深部矿井围岩导热系数热变特性试验研究

　　摘要：围岩放热是深部矿井热环境恶化的诱因之一，而围岩的导热系数是描述围岩热传输能力的关键参数。在对招远某金矿岩样的试验研究中，通过激光导热仪对花岗岩试样在25℃至200℃之间的导热系数进行了测量，并利用扫描电镜进一步分析了花岗岩试样随着温度变化的微观损伤状况。试验结果表明，当温度升高时，花岗岩试样的导热系数会降低，温度从25℃升到200℃时，花岗岩试样的平均导热系数从3.658W/(m·K)下降至2.811W/(m·K)，研究结果为井下热害防治提供了试验基础。

　　本文源自辛嵩; 朱晓镇; 刘尚校; 张逍; 骆伟， 矿业研究与开发 发表时间：2021-07-22

　　关键词：深部矿井;围岩放热;温度;导热系数;扫描电镜

　　0引言

　　随着矿山开采深度的增加，矿井高温热害问题日益严重，在进行深部资源开采时，巷道围岩原始温度高，由高地温导致的矿井热害一直困扰着矿井工作人员[1]。前苏联、德国、英国等国家，在矿井采深达到1000m以上时，巷道围岩原始温度最高可达60℃。在对中国高温热害矿井的实地调查中发现，己有上百个金属矿井深部出现了高温问题[2]。而研究解决围岩热害问题，必须对围岩的导热性质进行深入研究。

　　岩石导热系数是了解岩石内部传热的最重要参数[3]。在过去几十年中，瞬态法跟稳态法被用来测量围岩的导热系数[4]。稳态法在测量过程中需要达到严格的稳态，试件内的温度场分布不随时间变化而变化，对测试环境和试件制样要求高。瞬态法测量时间短，适用材料广、测试范围大，借助测量试样的温度变化速率测定试样的热扩散系数，再结合试样的其他参数计算得到导热系数[5]。其中LFA激光闪射法属于瞬态法，测量过程中样品厚度是唯一涉及的参数，所以LFA激光闪射法非常精确，误差基本为3%。前人使用该方法对常见岩石(如石英岩、花岗岩、玄武岩与煤岩等)的导热系数进行了详细研究[6-9]。

　　岩石的导热系数受众多因素的影响，例如矿物组成及密度、温度、压力、孔隙度和含水率等[10]。张卫强通过岩石微观结构及成分随温度的变化进行了综合分析[11]。郭政和郭平业等发现在温度升高的情况下，岩石内部矿物成分的变化、微裂纹的产生以及孔隙结构的变化会导致岩石热导率发生变化[12-13]。高温后岩石的损伤主要由微缺陷(微裂纹或孔洞等)的发育、晶体结构的损伤、矿物成分的变化等原因造成[14]。有几种显微技术可用于拍摄裂纹：光学岩相、荧光、激光共聚焦和扫描电子显微镜，其中光学岩学显微镜难以检测一些裂缝[15]、荧光显微镜与光学岩相显微镜相结合可以解决此问题，但复杂且耗费时间[16]。

　　上述文献阐明了对各种岩石热导率的研究见解，但取自深部矿井的低孔隙率结晶岩在不同温度作用下的导热特性未能充分了解[17]。本文采用激光导热系数测量仪(NetzschLFA457，德国)对围岩试样导热系数进行了研究，并观察了经过不同温度处理后的试样微观结构的变化。在接下来的研讨中，首先介绍岩石取样和制备，然后描述测试设备与程序，试验得到温度对试样热导率的影响，再根据场发射扫描电子显微镜(SEM，APREO.美国)试验结果进行微观结构变化分析，得出了一定的分析见解。研究结果将为深部矿井的工程优化和安全风险评估提供基础数据。

　　1试验材料和方法

　　1.1岩石取样与制备

　　本次试验所取围岩类型为花岗岩，所选样品取自烟台某金矿，该矿区位于招远市北东24km李家庄子村西，隶属招远市阜山镇管辖。矿井所处海拔高度为85～435m之间，开采深度为380m～-1580m标高。花岗岩试样取自地下-1000m处，具有斑状结构，岩石表面没有可见裂缝。

　　对不同岩块采集的花岗岩样本进行取芯、切割并抛光成直径为10mm、厚度为2mm的圆柱形圆盘(见图1)，加工完毕的试件表面光滑平整，无明显缺陷。用于研究的试样是在用低变形、低速金刚石锯片对花岗岩岩芯进行锯切抛光后获得的，以免产生微裂纹[17]。图2是花岗岩试样XRD图谱，结晶成分显示其组成为石英56%，云母30%，长石13%。

　　1.2试验仪器及方法

　　1.2.1导热系数仪器试验

　　试验中测量岩石导热系数常用的方法分为稳态法跟瞬态法。本试验采用瞬态法中的激光闪射法来测量样品的导热系数，闪光法要求待测样品尺寸小，测量精度高，可以测量除隔热材料以外的绝大部分材料。

