露天煤堆群自燃特性的數(shù)值模擬

閆沁陽(yáng)，劉星魁，常緒華

(1.山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 通風(fēng)處，山西 長(zhǎng)治 046299； 2.河南工程學(xué)院 安全工程系，河南 鄭州 451191)

煤炭自燃通常指在礦井開(kāi)挖過(guò)程中誘發(fā)的煤炭自發(fā)燃燒事故，近20 a事故統(tǒng)計(jì)資料顯示，煤炭自燃在各類(lèi)煤礦重大隱患中占比位居前列。近年來(lái)隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)政策的宏觀調(diào)整，煤礦產(chǎn)能有所下降，且煤炭的銷(xiāo)量時(shí)常發(fā)生波動(dòng)，煤炭?jī)?chǔ)存周轉(zhuǎn)期較以往有所延長(zhǎng)，出于成本控制的目的，儲(chǔ)煤場(chǎng)地多為簡(jiǎn)易半封閉式，甚至完全露天堆放，如港口碼頭、郊外空地等區(qū)域，均長(zhǎng)期擱置大量煤堆。然而，煤是一種典型的自熱自燃物質(zhì)，露天堆放時(shí)煤堆易發(fā)生自燃，進(jìn)而衍生出各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)安全事故，并且其釋放的CO等有毒有害氣體會(huì)造成持續(xù)的空氣污染，危及周邊作業(yè)人員的人身安全，因此有必要對(duì)露天煤堆自燃的表征及CO氣體彌散規(guī)律進(jìn)行研究。

目前針對(duì)單一煤堆自燃現(xiàn)象的模擬和實(shí)驗(yàn)研究成果較為豐富，如趙文彬等[1]進(jìn)行了地面煤堆自然發(fā)火的模擬試驗(yàn), 并依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了煤體自熱與自燃進(jìn)程、溫度場(chǎng)等的變化特征；楊永良[2]從模擬和實(shí)驗(yàn)兩方面驗(yàn)證了加高煤堆底部支撐的防火效果；王國(guó)勝[3]基于“三帶”的概念對(duì)煤堆自燃區(qū)域進(jìn)行了劃分；劉星魁[4]、YUAN Liming[5]等模擬了煤堆溫度動(dòng)態(tài)分布特征及其影響因素；宋澤陽(yáng)[6]、劉星魁[7-8]等對(duì)煤堆內(nèi)部漏風(fēng)分布進(jìn)行了分析，并模擬了多物理場(chǎng)耦合下煤堆的自燃過(guò)程及火點(diǎn)位置;劉向軍等[9]利用有限差分方法對(duì)二維煤堆自燃模型進(jìn)行了數(shù)值求解，分析了煤堆的不同堆放方式對(duì)煤堆傳熱與燃燒的影響。

上述研究成果均針對(duì)某單一煤堆，但實(shí)踐中露天煤場(chǎng)通常聳立兩處以上的煤堆，近距離大型煤堆會(huì)對(duì)鄰近煤堆的漏風(fēng)強(qiáng)度和趨勢(shì)造成較大程度的影響，甚至?xí)淖冋麄€(gè)煤場(chǎng)的流場(chǎng)分布，進(jìn)而可能形成與單一煤堆不同的自燃進(jìn)程，而鮮有研究分析多個(gè)煤堆同時(shí)自燃時(shí)的升溫特性，以及煤堆之間由自燃產(chǎn)生的CO分布情況。筆者針對(duì)煤堆群自熱自燃問(wèn)題，利用數(shù)值模擬分析3種不同堆放方式下露天煤堆群的動(dòng)態(tài)升溫過(guò)程，并討論煤堆群自燃特性及CO分布特點(diǎn)，為開(kāi)展煤場(chǎng)的安全管理工作提供參考。

1 基本假設(shè)及數(shù)學(xué)模型

本次模擬分析的基本假設(shè)包括：①煤堆內(nèi)部氣體滲流規(guī)律符合Darcy定律；②僅取煤堆某一斷面作為分析對(duì)象；③空間流場(chǎng)只包括氧氣和氮?dú)?，且均為理想氣體；④煤堆局部區(qū)域內(nèi)流體與固體之間完成熱交換后可達(dá)到熱平衡，二者等溫；⑤煤堆物理結(jié)構(gòu)為常量，保持不變。

經(jīng)過(guò)以上5點(diǎn)假設(shè)，煤堆自燃等效于二維平面上具有熱源的層流多孔區(qū)非穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題。

考慮煤堆內(nèi)部空氣密度隨溫度變化時(shí)的滲流模型可表示為:

(1)

按照Carmen-Kozeny關(guān)系：

(2)

