兩種不同形狀煤堆自燃升溫特征的數(shù)值模擬

劉星魁

(河南工程學院 資源與安全工程學院，河南 鄭州 451191)

煤炭自燃時常威脅煤礦正常生產(chǎn)。事故監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，煤炭自燃是煤礦井下重大安全事故的重要誘因之一[1]。近五年，伴隨各類宏觀調(diào)控政策的出臺[2]，以及市場需求量的降低，煤炭銷量時常波動，導致煤場會長期儲存大量周轉(zhuǎn)煤。出于成本限制，儲煤場地多為簡易半封閉式，甚至完全露天，如港口碼頭、郊外空地等[3]。然而，作為一種典型的多孔吸氧物質(zhì)，煤在露天堆放時極易氧化，引發(fā)自燃，威脅現(xiàn)場作業(yè)人員的安全，造成經(jīng)濟損失，且燃燒時會持續(xù)釋放各類碳化物造成空氣污染[4]。因此，煤炭自燃預(yù)防、預(yù)警工作的重點不僅包括井下煤巷、煤柱、采空區(qū)等易自燃區(qū)域，也包括地面煤堆。

針對煤堆自燃問題，文獻[5]提出的技術(shù)手段除現(xiàn)場即時溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測外，還包括數(shù)值計算平臺，通過計算機完成模型的構(gòu)建、求解、分析，并結(jié)合實驗對模擬結(jié)果進行驗證。文獻[6]指出了煤堆溫度動態(tài)分布特征及其影響因素。文獻[7]與文獻[8]對煤堆內(nèi)部漏風分布進行了分析，并模擬了多物理場耦合下煤堆的自燃過程及火點位置。文獻[9]利用有限差分法對二維煤堆自燃模型進行了數(shù)值求解，分析了不同堆放方式對煤堆傳熱與燃燒的影響。在大量相關(guān)數(shù)值模擬應(yīng)用研究中，在二維平面上，煤堆形狀通常被近似為梯形或三角形[10-11]，然后分析區(qū)域內(nèi)流場及溫度分布信息，進而得出結(jié)論，但少有文獻對比這兩類形狀煤堆自燃特征的不同之處。本研究通過數(shù)值模擬結(jié)合實驗分析了梯形煤堆和三角形煤堆(簡稱三角煤堆，下同)的升溫特性，對比結(jié)果不但能夠指導防火工程實踐，還可對數(shù)值模型進行反饋以提高模擬方法的準確性。

1 基本假設(shè)及數(shù)學模型

基本假設(shè)如下：(1)煤堆內(nèi)部風壓與速度的耦合符合Darcy定律；(2)將煤堆簡化為二維模型，僅對某一斷面內(nèi)物理場分布進行分析；(3)空氣中只包括氧氣和氮氣，暫不考慮碳化物對流場的影響；(4)煤堆內(nèi)流體與固體之間可以達到熱平衡；(5)煤堆結(jié)構(gòu)與孔隙度保持穩(wěn)定。經(jīng)過上述假設(shè)，煤堆自燃可以等效為一個二維平面上具有熱源的層流多孔區(qū)非穩(wěn)態(tài)傳熱問題。

基于上述5點假設(shè)，以Darcy定律為基礎(chǔ)，考慮空氣密度隨溫度的變化，煤堆內(nèi)部的滲流模型可以表示為

(1)

(2)

式中：ε為孔隙率；d為煤體顆粒粒徑。參考大部分煤堆的典型特征，這里ε和d分別取0.3 mm和10 mm。

煤堆內(nèi)部的氣體擴散模型和升溫模型為

(3)

(4)