　　激光导热仪工作原理如图3所示，主要由激光加热装置、信号检测装置和数据收集记录装置组成。在一定的设定温度T下，激光源发射一束强度较高的光脉冲，照射在样品下表面，样品吸收光能后温度上升，激光所带来的热量在试样中是按照一维向上的方向进行传递，样品上表面升温，位于顶部的红外检测器检测到信号并记录下信号强度随时间变化的关系曲线，根据未受辐射面温度达到某一值所需的时间及样品厚度。激光闪射法可以精确地直接测量热扩散系数，通过比热的测量进一步计算得出导热系数。

　　λ=α·Cp·ρ式中，λ为导热系数;α为热扩散系数，mm2/s;Cp为比热容，J/(g·℃);ρ为体积密度，g/cm3。

　　试验前将制备好的样品表面涂覆石墨，待石墨干燥后在表面形成碳膜。试验前对标准物质进行检测，结果表明仪器工作正常，每个温度点测3次，取平均值作为最终导热系数。

　　1.2.2扫描电镜试验

　　不同类型微裂隙的交叉组合会削弱岩石的导热能力，通过SEM图像可观察热载荷引起的微观损伤过程，进而解释岩石导热系数的衰减现象[12]。决定岩石宏观力学性质和破裂特性的通常是其内部细观结构中微孔洞和微裂隙的萌生、发展并最终贯通形成宏观大裂纹的损伤演化过程，扫描电镜可直接观察样品的微观结构特征，并且具有对样品无损害、图像立体感强等特点。因此，本研究借助场发射扫描电子显微镜，发现对试样的微观结构在不同温度处理下的变化规律研究更能揭示问题的本质。

　　2试验数据分析

　　2.1导热系数结果分析

　　图4为不同试样导热系数测量结果，从图4中可以看出，随着温度的增加，花岗岩试样的导热系数逐渐降低，且每个试样的变化趋势基本一致，这说明温度的升高影响了花岗岩试样的传热能力，两者存在负相关的线性关系。在25℃时，花岗岩试样的平均导热系数为3.658W/(m·K)，当温度到达50℃时，花岗岩试样的平均导热系数降低至3.446W/(m·K)，整体下降了0.212W/(m·K)。当温度达到200℃时，花岗岩试样的平均导热系数下降至2.811W/(m·K)。总体上可得出温度对花岗岩试样导热系数的影响已经比较大。

　　2.2扫描电镜结果分析

　　在将花岗岩试样完成镀金后，采用场发射扫描电子显微镜拍摄花岗岩试样的微观结构图像，为保证视域内花岗岩试样微观结构的清晰度与完整度，本次试验拟采取较高倍率的微观图像进行分析，因篇幅限制，仅将经过不同温度处理后放大7000倍的SEM微观图像进行展示。

　　扫描电镜图像表明，该样品中的不均匀性通过断裂表面上不同的粒度、类型和分布在微观尺度上呈现。因此，微观结构的不均匀性可能会影响断裂过程和现场应变破裂事件中的结果模式。微裂纹由沿晶裂纹及穿晶裂纹组成，穿晶裂纹是指在裂纹扩展过程中，穿过矿物晶体内部，仅在扩展方向上发生相对较小的变化;沿晶裂纹是指在裂纹扩展过程中，扩展方向发生较大偏转而沿着晶体边界继续破坏。在处理温度为25℃时，花岗岩试样晶体表面附带些颗粒，结构致密，可见呈阶梯形状的断口形貌，无明显裂纹，晶体局部可见微小孔洞;在处理温度从25℃升到80℃时，花岗岩试样产生穿晶裂纹，宽度很小，热处理使矿物颗粒膨胀，导致初级裂纹闭合[18];当处理温度达到150℃时，花岗岩试样裂纹随着温度的升高逐渐扩展;而当处理温度达到200℃时，花岗岩内部微裂纹进一步扩展，裂纹宽度较大，连通性明显增强，且深入样品内部聚集形成三角状的断口形貌。

　　3结论

　　(1)在本试验研究中，使用激光导热仪LFA457测量了深部矿井围岩试样25℃至200℃之间的导热系数，试验结果表明，花岗岩试样的导热系数随着温度的升高逐渐减小。温度从25℃升到200℃时，花岗岩试样的平均导热系数从3.658W/(m·K)下降至2.811W/(m·K)。

　　(2)利用场发射扫描电子显微镜对温度处理后的花岗岩试样进行了微观结构分析，图像提供了花岗岩试样在产生微裂纹过程中的行为的有价值的信息，更加准确地呈现出物理性质极少发生变化的花岗岩试样的衰变机制，所得到的试验结果对矿井热害防治具有一定意义。