式中：ε為孔隙率，參考煤堆典型特征，取0.3；d為煤體顆粒粒徑，取10 mm。

煤堆內(nèi)部的氣體擴(kuò)散模型和升溫模型為[10-14]：

(3)

(4)

cwhole=εcair+(1-ε)ccoal

(5)

λwhole=ελair+(1-ε)λcoal

(6)

式中:w為氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)；t為煤堆氧化時(shí)間，s；D為多孔介質(zhì)內(nèi)氧氣擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；r為煤堆消耗氧氣能力，是煤自身的物理參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定，kg/(m3·s)；ρwhole為煤堆密度，kg/m3；cwhole、cair、ccoal分別為煤堆、空氣、煤的比熱容，J/(kg·K)；λwhole、λair、λcoal分別為煤堆、空氣、煤顆粒導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；q為放熱強(qiáng)度，由實(shí)驗(yàn)確定，W/m3。

2 物理模型及計(jì)算結(jié)果

2.1 物理模型設(shè)置

參照煤堆堆放時(shí)的形狀規(guī)模，將煤堆形狀設(shè)置為梯形，為了分析數(shù)座煤堆在不同堆放方式下呈現(xiàn)出的自燃特性差異，分別按“先低后高”“等高”和“先高后低”排列方式設(shè)計(jì)3種煤堆群，其物理參數(shù)和模型布局如圖1所示。

(a)先低后高排列

(b)等高排列

(c)先高后低排列圖1 3種排列方式煤堆群物理模型示意圖

設(shè)置速度3 m/s的大氣風(fēng)流依次從左邊掠過(guò)3座煤堆，風(fēng)流中氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%；煤堆內(nèi)部初始溫度與環(huán)境溫度等同為300 K；煤堆下邊界與地面相連，此處氣體速度梯度應(yīng)為0，但可與地面進(jìn)行熱交換，上邊界和側(cè)邊界分別具有透氣性質(zhì)，與大氣相連。其邊界上第三類(lèi)傳熱條件可表示為：

(7)

式中：h為煤堆漏風(fēng)邊界與大氣之間的換熱系數(shù)，由速度和溫度的計(jì)算結(jié)果耦合決定，W/(m2·K)；Ts為大氣溫度，K。

將上述數(shù)學(xué)及物理模型導(dǎo)入FLUENT求解器中，利用基于壓力與速度耦合的非穩(wěn)態(tài)方法對(duì)煤堆自燃過(guò)程中的溫度與流場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算。

2.2 煤堆群自燃升溫趨勢(shì)模擬

3種排列方式下堆放18 d時(shí)煤堆群溫度分布模擬結(jié)果如圖2所示。

(a)先低后高排列

(c)先高后低排列圖2 3種排列方式煤堆群18 d時(shí)溫度分布

從圖2中橫向看，無(wú)論何種排列方式均是首座煤堆溫度最高，其高溫范圍也最大，第二座煤堆次之，第三座煤堆溫度最低，高溫范圍也最小。各個(gè)煤堆內(nèi)部高溫區(qū)均位于煤堆內(nèi)深部區(qū)域，與迎風(fēng)邊界存在1～2 m的距離，這種現(xiàn)象可依據(jù)“自燃三帶”的理論進(jìn)行解釋[15]?？拷L(fēng)面漏風(fēng)強(qiáng)度較大，熱量不易積聚，靠近背風(fēng)面氧氣含量不足以支撐自燃發(fā)生，高溫區(qū)處于漏風(fēng)強(qiáng)度適中、氧氣充足的中部。漏風(fēng)強(qiáng)度越大，高溫區(qū)順迎風(fēng)方向越深入煤堆內(nèi)部，首座煤堆前方?jīng)]有障礙物，漏風(fēng)強(qiáng)度最大，這種“自燃三帶”的分布越明顯。

從圖2中縱向看，3種排列方式下，首座煤堆所處位置的漏風(fēng)強(qiáng)度一致，先低后高排列時(shí)首座煤堆溫度低于其他兩種排列方式時(shí)的溫度，這是因?yàn)槊憾言降停瑔挝粫r(shí)間釋放出的總熱量越少，且平坦的迎風(fēng)面利于降低風(fēng)流掠過(guò)煤堆產(chǎn)生的壓降，減少外界向煤堆內(nèi)部的漏風(fēng)強(qiáng)度；第二座煤堆溫度分布也存在明顯差異，先低后高排列時(shí)其溫度大面積超過(guò)350 K，高溫面積位于煤堆中部大片區(qū)域內(nèi)，而等高排列時(shí)第二座煤堆高溫面積大幅縮小，只存在于迎風(fēng)邊界附近，先高后低排列時(shí)高溫范圍逐漸減小，大部分區(qū)域溫度在340 K以下，這與之前形成反差；第三座煤堆溫度分布在3種排列方式下相差不大，均處于相對(duì)低溫階段。

