深部岩石原位保温取心保温材料物理力学特性研究.pdf

深部岩石原位保温取心保温材料物理力学特性研究薛守宁1,3,4，何志强1，李聪1，余波2,5，路雪莲6，刘文玥6，杨建平2,7，魏子杰1,2(1.四川大学 深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室，水利水电学院，四川 成都 610065；2.深圳大学 广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室，深地科学与绿色能源研究院，土木与交通工程学院，广东 深圳 518060；3.国能大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都 610016；4.国能大渡河流域水电开发有限公司枕沙水电建设管理分公司，四川 乐山 614799；5.四川大学机械工程学院，四川 成都610065；6.金石钻探(唐山)股份有限公司，河北 唐山 063000；7.四川大学 高分子科学与工程学院，四川 成都 610065)摘要:高温影响深部煤炭资源开采等工程活动，而传统陆地硬岩取心方法没有保温措施，忽略了温度对岩石物理力学性能的影响，导致获得的参数失真，影响深部煤炭等资源安全高效开采。为攻关深部岩石保温取心技术，提出采用环氧树脂基空心玻璃微珠材料作为保温材料应用于保温取心设备。开展了材料的物理、力学性能测试，结果表明：随微珠含量增加，保温材料导热系数呈显著下降趋势，但其力学性能出现弱化；同时，不同强度类型微珠含量增大时，保温材料力学性能降低，由于荷载承担对象的变化，会在不同体积分数处出现拐点；材料保温性能与强度是一对矛盾体，随微珠增加呈现出博弈竞争规律。为定量评价保温材料性能，定义了保温材料强度导热比，发现 S60HS 微珠体积分数为 30%、40%、50%时的保温材料综合强度导热比分别为 1.796、1.719、1.737，优于其他同类型材料，初步确定可以作为深部岩石取心保温材料。试验结果为深部岩石保温取心提供可能，进而为深部煤炭等资源开采提供支撑。关键词：深部岩石；原位保温取心；空心玻璃微珠；导热系数；力学性质中图分类号：TD41 文献标志码：A 文章编号：1001-1986(2023)08-0030-09Physicalandmechanicalpropertiesofthermalinsulationmaterialsforin-situtemperature-preservedcoringofdeeprocksXUE Shouning1,3,4,HE Zhiqiang1,LI Cong1,YU Bo2,5,LU Xuelian6,LIU Wenyue6,YANG Jianping2,7,WEI Zijie1,2(1.State Key Laboratory of Intelligent Construction and Healthy Operation and Maintenance of Deep Underground Engineering,College of Water Resource and Hydropower,Sichuan University,Chengdu 610065,China;2.Guangdong Provincial Key Laboratory ofDeep Earth Sciences and Geothermal Energy Exploitation and Utilization,Institute of Deep Earth Sciences&Green Energy,College ofCivil and Transportation Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;3.Guoneng Dadu River Basin Hydropower De-velopment Co.,Ltd.,Chengdu 610016,China;4.Zhensha Hydropower Construction Management Branch of Guoneng Dadu RiverBasin Hydropower Development Co.,Ltd.,Leshan 614799,China;5.School of Mechanical Engineering,SichuanUniversity,Chengdu 610065,China;6.Jinshi Drilltech Co.,Ltd.,Tangshan 063000,China;7.College of Polymer Science andEngineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)Abstract:High temperature affects deep coal mining and other engineering activities.However,conventional