本书以实现深部矿产与地热资源协同开采为着眼点，提出相变蓄热充填的理念，制备相变蓄热充填材料，并对充填体、围岩、采场、载热介质之间的热传递行为进行研究。主要包括基于矿山固废基质的相变蓄热充填材料制备及其性能、多因素影响下充填体相变行为及其蓄热/释热性能、充填体热行为耦合作用下载热介质的热运移效应等关键研究成果。本书提出的矿山蓄热/储能功能性充填的学术构想以及“相变蓄热充填-地热资源开采-采场协同降温”体系中所涉及的工程热物理问题的研究成果，对实现深部矿产与地热资源协同开采、矿井热害防治以及矿山绿色可持续发展等均具有重要的理论意义与工程应用价值。

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2011-9至2013-9, 西澳大学, 采矿工程, 联合培养博士 2010-9至2013-12, 中南大学, 采矿工程, 博士, 2007-9至2009-12, 中南大学, 采矿工程, 硕士 2003-9至2007-6, 中南大学, 安全工程, 学士2018-11至现在, 西安科技大学, 能源学院, 教授 2015-10至2018-11, 西安科技大学, 能源学院, 副教授 2013-12至2015-10, 西安科技大学, 能源学院, 讲师 2015-7至2018-12, 西安科技大学, 博士后获省部级政府奖励3项、省部级协会奖励8项和厅局级政府奖励3项西部浅埋煤层风积沙似膏体窄条带充填开采关键技术与应用 陕西省科技进步二等奖 2022 1 大宗冶炼-煤基固废协同处置与全固废煤矿充填工程应用 中国煤炭工业科学技术一等奖 2023 1 新型镁-煤渣基充填材料研发与充填关键 陕西省高等学校科学技术一等奖 2022 1

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景、思路及意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究思路及意义 3
1.2 矿山充填采矿技术及其研究进展 5
1.2.1 矿山充填采矿技术及其发展 6
1.2.2 矿山固废基充填材料及其发展 7
1.3 矿山地热能开发及其研究进展 9
1.3.1 矿山地热资源开发与利用 9
1.3.2 矿产-地热资源协同开采及降温研究与发展 10
1.4 复合相变蓄热材料及其研究进展 11
1.4.1 复合相变蓄热材料性能研究 12
1.4.2 复合相变蓄热材料的蓄热/释热行为研究 13
1.5 地下换热单元及其换热性能研究 14
1.5.1 地下换热单元性能及其研究进展 14
1.5.2 相变材料回填的地下换热单元性能及其研究进展 16
1.6 本章小结 17
第2章 蓄热/储能功能性充填技术与理论体系 18
2.1 蓄热/储能功能性充填理念与内涵 18
2.1.1 充填理念的提出 18
2.1.2 充填理念的内涵 20
2.2 蓄热/储能功能性充填方法与实施方案 20
2.2.1 充填方法的提出 20
2.2.2 充填方法实施总体方案 21
2.3 蓄热/储能功能性充填技术体系 23
2.3.1 技术体系的构建 23
2.3.2 相变蓄热充填材料的制备及性能 23
2.3.3 充填体蓄热/释热及其耦合热运移行为 26
2.4 充填技术的理论基础 28
2.4.1 充填料浆流动理论 28
2.4.2 充填体力学基础理论 29
2.5 充填体传热基本理论 31
2.5.1 充填体蓄热理论 32
2.5.2 充填体释热理论 32
2.5.3 充填体蓄热/释热性能的评价 34
2.6 本章小结 35
第3章 添加石蜡微胶囊的蓄热充填材料制备及其性能 36
3.1 充填料浆流变性能测试与分析 36
3.1.1 充填料浆的流变模型 37
3.1.2 充填料浆的流变曲线 38
