深部礦井圍巖導(dǎo)熱系數(shù)熱變特性試驗研究

　　摘要：圍巖放熱是深部礦井熱環(huán)境惡化的誘因之一，而圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)是描述圍巖熱傳輸能力的關(guān)鍵參數(shù)。在對招遠(yuǎn)某金礦巖樣的試驗研究中，通過激光導(dǎo)熱儀對花崗巖試樣在25℃至200℃之間的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測量，并利用掃描電鏡進(jìn)一步分析了花崗巖試樣隨著溫度變化的微觀損傷狀況。試驗結(jié)果表明，當(dāng)溫度升高時，花崗巖試樣的導(dǎo)熱系數(shù)會降低，溫度從25℃升到200℃時，花崗巖試樣的平均導(dǎo)熱系數(shù)從3.658W/(m·K)下降至2.811W/(m·K)，研究結(jié)果為井下熱害防治提供了試驗基礎(chǔ)。

　　本文源自辛嵩; 朱曉鎮(zhèn); 劉尚校; 張逍; 駱偉， 礦業(yè)研究與開發(fā) 發(fā)表時間：2021-07-22

　　關(guān)鍵詞：深部礦井;圍巖放熱;溫度;導(dǎo)熱系數(shù);掃描電鏡

　　0引言

　　隨著礦山開采深度的增加，礦井高溫?zé)岷栴}日益嚴(yán)重，在進(jìn)行深部資源開采時，巷道圍巖原始溫度高，由高地溫導(dǎo)致的礦井熱害一直困擾著礦井工作人員[1]。前蘇聯(lián)、德國、英國等國家，在礦井采深達(dá)到1000m以上時，巷道圍巖原始溫度最高可達(dá)60℃。在對中國高溫?zé)岷ΦV井的實地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，己有上百個金屬礦井深部出現(xiàn)了高溫問題[2]。而研究解決圍巖熱害問題，必須對圍巖的導(dǎo)熱性質(zhì)進(jìn)行深入研究。

　　巖石導(dǎo)熱系數(shù)是了解巖石內(nèi)部傳熱的最重要參數(shù)[3]。在過去幾十年中，瞬態(tài)法跟穩(wěn)態(tài)法被用來測量圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)[4]。穩(wěn)態(tài)法在測量過程中需要達(dá)到嚴(yán)格的穩(wěn)態(tài)，試件內(nèi)的溫度場分布不隨時間變化而變化，對測試環(huán)境和試件制樣要求高。瞬態(tài)法測量時間短，適用材料廣、測試范圍大，借助測量試樣的溫度變化速率測定試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)，再結(jié)合試樣的其他參數(shù)計算得到導(dǎo)熱系數(shù)[5]。其中LFA激光閃射法屬于瞬態(tài)法，測量過程中樣品厚度是唯一涉及的參數(shù)，所以LFA激光閃射法非常精確，誤差基本為3%。前人使用該方法對常見巖石(如石英巖、花崗巖、玄武巖與煤巖等)的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究[6-9]。

　　巖石的導(dǎo)熱系數(shù)受眾多因素的影響，例如礦物組成及密度、溫度、壓力、孔隙度和含水率等[10]。張衛(wèi)強(qiáng)通過巖石微觀結(jié)構(gòu)及成分隨溫度的變化進(jìn)行了綜合分析[11]。郭政和郭平業(yè)等發(fā)現(xiàn)在溫度升高的情況下，巖石內(nèi)部礦物成分的變化、微裂紋的產(chǎn)生以及孔隙結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致巖石熱導(dǎo)率發(fā)生變化[12-13]。高溫后巖石的損傷主要由微缺陷(微裂紋或孔洞等)的發(fā)育、晶體結(jié)構(gòu)的損傷、礦物成分的變化等原因造成[14]。有幾種顯微技術(shù)可用于拍攝裂紋：光學(xué)巖相、熒光、激光共聚焦和掃描電子顯微鏡，其中光學(xué)巖學(xué)顯微鏡難以檢測一些裂縫[15]、熒光顯微鏡與光學(xué)巖相顯微鏡相結(jié)合可以解決此問題，但復(fù)雜且耗費時間[16]。