式中：D為多孔介質(zhì)內(nèi)氧氣擴散系數(shù)，m2/s；t為煤堆氧化時間，s；w為氧氣質(zhì)量分數(shù)；ρwhole為煤堆密度，kg/m3；r為煤堆消耗氧氣能力，kg/(m3·s)，q為放熱強度，W/m3，r和q是煤自身的物質(zhì)參數(shù)[12]，必須根據(jù)實驗確定；cair和ccoal分別對應(yīng)空氣與煤堆的熱容，J/(kg·K)；λair和λcoal分別為空氣與煤顆粒的導熱系數(shù)，W/(m·K)；cwhole和λwhole分別為煤堆的熱容與導熱系數(shù)：

cwhole=εcair+(1-ε)ccoal，

(5a)

λwhole=ελair+(1-ε)λcoal。

(5b)

2 物理模型及計算結(jié)果

2.1 物理模型概括

煤場中小型煤堆占地面積通常在10 m2左右，高度為2～5 m。為了便于比較，本研究將兩種形狀煤堆的寬度都取8 m，高度都取3 m，左側(cè)為迎風面，右側(cè)為背風面，如圖1所示。這里認為煤堆模型下邊界為地面，煤堆與地面的導熱條件為

圖1 兩類煤堆的物理模型概括圖Fig.1 Sketch maps of two kinds of coal pile physics models

λcoalΔT=qcon，

(6)

式中：qcon為煤堆向大地傳遞的熱通量，W/m2。煤堆上邊界與大氣接觸，此處煤堆與大氣存在對流和導熱，換熱關(guān)系為

λcoalΔT+ρCairVT=h(T-T邊界空氣)，

(7)

式中：T邊界空氣為煤堆邊界附近空氣溫度，K。整個環(huán)境的初始溫度為300 K，風流從左至右掠過煤堆，風速恒定為3 m/s，空氣緩慢滲入煤堆后會與煤逐漸發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放熱量，引起煤堆升溫。式(1)至式(7)形成封閉的數(shù)值模型，利用流體力學計算軟件Fluent求解該煤堆模型內(nèi)各類“場”信息，對比兩種形狀煤堆升溫過程中的特征和區(qū)別。

2.2 模擬結(jié)果及討論

取第20 d為觀察時間節(jié)點，圖2為第20 d兩類煤堆的漏風趨勢分布。從圖2得出：三角煤堆漏風主要集中在迎風角附近，然后向煤堆深部發(fā)展，逐漸減弱，另有少量漏風迂回后從迎風面返回，形成回流；梯形煤堆漏風較均勻，風流更均勻地從迎風面滲入后分為兩股，下半部滲入的漏風向背風面發(fā)展，上半部滲入的漏風向上從頂部流出。兩類煤堆的區(qū)別在于：(1)三角煤堆漏風在迎風角處更加集中；(2)梯形煤堆漏風在中部和背風面附近有明顯的上浮趨勢。漏風趨勢的不同會使自燃升溫呈現(xiàn)不同走勢。

圖2 第20 d兩類煤堆內(nèi)漏風趨勢分布Fig.2 Air leak distribution of two kinds of coal pile in 20 d

對比第20 d兩類煤堆內(nèi)的氧氣分布情況，如圖3所示。由于梯形煤堆較三角煤堆的漏風趨勢更加活躍，漏風會向縱深和上部發(fā)展，所以氧氣分布更加廣泛，煤堆5 m處依然存在質(zhì)量分數(shù)為8%的氧氣，而三角煤堆氧氣主要存在于迎風角2 m處，分布范圍小于梯形煤堆。氧氣是煤堆自燃的物質(zhì)基礎(chǔ)，可以預(yù)見梯形煤堆氧氣環(huán)境更有利于自燃，升溫速率和高溫面積均大于三角煤堆。

圖3 第20 d兩類煤堆內(nèi)氧氣質(zhì)量分數(shù)分布Fig.3 Oxygen distribution of two kinds of coal pile in 20 d

