深部礦井圍巖導熱系數(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，而圍巖的導熱系數(shù)是描述圍巖熱傳輸能力的關鍵參數(shù)。在對招遠某金礦巖樣的試驗研究中，通過激光導熱儀對花崗巖試樣在25℃至200℃之間的導熱系數(shù)進行了測量，并利用掃描電鏡進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，當溫度升高時，花崗巖試樣的導熱系數(shù)會降低，溫度從25℃升到200℃時，花崗巖試樣的平均導熱系數(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。

　　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

　　關鍵詞：深部礦井;圍巖放熱;溫度;導熱系數(shù);掃描電鏡

　　0引言

　　隨著礦山開采深度的增加，礦井高溫熱害問題日益嚴重，在進行深部資源開采時，巷道圍巖原始溫度高，由高地溫導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，在礦井采深達到1000m以上時，巷道圍巖原始溫度最高可達60℃。在對中國高溫熱害礦井的實地調(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，必須對圍巖的導熱性質(zhì)進行深入研究。

　　巖石導熱系數(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熱系數(shù)[4]。穩(wěn)態(tài)法在測量過程中需要達到嚴格的穩(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散系數(shù)，再結(jié)合試樣的其他參數(shù)計算得到導熱系數(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)的導熱系數(shù)進行了詳細研究[6-9]。

　　巖石的導熱系數(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)強通過巖石微觀結(jié)構(gòu)及成分隨溫度的變化進行了綜合分析[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)的變化會導致巖石熱導率發(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]。有幾種顯微技術可用于拍攝裂紋：光學巖相、熒光、激光共聚焦和掃描電子顯微鏡，其中光學巖學顯微鏡難以檢測一些裂縫[15]、熒光顯微鏡與光學巖相顯微鏡相結(jié)合可以解決此問題，但復雜且耗費時間[16]。

　　上述文獻闡明了對各種巖石熱導率的研究見解，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熱特性未能充分了解[17]。本文采用激光導熱系數(shù)測量儀(NetzschLFA457，德國)對圍巖試樣導熱系數(shù)進行了研究，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，然后描述測試設備與程序，試驗得到溫度對試樣熱導率的影響，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)化和安全風險評估提供基礎數(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)位于招遠市北東24km李家莊子村西，隸屬招遠市阜山鎮(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導熱系數(shù)儀器試驗

　　試驗中測量巖石導熱系數(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。在一定的設定溫度T下，激光源發(fā)射一束強度較高的光脈沖，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度隨時間變化的關系曲線，根據(jù)未受輻射面溫度達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散系數(shù)，通過比熱的測量進一步計算得出導熱系數(shù)。

　　λ=α·Cp·ρ式中，λ為導熱系數(shù);α為熱擴散系數(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。試驗前對標準物質(zhì)進行檢測，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熱能力，通過SEM圖像可觀察熱載荷引起的微觀損傷過程，進而解釋巖石導熱系數(shù)的衰減現(xiàn)象[12]。決定巖石宏觀力學性質(zhì)和破裂特性的通常是其內(nèi)部細觀結(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導熱系數(shù)結(jié)果分析

　　圖4為不同試樣導熱系數(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，兩者存在負相關的線性關系。在25℃時，花崗巖試樣的平均導熱系數(shù)為3.658W/(m·K)，當溫度到達50℃時，花崗巖試樣的平均導熱系數(shù)降低至3.446W/(m·K)，整體下降了0.212W/(m·K)。當溫度達到200℃時，花崗巖試樣的平均導熱系數(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展過程中，穿過礦物晶體內(nèi)部，僅在擴展方向上發(fā)生相對較小的變化;沿晶裂紋是指在裂紋擴展過程中，擴展方向發(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，導致初級裂紋閉合[18];當處理溫度達到150℃時，花崗巖試樣裂紋隨著溫度的升高逐漸擴展;而當處理溫度達到200℃時，花崗巖內(nèi)部微裂紋進一步擴展，裂紋寬度較大，連通性明顯增強，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，使用激光導熱儀LFA457測量了深部礦井圍巖試樣25℃至200℃之間的導熱系數(shù)，試驗結(jié)果表明，花崗巖試樣的導熱系數(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制，所得到的試驗結(jié)果對礦井熱害防治具有一定意義。