　　上述文獻(xiàn)闡明了對各種巖石熱導(dǎo)率的研究見解，但取自深部礦井的低孔隙率結(jié)晶巖在不同溫度作用下的導(dǎo)熱特性未能充分了解[17]。本文采用激光導(dǎo)熱系數(shù)測量儀(NetzschLFA457，德國)對圍巖試樣導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了研究，并觀察了經(jīng)過不同溫度處理后的試樣微觀結(jié)構(gòu)的變化。在接下來的研討中，首先介紹巖石取樣和制備，然后描述測試設(shè)備與程序，試驗得到溫度對試樣熱導(dǎo)率的影響，再根據(jù)場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，APREO.美國)試驗結(jié)果進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)變化分析，得出了一定的分析見解。研究結(jié)果將為深部礦井的工程優(yōu)化和安全風(fēng)險評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　1試驗材料和方法

　　1.1巖石取樣與制備

　　本次試驗所取圍巖類型為花崗巖，所選樣品取自煙臺某金礦，該礦區(qū)位于招遠(yuǎn)市北東24km李家莊子村西，隸屬招遠(yuǎn)市阜山鎮(zhèn)管轄。礦井所處海拔高度為85～435m之間，開采深度為380m～-1580m標(biāo)高。花崗巖試樣取自地下-1000m處，具有斑狀結(jié)構(gòu)，巖石表面沒有可見裂縫。

　　對不同巖塊采集的花崗巖樣本進(jìn)行取芯、切割并拋光成直徑為10mm、厚度為2mm的圓柱形圓盤(見圖1)，加工完畢的試件表面光滑平整，無明顯缺陷。用于研究的試樣是在用低變形、低速金剛石鋸片對花崗巖巖芯進(jìn)行鋸切拋光后獲得的，以免產(chǎn)生微裂紋[17]。圖2是花崗巖試樣XRD圖譜，結(jié)晶成分顯示其組成為石英56%，云母30%，長石13%。

　　1.2試驗儀器及方法

　　1.2.1導(dǎo)熱系數(shù)儀器試驗

　　試驗中測量巖石導(dǎo)熱系數(shù)常用的方法分為穩(wěn)態(tài)法跟瞬態(tài)法。本試驗采用瞬態(tài)法中的激光閃射法來測量樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，閃光法要求待測樣品尺寸小，測量精度高，可以測量除隔熱材料以外的絕大部分材料。

　　激光導(dǎo)熱儀工作原理如圖3所示，主要由激光加熱裝置、信號檢測裝置和數(shù)據(jù)收集記錄裝置組成。在一定的設(shè)定溫度T下，激光源發(fā)射一束強(qiáng)度較高的光脈沖，照射在樣品下表面，樣品吸收光能后溫度上升，激光所帶來的熱量在試樣中是按照一維向上的方向進(jìn)行傳遞，樣品上表面升溫，位于頂部的紅外檢測器檢測到信號并記錄下信號強(qiáng)度隨時間變化的關(guān)系曲線，根據(jù)未受輻射面溫度達(dá)到某一值所需的時間及樣品厚度。激光閃射法可以精確地直接測量熱擴(kuò)散系數(shù)，通過比熱的測量進(jìn)一步計算得出導(dǎo)熱系數(shù)。

　　λ=α·Cp·ρ式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù);α為熱擴(kuò)散系數(shù)，mm2/s;Cp為比熱容，J/(g·℃);ρ為體積密度，g/cm3。

　　試驗前將制備好的樣品表面涂覆石墨，待石墨干燥后在表面形成碳膜。試驗前對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行檢測，結(jié)果表明儀器工作正常，每個溫度點測3次，取平均值作為最終導(dǎo)熱系數(shù)。

　　1.2.2掃描電鏡試驗

　　不同類型微裂隙的交叉組合會削弱巖石的導(dǎo)熱能力，通過SEM圖像可觀察熱載荷引起的微觀損傷過程，進(jìn)而解釋巖石導(dǎo)熱系數(shù)的衰減現(xiàn)象[12]。決定巖石宏觀力學(xué)性質(zhì)和破裂特性的通常是其內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)中微孔洞和微裂隙的萌生、發(fā)展并最終貫通形成宏觀大裂紋的損傷演化過程，掃描電鏡可直接觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征，并且具有對樣品無損害、圖像立體感強(qiáng)等特點。因此，本研究借助場發(fā)射掃描電子顯微鏡，發(fā)現(xiàn)對試樣的微觀結(jié)構(gòu)在不同溫度處理下的變化規(guī)律研究更能揭示問題的本質(zhì)。