coringmethods for terrestrial hard rocks lack temperature-preserved measures,ignoring the effects of temperature on the phys-ical and mechanical properties of rocks.Consequently,the parameters obtained are subjected to distortion,affecting thesafe and efficient mining of resources such as deep coals.To make breakthroughs in the development of in-situ temperat-收稿日期:2022-12-07；修回日期:2023-03-19基金项目:国家重点研发计划课题(2022YFB3706604，2022YFB3706605)；四川省科技计划资助项目(2023NSFSC0790)第一作者:薛守宁，1983 年生，男，甘肃靖远人，博士，高级工程师，从事岩土工程研究.E-mail：通信作者:何志强，1994 年生，男，四川自贡人，博士，助理研究员，从事深部岩石力学研究.E-mail： 第 51 卷 第 8 期煤田地质与勘探Vol.51 No.82023 年 8 月COAL GEOLOGY&EXPLORATIONAug.2023薛守宁，何志强，李聪，等.深部岩石原位保温取心保温材料物理力学特性研究J.煤田地质与勘探，2023，51(8)：3038.doi:10.12363/issn.1001-1986.22.12.0938XUE Shouning，HE Zhiqiang，LI Cong，et al.Physical and mechanical properties of thermal insulation materials for in-situtemperature-preserved coring of deep rocksJ.Coal Geology&Exploration，2023，51(8)：3038.doi:10.12363/issn.1001-1986.22.12.0938ure-preserved coring technologies for deep rocks,this study proposed using the hollow glass microsphere/epoxy resin(HGM/EP)as thermal insulation materials and the physical and mechanical properties.The results are as follows:(1)With an increase in the HGM content,the thermal conductivity of the thermal insulation materials showed a significantdownward trend,and the mechanical properties of the materials weakened.(2)The increase in the content of HGM withdifferent strengths led to changes in the load-bearing objects.As a result,inflection points occurred at different volumefractions when mechanical properties decreased.(3)There is a contradiction between the thermal conductivity andstrength,which compete with each other as the HGM content increases.To quantitatively evaluate the performance ofthermal insulation materials,this study defined the strength-to-thermal conductivity ratio,discovering that thermal insu-lation materials with 30%,40%,and 50%volume fractions of S60HS HGM had comprehensive strength-to-thermal con-ductivity ratios of 1.796,1.719 and 1.737,respectively.These materials,outperforming similar materials,were prelimin-arily determined as thermal insulation materials