3.1.3 充填料浆的触变性 40
3.1.4 恒定剪切速率下充填料浆的剪切应力 42
3.1.5 充填料浆流变性能的分析与讨论 44
3.2 充填体试件的制备与性能测试 48
3.2.1 充填体试件的力学性能与微观形貌测试 49
3.2.2 充填体试件的热学性能测试 50
3.2.3 正交试验设计原理 51
3.3 充填体力学性能测试结果与分析 52
3.3.1 充填体试件的应力-应变过程 52
3.3.2 充填体试件的抗压强度分析 55
3.3.3 充填体试件的微观形貌与力学响应分析 56
3.3.4 正交试验确定最优配比 61
3.4 充填体热学性能测试结果与分析 62
3.4.1 充填体密度影响因素分析 63
3.4.2 充填体导热系数影响因素分析 63
3.4.3 充填体比热容影响因素分析 64
3.4.4 充填体热变化焓影响因素分析 65
3.4.5 充填体热重影响因素分析 67
3.4.6 正交试验确定最优配比 68
3.5 本章小结 69
第4章 添加石蜡/膨胀石墨的蓄热充填材料制备及其性能 73
4.1 定形相变材料制备及性能测试 73
4.1.1 实验材料及设备 73
4.1.2 PA/EG-SSPCM的制备 74
4.1.3 PA/EG-SSPCM的物性测试 75
4.2 定形相变材料测试结果与分析 76
4.2.1 PA/EG-SSPCM相容性结果分析 76
4.2.2 相变温度和相变潜热值结果分析 77
4.2.3 比热容结果分析 78
4.2.4 PA/EG-SSPCM热循环稳定性结果分析 79
4.3 相变蓄热充填材料的制备及性能测试 80
4.3.1 实验材料选用 80
4.3.2 充填材料的制备与性能测试方法 82
4.4 相变蓄热充填料浆的流变性能 84
4.4.1 充填料浆的流变曲线及本构方程 84
4.4.2 充填料浆屈服应力影响因素分析 85
4.4.3 充填料浆塑性黏度影响因素分析 86
4.4.4 充填料浆触变性影响因素分析 87
4.5 相变蓄热充填体力学性能测试与分析 90
4.5.1 充填体微观形貌分析 90
4.5.2 充填体单轴抗压强度影响因素分析 95
4.5.3 充填体密度影响因素分析 98
4.6 相变蓄热充填体热学性能测试与分析 100
4.6.1 充填体比热容影响因素分析 100
4.6.2 充填体导热系数影响因素分析 101
4.7 本章小结 104
第5章 充填体蓄热性能的影响因素与分析 106
5.1 充填体蓄热模型及参数设定 106
5.1.1 充填体蓄热模型的建立 106
5.1.2 网格划分与求解设置 107
5.1.3 数值模拟的参数设置 109
5.1.4 数值模拟方法的实验验证 111
5.2 充填体物性参数对蓄热性能的影响分析 114
5.2.1 充填体蓄热性能随蓄热时间的变化 114
5.2.2 导热系数对充填体蓄热性能的影响 118
5.2.3 比热容对充填体蓄热性能的影响 123
5.3 热环境对充填体蓄热性能的影响分析 129
5.3.1 围岩温度对充填体蓄热性能的影响 129
5.3.2 充填体初始温度对其蓄热性能的影响 134
5.3.3 风流温度对充填体蓄热性能的影响 140
5.3.4 风流速度对充填体蓄热性能的影响 145
5.4 充填体蓄热性能的综合分析 150
5.4.1 各种因素影响下充填体内部测点温度变化 150
5.4.2 充填体测点温度影响因素的综合分析 151
5.4.3 各种因素影响下充填体的蓄热性能变化 152
5.4.4 充填体蓄热性能影响因素的综合分析 152
5.5 本章小结 153
第6章 充填体释热性能的影响因素与分析 155
6.1 充填体释热模型及参数设定 155
6.1.1 物理模型与数学模型 155
6.1.2 模拟条件设置与模拟结果计算 157