　　2試驗數(shù)據(jù)分析

　　2.1導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果分析

　　圖4為不同試樣導(dǎo)熱系數(shù)測量結(jié)果，從圖4中可以看出，隨著溫度的增加，花崗巖試樣的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，且每個試樣的變化趨勢基本一致，這說明溫度的升高影響了花崗巖試樣的傳熱能力，兩者存在負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系。在25℃時，花崗巖試樣的平均導(dǎo)熱系數(shù)為3.658W/(m·K)，當(dāng)溫度到達(dá)50℃時，花崗巖試樣的平均導(dǎo)熱系數(shù)降低至3.446W/(m·K)，整體下降了0.212W/(m·K)。當(dāng)溫度達(dá)到200℃時，花崗巖試樣的平均導(dǎo)熱系數(shù)下降至2.811W/(m·K)。總體上可得出溫度對花崗巖試樣導(dǎo)熱系數(shù)的影響已經(jīng)比較大。

　　2.2掃描電鏡結(jié)果分析

　　在將花崗巖試樣完成鍍金后，采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡拍攝花崗巖試樣的微觀結(jié)構(gòu)圖像，為保證視域內(nèi)花崗巖試樣微觀結(jié)構(gòu)的清晰度與完整度，本次試驗擬采取較高倍率的微觀圖像進(jìn)行分析，因篇幅限制，僅將經(jīng)過不同溫度處理后放大7000倍的SEM微觀圖像進(jìn)行展示。

　　掃描電鏡圖像表明，該樣品中的不均勻性通過斷裂表面上不同的粒度、類型和分布在微觀尺度上呈現(xiàn)。因此，微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性可能會影響斷裂過程和現(xiàn)場應(yīng)變破裂事件中的結(jié)果模式。微裂紋由沿晶裂紋及穿晶裂紋組成，穿晶裂紋是指在裂紋擴(kuò)展過程中，穿過礦物晶體內(nèi)部，僅在擴(kuò)展方向上發(fā)生相對較小的變化;沿晶裂紋是指在裂紋擴(kuò)展過程中，擴(kuò)展方向發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)而沿著晶體邊界繼續(xù)破壞。在處理溫度為25℃時，花崗巖試樣晶體表面附帶些顆粒，結(jié)構(gòu)致密，可見呈階梯形狀的斷口形貌，無明顯裂紋，晶體局部可見微小孔洞;在處理溫度從25℃升到80℃時，花崗巖試樣產(chǎn)生穿晶裂紋，寬度很小，熱處理使礦物顆粒膨脹，導(dǎo)致初級裂紋閉合[18];當(dāng)處理溫度達(dá)到150℃時，花崗巖試樣裂紋隨著溫度的升高逐漸擴(kuò)展;而當(dāng)處理溫度達(dá)到200℃時，花崗巖內(nèi)部微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，裂紋寬度較大，連通性明顯增強(qiáng)，且深入樣品內(nèi)部聚集形成三角狀的斷口形貌。

　　3結(jié)論

　　(1)在本試驗研究中，使用激光導(dǎo)熱儀LFA457測量了深部礦井圍巖試樣25℃至200℃之間的導(dǎo)熱系數(shù)，試驗結(jié)果表明，花崗巖試樣的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高逐漸減小。溫度從25℃升到200℃時，花崗巖試樣的平均導(dǎo)熱系數(shù)從3.658W/(m·K)下降至2.811W/(m·K)。

　　(2)利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對溫度處理后的花崗巖試樣進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析，圖像提供了花崗巖試樣在產(chǎn)生微裂紋過程中的行為的有價值的信息，更加準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出物理性質(zhì)極少發(fā)生變化的花崗巖試樣的衰變機(jī)制，所得到的試驗結(jié)果對礦井熱害防治具有一定意義。