3種排列方式下堆放18 d時(shí)煤堆群漏風(fēng)速度分布模擬結(jié)果如圖3所示。

(a)先低后高排列

(c)先高后低排列圖3 3種排列方式煤堆群18 d時(shí)漏風(fēng)速度分布

從圖3中橫向看，在風(fēng)流依次掠過(guò)3座煤堆時(shí)，由于煤堆空隙對(duì)空氣來(lái)流的抵御，無(wú)論何種排列方式，3座煤堆內(nèi)漏風(fēng)速度均會(huì)依次逐漸減小，規(guī)律較為一致。

從圖3中縱向看，先低后高排列時(shí)，首座煤堆由于迎風(fēng)角最為平緩，因此其漏風(fēng)強(qiáng)度較其他兩種排列方式最小，但由于首座煤堆沒(méi)有對(duì)來(lái)流起到“攔截”作用，先低后高排列的第二座煤堆漏風(fēng)強(qiáng)度較大，大面積區(qū)域漏風(fēng)速度超過(guò)0.001 m/s，這一速度是引起煤自燃的漏風(fēng)下限，因此對(duì)應(yīng)圖2，此種排列方式下第二座煤堆溫度最高，具有自燃危險(xiǎn)性；先高后低排列雖然首座煤堆溫度最高，但第二座煤堆溫度及高溫分布范圍顯著低于其他兩種排列方式的煤堆群，當(dāng)選取惰性煤組成首座煤堆，或定期進(jìn)行壓實(shí)，篩選粒徑后，控制其自燃發(fā)展趨勢(shì)后，將取得整個(gè)煤堆群的最佳的防火效果；第三座煤堆呈相似的趨勢(shì)，先低后高排列時(shí)第三座煤堆漏風(fēng)強(qiáng)度最高，等高排列時(shí)次之，而先高后低排列時(shí)風(fēng)流掠過(guò)第三座煤堆后由于動(dòng)能大幅減弱，漏風(fēng)強(qiáng)度幾乎不足以支撐煤堆溫度上升，基本不具危險(xiǎn)性。

接下來(lái)進(jìn)一步比較不同排列方式煤堆群之間風(fēng)流場(chǎng)走勢(shì)的差異，如圖4所示?？梢钥闯觯L(fēng)流經(jīng)過(guò)第一座煤堆后流勢(shì)大致分為3部分：一部分在第一座煤堆背風(fēng)面形成渦流；另一部分從煤堆上部掠過(guò)，還有一小部分從第一座煤堆內(nèi)部穿過(guò)與背風(fēng)面渦流匯合，隨著渦流的強(qiáng)度越來(lái)越大，空氣開(kāi)始進(jìn)入第二座煤堆。圖4(a)顯示先低后高排列時(shí)第一座煤堆背風(fēng)面渦流強(qiáng)度很高，使得這部分風(fēng)流極易進(jìn)入第二座煤堆，除此之外，還有相當(dāng)部分風(fēng)流掠過(guò)第一座煤堆后直接進(jìn)入第二座煤堆，第二座煤堆內(nèi)部漏風(fēng)強(qiáng)度較大(與圖3結(jié)果吻合)，這為煤堆自燃提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。而由圖4(b)可以看出，先高后低排列時(shí)，第一座煤堆背風(fēng)處渦流風(fēng)速較低，使得空氣不易進(jìn)入第二座煤堆，而掠過(guò)第一座煤堆的大部空氣直接飛離煤堆，或在煤堆上方形成第二渦流，最終進(jìn)入第二座煤堆的空氣大幅減少，煤堆高度越高，起到的“截流”效果越好。

(a)先低后高排列

(b)先高后低排列圖4 兩煤堆之間風(fēng)流走勢(shì)對(duì)比圖

2.3 煤堆群間CO分布趨勢(shì)模擬

煤堆群間的CO分布情況如圖5所示。

(a)先低后高排列

(b)等高排列

(c)先高后低排列圖5 堆放18 d時(shí)3種排列方式2 m間距煤堆群間CO分布

根據(jù)圖5，橫向分析，無(wú)論何種排列方式，CO最易積聚的地點(diǎn)在兩座煤堆之間區(qū)域。這是由于風(fēng)流掠過(guò)煤堆后會(huì)在后方形成渦流，風(fēng)速顯著降低，且出現(xiàn)循環(huán)往復(fù)所致，如圖6所示。