for deep rock coring.The test results of this study make it possible toachieve in-situ temperature-preserved coring of deep rocks,further supporting the mining of resources such as deepcoals.Keywords:deep rock;in-situ temperature-preserved coring;hollow glass microsphere(HGM);thermal conductivity;mechanical properties 地球浅部矿产资源已逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部1-2。就煤矿而言，开采深度逐年增加3-4，目前，我国共有千米以上矿井约 50 座，最大开采深度已超过 1 500 m5-6。而深部能源的开采存在“三高一扰动”状态，制约着深部资源的安全高效开发7-8。其中，温度作为重要影响因素，随深度增加而升高，制约着深部煤炭资源开采活动9-10，因此，众多学者围绕温度对煤岩的影响开展研究。研究表明：煤体随着温度的升高，强度降低11-12、损伤加剧13；煤的吸附能力随着温度的升高而降低14-15；瓦斯在煤体内渗流与温度也密切相关，但二者之间的关系比较复杂，学术界尚未形成统一认识16-18。可见随着温度的升高，煤岩力学性质、瓦斯吸附解吸、渗流规律等均会发生变化，影响煤炭安全、高效开采。谢和平院士提出必须研发深部岩石保温取心技术装备，实现深部煤岩原位性质测试19-20。目前在大陆深钻取心领域，主要关注点集中在取心钻进技术，只有海洋钻探领域已经率先关注海底沉积物保真取样技术21，但采用保温措施的海洋取心器仍然较少，仅有日本保温保压取心系统 PTCS22、广州海洋地质研究所研制的天然气水合物取心装置 PTPS23、浙江大学和第一海洋研究所设计研发的保真取心器24等；上述取心器的保温材料均是采用夹层的实施方式，增大了取心器的壁厚，导致取心成本增加。深部岩石处于高孔隙水压的环境，普通保温材料将难以适用于深部岩石保温取心。笔者提出采用环氧树脂(Epoxy Resin，EP)基空心玻璃微珠(Hollow Glasses Microspheres，HGM)保温材料(以下简称 HGM/EP 保温材料)，该材料具有低吸水率、高强度、低导热系数的优点25-26，被广泛应用于深海固体浮力材料、深海管道保温材料等领域27。目前已有大量的研究成果28-29表明，材料中微珠体积分数越低拉伸强度越高，反之越低30-31，随着微珠的加入，导热系数从 0.064 W/(mK)降低到 0.056 W/(mK)32。微珠的加入会显著影响材料的各项力学参数，材料的弹性模量、强度逐渐降低33。当材料密度较低时，主要表现为纵向裂纹扩展破坏，在材料密度较高时，主要表现为材料的层状破坏34。随着微珠直径、含量的增加，材料的密度、抗弯强度和抗弯模量均降低35。压缩载荷下材料的破坏取决于微珠，而拉伸载荷作用下基体材料则是主要承载对象36。基于 HGM/EP 保温材料性质的研究，结合深部取心环境对材料具有高强度+低导热系数双特性的要求，笔者重点围绕常规条件下，研究不同类型、不同含量微珠对保温材料性能的影响规律，旨在选出适应于深部取心环境的综合性能优异的保温材料，为深部岩石原位保温取心提供支撑。1保温材料试样制备及性能测试方法HGM/EP 保温材料是在环氧树脂基体中填充微珠。选择 E-51 作为基体树脂，密度为 1.153 3 g/cm3，选择2-乙基-4-甲基咪唑作为固化剂。选择 5 种类型的微珠进行试验，见表 1。表1试验用微珠性能Table1PropertiesofHGMfortests类型抗压强度/MPa密度/(gcm3)粒径分布/m10th%50th%90th%K11.720.1253065110K255.170.25255595K4641.340.46154075S60HS124.020.60113050iM30K192.920.6091625注：10th%表示小于表中所示粒径的微珠占总量的10%，其他同。第 8 期薛守宁等：深部岩石原位保温取心保温材料物理力学特性研究 31 材料制备固化过程为 80 条件下固化 1 h+170条件下固化 3 h。压缩试验试样按 GB/T 88132020 硬质泡沫塑料 压缩性能的测定加工为12 mm20 mm，拉伸试验试样按 GB/T 1040.22022塑料拉伸性能的测定第 2 部分：模塑和挤塑塑料的试验条件加工为哑铃型，导热系数测试试样尺寸为45 mm11 mm。室内条件下不采取添加稀释剂等措施时，无法加入过多的微珠，最高填充体积分数为 50%，因此，试验制备了 5 种类型微珠各 6 个体积分数(0、10%、20%、30%、40%、50%)材料开展试验研究，由于 K25-HGM/EP、iM-HGM/EP 试样在微珠体积分数达到 50%时已失去流动性，部分试验样品无法制备，最高仅能填充45%，因此后续个别研究仅呈现了部分试验结果对比。