為了驗證以上推論，利用非穩(wěn)態(tài)模擬計算兩類煤堆的升溫過程，其中第20 d的溫度模擬結(jié)果如圖4所示。梯形煤堆第20 d的最高溫度達到341 K，而且325 K以上的高溫面積幾乎占煤堆面積的一半，而三角煤堆最高溫度僅為332 K，且325 K以上的面積只集中在迎風角附近的較小區(qū)域。兩類煤堆溫度分布的相同之處在于高溫區(qū)的分布，迎風面附近散熱速度快，溫度較低，背風面附近氧氣質(zhì)量分數(shù)低，無法支持自燃，深入迎風面2 m左右的中部，散熱減弱，氧氣質(zhì)量分數(shù)高，在自燃初期會形成高溫區(qū)；不同之處在于梯形煤堆升溫速度快于三角煤堆，高溫范圍更大。

圖4 第20 d兩類煤堆內(nèi)溫度分布Fig.4 Temperature distribution of two kinds of coal pile in 20 d

進一步將兩類煤堆的升溫過程進行對比，如圖5所示。兩類煤堆的最高溫度在初期非常接近，但大約6 d后開始出現(xiàn)明顯差距。隨著升溫速度的加快，這種差距逐漸加大，20 d內(nèi)梯形煤堆升溫幅度比三角煤堆高10 K。造成這種差距的原因首先在于兩類煤堆漏風趨勢不同，梯形煤堆漏風活躍，漏風范圍廣泛；其次相同尺寸下三角煤堆蓄煤量更小，單位時間內(nèi)氧化反應(yīng)釋放的總熱量低于梯形煤堆，對散熱要求更低。顯然，結(jié)合圖4和 圖5，相同尺寸下三角煤堆更有利于預(yù)防自燃，但三角煤堆占地成本更高，故管理人員需要根據(jù)安全和成本選擇堆放方式。提高三角煤堆高度可降低占地成本，但煤堆傾角增加、蓄煤量加大，不利于自燃的預(yù)防。如果將三角煤堆高度增至5 m(見圖6)，與圖4對比，相同時間內(nèi)最高溫度可達338 K，接近梯形煤堆。

圖5 兩類煤堆20 d內(nèi)升溫幅度比較 Fig.5 Heating up comparison of two kinds of coal pile in 20 d

圖6 5 m高三角煤堆第20 d的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of 5 m high triangle coal piles

2.3 實驗驗證

為了驗證上述結(jié)果，在露天空場堆放梯形和三角兩座煤堆，規(guī)模與上述計算模型類似。利用探桿深入煤堆迎風面2 m處，進行一個月的連續(xù)溫度追蹤實驗，對比結(jié)果見圖7。從圖7看出，兩類煤堆的初期溫度極為接近，但12 d后開始出現(xiàn)差距，梯形煤堆升溫幅度明顯高于三角煤堆。因此，利用數(shù)值模擬或?qū)嶒烌炞C煤堆自燃現(xiàn)象時，應(yīng)慎重考慮煤堆形狀。

圖7 兩類煤堆溫度實驗結(jié)果對比Fig.7 Heating up comparison of two kinds of coal pile in experiment

3 結(jié)論

(1)梯形煤堆漏風趨勢較三角煤堆更為活躍，漏風滲透范圍廣泛，易在煤堆內(nèi)部形成大面積氧氣富集區(qū)，加之蓄煤量大，使得梯形煤堆自燃升溫幅度高于三角煤堆。

(2)溫度模擬結(jié)果顯示，梯形煤堆高溫面積較大，而三角煤堆高溫面積僅集中在迎風角附近。較小的高溫面積意味著較低的自燃概率，有利于防火工作的開展。

(3)兩類煤堆占地成本和自燃風險存在差異，管理人員應(yīng)在成本和安全兩方面進行平衡。無論是數(shù)值模擬還是實驗驗證均顯示兩類煤堆升溫過程存在差異，針對煤堆自燃現(xiàn)象展開研究時應(yīng)慎重選擇煤堆模型。