6.2 换热流体及充填体热物性对释热性能的影响 159
6.2.1 充填体释热性能的时变特性 159
6.2.2 换热流体参数对释热性能的影响 161
6.2.3 充填体热物性对释热性能的影响 166
6.2.4 各因素对充填体释热性能影响的综合分析 171
6.3 管间距对充填体内置换热器性能的影响分析 174
6.4 本章小结 176
第7章 传统充填体及改性充填体的蓄热/释热性能 177
7.1 相似模型实验台的建立 177
7.1.1 相似理论 177
7.1.2 相似准则数的推导 178
7.1.3 相似模型的确定 180
7.1.4 模型实验装置的搭建 181
7.2 传统充填体蓄热/释热性能测试与分析 186
7.2.1 蓄热/释热过程中充填体温度场的影响因素分析 186
7.2.2 管路布置对充填体释热性能的影响 192
7.2.3 换热流体流速对充填体释热性能的影响 195
7.2.4 围岩温度对充填体释热性能的影响 197
7.3 充填材料配比优化及热物性参数测试 199
7.3.1 改性充填材料配比 200
7.3.2 改性充填体力学性能的测试与分析 201
7.3.3 改性充填材料的热物性参数测试 205
7.3.4 改性充填材料热物性测试结果与分析 206
7.4 改性充填体蓄热/释热性能测试与分析 210
7.4.1 围岩温度对充填体蓄热/释热性能的影响 210
7.4.2 充填体初始温度对蓄热/释热性能的影响 213
7.4.3 换热流体入口温度对充填体蓄热/释热性能的影响 216
7.4.4 充填材料改性及充填体几何参数对蓄热/释热性能的影响 219
7.5 本章小结 222
第8章 均匀混合石蜡充填体的蓄热/释热性能 224
8.1 充填体的蓄热/释热模型 225
8.1.1 物理模型及性能评估 225
8.1.2 数学模型 228
8.1.3 网格划分与求解设置 232
8.1.4 模拟方法的实验验证 235
8.2 石蜡对充填体蓄热/释热性能的影响 239
8.2.1 充填体蓄热/释热过程的温度场分布 240
8.2.2 石蜡对充填体内部温度场分布的影响 243
8.2.3 石蜡对充填体蓄热/释热性能的影响 249
8.3 不同热环境对充填体蓄热/释热性能的影响 253
8.3.1 围岩温度对充填体蓄热/释热性能的影响 254
8.3.2 初始温度对充填体蓄热/释热性能的影响 258
8.3.3 换热流体入口温度对充填体释热性能影响 262
8.3.4 换热流体流速对充填体释热性能影响 265
8.4 充填体蓄热/释热性能的综合分析 269
8.4.1 不同影响因素下充填体蓄热/释热量的综合分析 269
8.4.2 不同影响因素下充填体传热速率的综合分析 270
8.5 本章小结 272
第9章 内置套管换热器封装石蜡的充填体蓄热性能 275
9.1 充填体蓄热过程的传热分析 275
9.2 充填体多区域耦合传热模型 279
9.2.1 几何模型与网格划分 279
9.2.2 边界条件与求解设置 281
9.2.3 模拟方法的实验验证 281
9.3 相变材料对充填体蓄热性能的影响与分析 286
9.3.1 含与不含相变材料的充填体蓄热性能分析 286
9.3.2 相变材料熔化过程中液相分数的分布 290
9.4 各影响因素下的充填体相变蓄热性能分析 293
9.4.1 围岩温度对充填体相变蓄热性能的影响 293
9.4.2 蓄热初始温度对充填体相变蓄热性能的影响 295
9.4.3 采场风流对充填体相变蓄热性能的影响 296
9.4.4 套管换热器结构对充填体蓄热性能的影响 299
9.4.5 各影响因素下的相变充填体蓄热性能综合评估 302
9.5 非采暖期内相变充填体的蓄热性能与地热潜力预测 303
9.5.1 几何参数及网格划分 304
9.5.2 非采暖期内的蓄热性能 305