导热系数测试试样命名为微珠类型体积分数(如 K1-f10)，拉伸试样命名为 T-微珠类型体积分数(如 T-K1-f10)，拉伸试验加载速率为 1 mm/min；单轴压缩试样命名为 C-微珠类型体积分数(如 C-K1-f10)，压缩试验加载速率为 1 mm/min。其中，S60HS、iM30K微珠命名时简写为 S60、iM，如 C-S60-f10、C-iM-f10。2保温材料物理特性2.1保温材料密度密度是保温材料的基本参数，反映了微珠性质对材料特性的影响。如图 1 所示，随着微珠体积分数的增大，基体材料的占比逐渐减小而微珠分布密度增大，同时制备过程中引入的孔隙也会导致保温材料的密度发生变化。如图 2 所示，由于微珠密度远低于环氧树脂，随着微珠含量的增加，材料密度逐渐降低，并呈现出良好的线性关系；而微珠自身密度也存在差异，相同体积分数的条件下，不同类型微珠形成的保温材料密度也有较大差距，当微珠体积分数达 50%时，相比体积分数为 0 时的环氧树脂基体材料，K1、K25、K46、S60-HGM/EP 保温材料密度降低约 40.9%、49.0%、33.0%、27.8%。0300 m10%30%40%50%20%空心玻璃微珠环氧树脂基体引入的气泡100 m100 m100 m100 m100 m图 1 不同体积分数 K1-HGM/EP 保温材料 SEM 图片Fig.1 SEM images of K1-HGM/EP thermal insulation materials containing different volume fractions of HGM 2.2保温材料导热性能导热系数是衡量材料保温性能的重要参数，导热系数越低保温性能越好。图 3 为采用 Hot Disk 热常数分析仪 TPS2500S 测得的常规条件下保温材料导热系数，可以看出不同类型微珠形成的保温材料随着微珠体积分数的增加，材料内部由微珠空腔形成的闭合孔隙体积增大，降低了热交换的速率，导热系数均表现出明显的下降趋势。当微珠密度0.46 g/cm3时(即K1、K25、K46)，微珠体积分数为 020%的保温材料导热系数降低不明显，体积分数20%时，保温材料导热系数开始显著下降；而微珠密度0.46 g/cm3时(即S60HS、iM30K)，保温材料导热系数基本呈线性降低趋势。这是由于在试样制备时，微珠密度远小于环氧树脂密度，体积分数较低时部分微珠会集中在保温材料上部(图 4)，测试时含量低的一侧紧贴着探头，而探头的探测深度仅约试样厚度的一半，因此在微珠密度及体积分数均较低时，导热系数并未出现明显的变化。由表1 可知，K1、K25、K46 微珠密度远小于S60HS、iM30K，而前 3 种类型微珠的粒径却远大于后 2 种，因此，微珠内部闭合空间较大，理论上相同体积分数填充形成的保温材料导热系数较小。由图 5 可以看出，由于微珠密度较低，在体积分数较小的情况下(30%)，微 32 煤田地质与勘探第 51 卷珠的分布不均匀导致结果与理论出现相反的规律，而体积分数较大时符合理论认知。同时，由于孔隙率较大的缘故，相同体积分数情况下，iM-HGM/EP 保温材料导热系数均比 S60HS 微珠保温材料更低。3保温材料力学特性深部岩石赋存于高温高压的环境37，在取心过程中保温材料还会受到取心过程中外部机械作用及高静水压力所带来的压缩荷载等外力影响，因此，保温材料能否应用于深部岩石原位保温取心器还取决于材料的力学性能38-39，为此，针对常规条件下保温材料的力学性能开展室内试验，研究不同类型、不同含量微珠对保温材料力学性能的影响规律。试验仪器采用 Instron万能材料试验机。3.1保温材料拉伸力学性能如图 6 所示，由于微珠强度远低于环氧树脂强度，同时微珠的混合在保温材料内部引入了气泡，因此，随着微珠体积分数增大，保温材料拉伸强度及应变逐渐下降，微珠的加入对保温材料的拉伸力学性能呈现弱化作用。当微珠体积分数由 0 增大至 40%时，K1 保温材料拉伸强度及应变分别降低 61.1%、56.3%，iM30K 保温材料拉伸强度及应变分别降低 31.2%、50.4%。从整体趋势上可以看出，微珠自身强度越高，对保温材料拉伸力学性能的弱化作用越小。保温材料的强度由 3 个方面的因素决定：环氧树脂基体的强度、微珠的强度、微珠与环氧树脂基体两者之间的界面结合强度。保温材料在拉伸应力作用下，主要由环氧树脂基体及微珠二者共同承担荷载。当微珠自身强度较小时(K1、K25)，主要由基体承担荷载，微珠加入的同时弱化了保温材料，造成材料强度随微珠体积分数增大而降低。