(a)先低后高排列

(b)等高排列

(c)先高后低排列圖6 3種排列方式煤堆群間風(fēng)速矢量分布

大量CO經(jīng)漏風(fēng)攜帶從煤堆流出后與渦流混合，致使CO長(zhǎng)期滯留在煤堆之間，形成CO積聚。結(jié)合圖5和圖6，縱向看，由于渦流分布不同，先低后高排列煤堆群在第二、第三座煤堆之間形成大面積低速渦流，此處易發(fā)生CO積聚，先高后低排列的煤堆群更易在第一、第二座煤堆之間形成大面積低速渦流，造成CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，而等高煤堆群并未明顯出現(xiàn)CO富集區(qū)。

從防止CO在煤堆間積聚的角度分析，煤堆的高低不等易造成流場(chǎng)分布不均，形成大面積低速循環(huán)渦流，積存CO，危及作業(yè)人員安全。以本文提供的算例，結(jié)合圖2和圖5分析，煤堆群等高排列時(shí)，升溫速度略快于先高后低排列時(shí)，但顯著慢于先低后高排列時(shí)，同時(shí)CO并未出現(xiàn)明顯積聚，應(yīng)優(yōu)先采取。

進(jìn)一步在等高排列方式的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加煤堆間距繼續(xù)模擬CO分布的變化情況，如圖7所示。

(a)5 m間距

(b)8 m間距圖7 2種煤堆間距下煤堆群間CO分布情況

由圖7可見(jiàn)，將煤堆間距從2 m增加到5 m后，對(duì)比圖5可知，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體顯著降低，間距增加不利于煤堆間渦流的形成，更有利于CO隨風(fēng)排放；繼續(xù)將煤堆間距增加到8 m，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步降低，煤堆間小部分區(qū)域CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)甚至趨于0。分別在兩座煤堆之間設(shè)置兩組監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和B，整理模擬數(shù)據(jù)可得監(jiān)測(cè)點(diǎn)上CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)同自燃時(shí)間的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 2種煤堆間距下監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)與時(shí)間的關(guān)系

由圖8可知，2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律相似，初期12 d內(nèi)，CO非常穩(wěn)定，此時(shí)煤堆釋放CO與CO隨風(fēng)流排放量大致保持平衡；12 d后隨著煤自燃進(jìn)程加快，CO釋放量增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)上CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速增高，隨后達(dá)到頂點(diǎn)。此時(shí)煤堆溫度較高，熱風(fēng)壓作用開(kāi)始彰顯，使流場(chǎng)發(fā)生改變，導(dǎo)致CO隨漏風(fēng)從煤堆頂部進(jìn)入大氣，因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)上CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)自16 d后開(kāi)始下降。與5 m間距時(shí)相比，無(wú)論在何時(shí)間點(diǎn)上，8 m間距煤堆測(cè)點(diǎn)的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)均相對(duì)較低，說(shuō)明煤堆間距越大，CO越不易積聚，但增大煤堆間距會(huì)增加煤場(chǎng)占地成本，而且必定降低首座煤堆對(duì)后方煤堆的“漏風(fēng)遮掩保護(hù)”效果，不利于防止煤堆自燃。因此，煤堆間距需結(jié)合企業(yè)經(jīng)濟(jì)成本和煤自燃情況合理確定。

3 結(jié)論

1)煤場(chǎng)整體流場(chǎng)分布比較復(fù)雜，煤堆群中每座煤堆體現(xiàn)出不同的自燃趨勢(shì)，日常安全管理應(yīng)考慮煤場(chǎng)中每座煤堆自燃特性，合理制訂防火措施。

2)自迎風(fēng)向首座煤堆的形狀規(guī)模和自身的滲透率會(huì)顯著影響進(jìn)入后方煤堆的漏風(fēng)強(qiáng)度，在本文算例中，先高后低排列的煤堆群后方高溫區(qū)面積較先低后高排列時(shí)縮小50%以上，首座煤堆可選為惰性煤煤堆，適當(dāng)將首座煤堆加高，定期對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)，并篩選粒徑合理堆放，以取得最佳效果。

3)CO易在兩座煤堆之間產(chǎn)生積聚，煤堆高低不均會(huì)在煤堆之間形成大范圍低速渦流，風(fēng)流循環(huán)往復(fù)，增加CO積聚程度，等高排列煤堆群流場(chǎng)有利于加快CO隨風(fēng)擴(kuò)散。通過(guò)比較2、5、8 m煤堆間距CO分布云圖發(fā)現(xiàn)，8 m間距煤堆間CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，但加大間距會(huì)增加煤場(chǎng)占地成本，并降低首座煤堆的“遮擋效果”，煤堆間距需綜合考慮經(jīng)濟(jì)和安全技術(shù)因素合理確定。

4)首座煤堆高度與煤堆間距共同決定了煤堆群自燃活躍性和煤堆間CO分布情況，自燃活躍性和CO分布情況均與安全管理措施制訂息息相關(guān)，其中組合量化機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。