9.5.3 相变充填体地热潜力预测 309
9.6 本章小结 310
第10章 内置套管换热器封装石蜡的充填体释热性能 312
10.1 内置套管换热器的充填体释热过程 312
10.1.1 充填体释热过程的传热分析 312
10.1.2 充填体释热过程的性能评价 315
10.2 充填体的相变释热模型 317
10.2.1 几何模型与网格划分 317
10.2.2 参数及求解设置 318
10.2.3 模拟方法的实验验证 319
10.3 采热环境对充填体释热性能的影响与分析 321
10.3.1 释热过程中充填体温度场变化 321
10.3.2 初始温度对充填体释热性能的影响 324
10.3.3 换热流体入口温度对充填体释热性能的影响 326
10.3.4 换热流体流速对充填体释热性能的影响 327
10.4 材料特性对充填体释热性能的影响与分析 329
10.4.1 灰砂比对充填体释热性能的影响 329
10.4.2 料浆浓度对充填体释热性能的影响 331
10.4.3 相变材料对充填体释热性能的影响 334
10.5 管排方式对换热管路热压性能的影响与分析 337
10.5.1 换热流体温度、速度及压力分布变化 338
10.5.2 管间距对充填体内置换热管路热压性能的影响 339
10.5.3 管径对充填体内置换热管路热压性能的影响 346
10.6 本章小结 349
第11章 跨季节储热中充填体的蓄热/释热性能 351
11.1 充填体跨季节储热的传热理论 351
11.1.1 充填体传热分析 352
11.1.2 充填体的比热容与液相分数 354
11.1.3 充填体换热性能的评价 355
11.2 充填体蓄热/释热实验 355
11.2.1 实验系统组成 356
11.2.2 实验过程 358
11.2.3 实验误差分析 359
11.3 充填体蓄热/释热实验结果与分析 359
11.3.1 充填体的测点温度变化 359
11.3.2 换热流体流速对换热性能的影响 361
11.3.3 初始温度对换热性能的影响 362
11.3.4 蓄热/释热温度对换热性能的影响 363
11.3.5 蓄热/释热时间比对换热性能的影响 364
11.3.6 各因素影响下蓄热/释热性能的综合分析 365
11.4 充填体跨季节储热的换热模型 367
11.4.1 物理模型 367
11.4.2 数学模型 368
11.4.3 网格划分与求解设置 370
11.4.4 模拟方法的实验验证 371
11.5 充填体跨季节储热的模拟结果与分析 372
11.5.1 跨季节储热中充填体的温度场变化 372
11.5.2 保温材料厚度对充填体换热性能的影响 380
11.5.3 初始温度对充填体换热性能的影响 383
11.5.4 相变材料比例对充填体换热性能的影响 386
11.5.5 各影响因素下充填体蓄热/释热性能综合分析 388
11.6 本章小结 390
第12章 裂隙对充填体蓄热/释热性能的影响 393
12.1 实验系统与实验方法 393
12.1.1 试样制备流程 393
12.1.2 实验系统 395
12.1.3 实验方法 396
12.2 数值模型与模拟方法 396
12.2.1 控制方程 397
12.2.2 模拟方法的验证 397
12.2.3 充填体内置换热单元换热过程的数值模拟 399
12.3 单裂隙对充填体蓄热/释热性能的影响与分析 401
12.3.1 充填体内置换热单元的性能评价 401
12.3.2 裂隙位置对充填体蓄热/释热性能的影响 402
12.3.3 裂隙宽度对充填体蓄热/释热性能的影响 405
12.3.4 裂隙深度对充填体蓄热/释热性能的影响 408
12.4 多裂隙耦合作用的影响分析与讨论 410
12.5 本章小结 411
参考文献 413