当微珠自身强度较大时(K46、S60HS)，微珠体积分数小于 30%，主要由基体承担拉伸荷载，此时微珠的添加弱化了基体承载能力；而微珠体积分数等于30%时，主要由环氧树脂及微珠共同承担荷载，基体承载能力减小的同时高强度微珠的承载能力逐渐体现，导致材料拉伸强度及应变出现不降反升的现象；当微珠体积分数大于 30%时，荷载承担的主体逐渐变为微珠，微珠体积分数增大的同时引入了更多的气泡，最终 010203040500.60.70.80.91.01.11.2保温材料密度/(gcm3)微珠体积分数/%K1-HGMK25-HGMK46-HGMS60-HGMiM-HGM图 2 不同 HGM/EP 保温材料密度Fig.2 Density of different HGM/EP thermal insulation materials 010203040500.140.160.180.200.220.240.26导热系数/(Wm1K1)微珠体积分数/%K1-HGMK25-HGMK46-HGMS60-HGMiM-HGM图 3 不同保温材料导热系数随微珠含量变化Fig.3 Thermal conductivity vs.HGM content for differentHGM/EP thermal insulation materials 远离探头侧近探头侧微珠含量上升500 m图 4 K25-f10 保温材料中微珠分布规律Fig.4 Distribution pattern of HGM in K25-f10 thermal insulationmaterials K1K25K46S60iM0.140.160.180.200.220.240.26导热系数/(Wm1K1)微珠类型微珠体积分数/%10 20 30 40 50趋势线图 5 不同类型保温材料导热系数对比Fig.5 Thermal conductivities of HGM/EP thermal insulation ma-terials with different types and volume fractions of HGM第 8 期薛守宁等：深部岩石原位保温取心保温材料物理力学特性研究 33 导致保温材料的拉伸强度及应变再次降低。当填充的微珠强度更大(iM30K)时，此时材料的强度及应变主要受微珠与环氧树脂基体之间界面结合性能的影响，由于微珠强度较高，因此导致在拉伸过程中微珠发生脱粘现象，同时引入的气泡也弱化了材料性能，最终导致保温材料拉伸强度及应变随微珠体积分数增大而降低。同时，根据表 1 的微珠信息，随着微珠自身强度的增大，不同体积分数保温材料的强度及应变均呈现上升趋势；而 S60HS 微珠保温材料强度与应变均较iM30K 微珠保温材料更大，从而在 S60HS 微珠保温材料处出现峰值，这考虑是由于 S60HS 微珠粒径较大，导致表面积更大，能够与环氧树脂基体形成更多的固化反应交联点，使得两者具有更好的界面结合性能；此外，S60HS 微珠比 3 种 K 系列微珠强度更高，因此，在S60HS 微珠保温材料处会出现拉伸强度及应变的拐点。3.2保温材料压缩力学性能如图 7 所示，可以看出微珠对保温材料的压缩力学性能同样呈现弱化作用，各种类型微珠保温材料的压缩强度及应变随微珠体积分数的增大逐渐降低。同样地，从整体趋势上可以看出，微珠自身强度越高，对保温材料压缩力学性能的弱化作用就越小。20406080100120140160压缩强度/MPa微珠类型微珠体积分数/%10 20 30 40 50趋势线51015202530趋势线压缩应变/%微珠类型微珠体积分数/%10 20 30 40 50(a)压缩强度(b)压缩应变K1K25K46S60iMK1K25K46S60iM图 7 不同 HGM/EP 保温材料压缩强度及应变Fig.7 Compressive strength and compressive strain of HGM/EP thermal insulation materials with different types andvolume fractions of HGM 材料在压缩应力的作用下，仍然由环氧树脂基体及微珠二者共同承担荷载，而由于荷载形式不同，压缩强度及应变并未在 30%体积分数时出现峰值，而是表现出其他规律。当微珠强度较低时(K1、K25、K46)，保温材料压缩强度及应变变化规律大致可以由 20%30%微珠体积分数分为两个阶段，体积分数为 10%时，由于微珠体积分数较小，此时荷载主要由环氧树脂基体承担，微 K1K25K46S60iMK1K25K46S60iM1015202530354045拉伸强度/MPa微珠类型微珠体积分数/%10 20 30 40 50趋势线0.91.21.51.82.12.42.7趋势线拉伸应变/%微珠类型微珠体积分数/%10 20 30 40 50(a)拉伸强度(b)拉伸应变图 6 不同微珠类型保温材料拉伸强度及应变Fig.6 Tensile strength and tensile strain of HGM/EP thermal insulation materials with different types and volume fractions of HGM 34 煤田地质与勘探第 51 卷珠的加入导致基体力学性能急剧弱化，材料整体压缩强度及应变大幅下降；当微珠体积分数 40%、50%时，微珠在保温材料内部占比增大，微珠成为荷载承担的主体，同时包裹微珠的树脂层变薄，二者结合性变差，最终表现为强度及应变的降低，而在此过程中微珠体积分数虽然在增大，但是微珠承担主要荷载的角色一直不变，因此力学性能弱化程度较小。