系数和矿山防火阻燃的严格要求。支撑骨架采用标准的锚网网片，其网格设计为100毫米 × 100毫米的正方形，使用直径为Φ6.5毫米的钢筋制成，规格通常为2米 × 1米。根据设计，将大尺寸的气凝胶隔热毡裁剪成与锚网网片尺寸完全一致的矩形块体，即每块2米 × 1米。随后，利用数控切割机在裁剪好的气凝胶隔热毡上进行精准打孔，生成预打孔洞。这些孔洞的布置间距控制在0.8米至1.0米之间，其位置需与后续锚杆的布置点位精确对应。

4.2. 地面预制结合体

在地面车间，将预处理好的气凝胶隔热毡与锚网网片进行固定连接，形成标准化的“结合体”单元。粘合固定采用玻璃胶作为胶结剂，涂抹于接触面，确保气凝胶隔热毡与锚网网片牢固结合为一个整体。在此过程中，必须保证气凝胶隔热毡上的预打孔洞与锚网网片的网格对齐并完全露出，不得被胶粘剂堵塞，以便后续锚杆能够顺利穿过。此预制过程形成了规格统一、便于运输和安装的模块化单元。隔热结合体效果如图1所示。

Figure 1. Thermal insulation composite effect picture

图1. 隔热结合体效果图

4.3. 井下安装与整体构建

在井下巷道施工现场，首先进行锚杆的安装。锚杆选用树脂锚杆，其规格为长度2.2米，直径Φ20毫米，按照0.8米至1.0米的网度锚固进入巷道的岩层内部。随后，将预制好的结合体单元运送至安装位置。安装时，将结合体的长边方向平行于巷道的走向进行布置。相邻的结合体单元之间需保持100毫米的搭接量，通过将锚杆穿过搭接区域及预打孔洞，实现相邻单元的共同锚固连接。这一搭接与锚固设计有效避免了单元间的位移和松动，确保了整个隔热层接缝的密闭性。通过多个结合体单元的依次搭接与锚固，最终在巷道顶帮形成一个连续、完整且牢固的全密闭柔性保护层。隔热结构整体如图2所示。

Figure 2. Overall diagram of the thermal insulation structure

图2. 隔热结构整体图

4.4. 方法优势总结

本方法的核心在于“预制化”与“集成化”。通过地面预加工，保证了气凝胶与锚网结合的质量与精度，极大地简化了井下高温环境下的复杂作业，提升了施工效率，缩短了工人在恶劣环境下的暴露时间。同时，该方法巧妙地利用了矿井原有的锚网支护体系作为隔热材料的安装骨架，实现了支护与隔热功能的深度集成，既避免了为隔热而进行的二次结构施工，节约了成本，又通过形成的柔性保护层，在隔热降温之外，有效增强了防治冒顶和浮石坠落的安全性能。最终构建的系统不仅隔热效果可靠、持久，也全面满足了矿山对安全性和可靠性的高标准要求。

5. 结论

(1) 基于轴对称圆柱形巷道建立的稳态传热模型，结合第三类边界条件(对流换热)与围岩恒温边界条件，得到隔热材料层内温度分布规律为：$t=-\frac{Rh}{{\lambda }_1}\left(T-T_{air}\right)\ln r+T_{ROCK}+\frac{Rh}{{\lambda }_1}\left(T-T_{air}\right)\ln \left(R+\delta \right)$ 。通过现场实测岩体温度$T_{ROCK}$ 、隔热材料内表面温度T、巷道风流温度$T_{air}$ ，并确定隔热材料与风流间的表面传热系数h及隔热材料导热系数${\lambda }_1$ ，即可得到隔热材料层各点温度分布规律。建立的一维轴对称稳态传热模型及数值模拟方法能有效描述隔热层内温度分布及隔热效果，为隔热效果评估提供了依据。

(2) “气凝胶隔热毡–锚网”一体化支护装置以及隔热混凝土喷层、复合材料喷涂等的成功案例证明，将高效隔热材料与现有支护系统或结构相结合，是施工便捷、安全可靠且经济环保的应用方式之一。

5.1. 未来研究方向

(1) 多物理场耦合模型的深化

现有模型未充分纳入湿度场与应力场的动态耦合效应。未来需构建热–湿–力多场耦合模型，以更精确模拟高湿环境下隔热材料的性能退化机制。

(2) 新型材料与智能调控技术的结合

一方面通过引入碳纳米管或石墨烯等新型材料，可提升材料的机械强度与隔热性能。另一方面，结合物联网传感器实时监测围岩温度与湿度，利用AI算法动态调节制冷功率与通风参数，实现能耗优化，从而配合隔热材料达到矿井降温的目的。

(3) 绿色可持续发展路径

通过探索植物纤维、生物质基可再生隔热材料的应用，减少对石化资源的依赖。同时，将矿山尾矿或工业废渣(如粉煤灰)等废弃材料作为隔热材料骨料，结合发泡工艺制备多孔陶瓷等循环利用材料，使材料兼具环保性与成本优势。

5.2. 工程应用展望

未来矿井热害治理将向“材料–结构–系统”三位一体方向发展。

材料层面：研究不同锚固应力下气凝胶隔热毡的压缩蠕变及其对导热系数的长期影响，开发兼具低导热(<0.02 W/(m·K))、高疏水性(接触角>150˚)与自修复功能的新型气凝胶等复合材料。

结构层面：采用模块化隔热板设计，适应巷道断面形状变化，并结合锚固技术增强稳定性。

系统层面：开发一种能够实时监测隔热层内部温湿度分布的集成传感系统，集成井下局部制冷机组与分布式隔热层，形成“区域降温 + 全局隔热”的协同体系。