当微珠强度较高时(S60HS、iM30K)，保温材料强度及应变的降低速率在 20%体积分数左右仍然会变缓。而与微珠强度较低时不同的是，当微珠体积分数达到 40%后，保温材料强度表现出明显的上升趋势。这是由于 S60HS、iM30K 微珠抗压强度已经达到124.02、192.92 MPa，当体积分数大于 20%后，荷载逐渐转为微珠承担，微珠加入对材料的弱化作用与高强度微珠自身承载能力对材料的增强作用处于博弈状态，在体积分数大于 40%后，高强度微珠的承载能力逐渐体现，最终材料力学性能呈现不降反升的现象，而由于 iM30K 微珠抗压强度高于 S60HS 微珠，因此 iM30K微珠保温材料压缩强度在微珠体积分数为 30%后就出现了上升趋势。同时，可以看出不同微珠类型保温材料压缩强度与应变的变化趋势与拉伸试验结果相同，均在 S60HS微珠保温材料处出现峰值。此外，由表 1 及图 6、图 7 结果可以看出，不同类型微珠具有不同的抗压强度，但保温材料拉伸及压缩力学性能并未随微珠自身强度的提高而增大，结合3.1 节试验结果可知，微珠在与基体材料混合时会引入气泡，从而导致材料力学性能的降低，而不同类型引入气泡量有所差异，最终导致微珠自身强度与气泡共同决定保温材料整体强度呈现出非线性变化特征。4保温材料力学性能与导热系数相关关系探讨保温材料涂覆于取心器管壁，进行取心作业时，温度、孔隙水压力过高将导致材料强度降低进而在取心作业扰动下产生裂纹，裂纹的贯通将会进一步使导热系数升高26，从而极大降低保温性能，因此，深部岩石保温取心保温材料需要同时兼顾材料力学性能及保温性能，亟需探索二者的相关关系。从表 1 可以看出，不同类型的微珠密度越大，粒径越小而抗压强度越高。当微珠体积分数较高时，材料导热系数降低，保温性能更优，而强度减小。拉伸及压缩性能受微珠的影响趋势较为一致，以保温材料压缩强度为例。如图 8 所示，微珠体积分数逐渐增大的过程中，除高强度微珠S60HS 及 iM30K 在体积分数较大时形成的保温材料压缩强度随导热系数降低而升高以外，其余均随导热系数降低而减小。例如，当微珠体积分数达到最大时，K1-HGM/EP 保温材料导热系数与压缩强度分别降低41.1%、57.0%，K25-HGM/EP 保温材料导热系数与压缩强度分别降低 40.1%、58.9%，K46-HGM/EP 保温材料导热系数与压缩强度分别降低 23.6%、24.5%。在工程应用中希望得到导热系数较低且强度更高的保温材料，但由图 8 可知，材料的保温性能和强度是一组矛盾体，导热系数降低的同时强度减小。为此以基体材料为参考，定义保温材料强度与导热系数的比值为强度导热比 D，以评价材料的综合性能，确定综合指标优异的保温材料。D=c/Ccm/Cm(1)cm式中：和分别为保温材料和基体材料的强度，MPa；Cc和 Cm分别为保温材料及基体材料的导热系数，W/(mK)。材料强度导热比高代表材料的强度及应变较高、导热系数较低，也就是材料的强度和导热系数同时处于一个较为理想的情况。由图 9 所示，随微珠强度的增大，强度导热比呈现显著增大趋势，其中 S60HS、iM30K 微珠保温材料的强度导热比处于较高水平(如图 9 中虚线框所示)，说明保温材料强度(应变)相对较高、导热系数相对较低。1020(a)K1-HGM/EP(c)K46-HGM/EP(e)iM30K-HGM/EP(d)S60HS-HGM/EP(b)K25-HGM/EP3040500.140.160.180.200.220.240.260.28导热系数压缩强度微珠体积分数/%导热系数/(Wm1K1)导热系数/(Wm1K1)导热系数/(Wm1K1)导热系数/(Wm1K1)导热系数/(Wm1K1)405060708090100110压缩强度/MPa10203040500.1250.1500.1750.2000.2250.250导热系数压缩强度微珠体积分数/%3045607590105120压缩强度/MPa导热系数压缩强度微珠体积分数/%压缩强度/MPa导热系数压缩强度微珠体积分数/%压缩强度/MPa导热系数压缩强度微珠体积分数/%压缩强度/MPa第 8 期薛守宁等：深部岩石原位保温取心保温材料物理力学特性研究 35 (a)K1-HGM/EP(c)K46-HGM/EP(e)iM30K-HGM/EP(d)S60HS-HGM/EP(b)K25-HGM/EP导热系数压缩强度微珠体积分数/%导热系数/(Wm1K1)导热系数/(Wm1K1)导热系数/(Wm1K1)导热系数/(Wm1K1)导热系数/(Wm1K1)压缩强度/MPa导热系数压缩强度微珠体积分数/%压缩强度/MPa10203040500.180.200.220.240.26导热系数压缩强度微珠体积分数/%90100110120130压缩强度/MPa10203040500.2150.2200.2250.2300.2350.240导热系数压缩强度微珠体积分数/%125130135140145压缩强度/MPa10203040500.190.200.210.220.230.24导热系数压缩强度微珠体积分数/%105110115120125130压缩强度/MPa图 8 不同 HGM/EP 保温材料导热系数与压缩强度的关系Fig.8 Thermal conductivity pressive strength for different HGM/EP thermal insulation materials 0.40.50.60.70.80.91.01.1拉伸强度导热比微珠类型微珠体积分数/%10 20 30 40 500.30.40.50.60.70.80.9压缩强度导热比微珠类型微珠体积分数/%10 20 30 40 50(a)拉伸强度导热比(b)压缩强度导热比K1K25K46S60iMK1K25K46S60iM图 9 不同微珠类型保温材料强度导热比Fig.9 Strength-to-thermal conductivity ratios of different HGM/EP thermal insulation materials 将拉伸强度导热比与压缩强度导热比计算结果相加得到综合强度导热比，从而便于直观进行比较筛选。同时，由于体积分数较小时(30%)，保温材料导热系数测定结果误差较大，应从体积分数较大的保温材料中进行对比，最终可以得出，S60HS 微珠体积分数为30%、40%、50%时，保温材料综合强度导热比均较高，分别为 1.796、1.719、1.737，可以作为深部岩石保温取心保温材料。5结论a.针对深部岩石取心条件及保温材料的应用环境，提出采用环氧树脂基空心玻璃微珠保温材料(HGM/EP)应用于深部岩石保温取心器，不同类型、不同含量微珠保温材料性能的试验表明：随着微珠含 36 煤田地质与勘探第 51 卷量的增加，材料密度呈现线性降低，导热系数表现出明显的下降趋势，当体积分数达 50%时，不同类型微珠保温材料密度降低 27.8%49.0%；微珠的加入对保温材料的力学性能呈现弱化作用。b.保温材料的保温性能和强度是一组矛盾体，定义强度导热比以定量评价材料的综合性能；最终得出S60HS 微珠体积分数为 30%、40%、50%时，保温材料综合强度导热比为 1.796、1.719、1.737，优于其他材料，初步确定可以作为深部岩石保温取心保温材料。c.下一步将就优选的材料探索其在高温高压条件下的物理力学性能，并应用于取心器，在工程实践中检验其适用性。参考文献(References)谢和平，高峰，鞠杨，等.深地科学领域的若干颠覆性技术构想和研究方向J.工程科学与技术，2017，49(1)：18.XIE Heping，GAO Feng，JU Yang，et al.Novel idea and disrupt-ive technologies for the exploration and research of deep earthJ.Advanced Engineering Sciences，2017，49(1)：18.1 谢和平，李存宝，高明忠，等.深部原位岩石力学构想与初步探索J.岩石力学与工程学报，2021，40(2)：217232.XIE Heping，LI Cunbao，GAO Mingzhong，et al.Conceptualiza-tion and preliminary research on deep in situ rock mechanicsJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2021，40(2)：217232.2 GAO Mingzhong，ZHANG Zhilong，YIN Xiangang，et al.Thelocation optimum and permeabilityenhancing effect of alowlevel shield rock roadwayJ.Rock Mechanics and Rock En-gineering，2018，51(9)：29352948.3 GAO Mingzhong，XIE Jing，GAO Yanan，et al.Mechanical be-havior of coal under different mining rates：A case study fromlaboratory experiments to field testingJ.International Journal ofMining Science and Technology，2021，31(5)：825841.4 高亚楠，高峰，谢晶，等.温度围压瓦斯压力作用下煤岩力学性质及有限变形行为J.煤炭学报，2021，46(3)：898911.GAO Yanan，GAO Feng，XIE Jing，et al.Mechanical propertiesand finite deformation behavior of coal under temperature，con-fining pressure and gas pressureJ.Journal of China Coal 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