基于煤矸石堆自燃熱棒移熱參數(shù)研究

＊韓玉婷 武奧環(huán) 余杰

（西安科技大學(xué) 陜西 710000）

引言

煤矸石堆自燃引發(fā)煤火災(zāi)害，其自燃產(chǎn)生CO、CO2、CH4和NO等有毒有害氣體。煤矸石火災(zāi)具有早期難發(fā)現(xiàn)、自燃區(qū)準(zhǔn)確定位難、漏風(fēng)供氧難以控制、易復(fù)燃難撲滅等特點(diǎn)[1]，其防治技術(shù)是當(dāng)前礦山安全技術(shù)領(lǐng)域的重要研究課題。熱棒是一種具有氣-液兩相對(duì)流循環(huán)高效傳熱元件，通過破壞煤矸石堆內(nèi)部蓄熱環(huán)境，移除煤矸石內(nèi)部環(huán)境熱量，使其難以到達(dá)自燃點(diǎn)，作為防治煤矸石山自燃災(zāi)害的新型環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效技術(shù)手段。

熱棒用于煤矸石堆防滅火的研究，最早于1991年徐禮華通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了重力熱棒對(duì)煤矸石堆降溫效果，測(cè)算出每平方米內(nèi)插入4-5根熱棒可將煤矸石堆溫度控制在60℃以下。屈銳、黨逸峰等通過設(shè)計(jì)熱棒換熱性能實(shí)驗(yàn)，研究了基于煤矸石自燃過程的熱棒綜合性能評(píng)價(jià)方法，并指出縮小布置間距、減少插入深度以及減小布置角度均可提高熱棒換熱效率。陳清華等指出受內(nèi)部重力和氣液剪切力影響，通過仿真模擬發(fā)現(xiàn)熱棒傾斜角為60°時(shí)降溫效果更顯著。

本文使用自行搭建的煤矸石堆-熱棒移熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，揭示了不同傾角下熱棒對(duì)煤矸石堆自燃溫度場(chǎng)影響，建立并分析熱棒移熱降溫性能指標(biāo)，確定熱棒在不同傾角下對(duì)于煤堆內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)熱量的移除效果，得出熱棒移熱效率最佳傾角，為煤矸山自燃火災(zāi)熱棒防滅火技術(shù)的推廣應(yīng)用及熱棒工程相關(guān)參數(shù)提供一定的技術(shù)支持與理論指導(dǎo)。

1.煤矸石堆自燃實(shí)驗(yàn)研究方法

(1)實(shí)驗(yàn)材料

選取安徽淮南礦區(qū)煤矸石作為實(shí)驗(yàn)煤樣，用破碎機(jī)進(jìn)行研磨粉碎，使其粒徑保持在140目，所取煤矸石樣用袋裝密封，防治其與空氣發(fā)生氧化影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(2)實(shí)驗(yàn)傾角設(shè)定

選定90°、60°、45°、30°等工程應(yīng)用常用傾角作為實(shí)驗(yàn)傾角，并將90°作為對(duì)照組，將其他實(shí)驗(yàn)組所得數(shù)據(jù)結(jié)果與對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比。

(3)煤矸石堆-熱棒移熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

煤矸山堆自燃防滅火熱棒移熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由裝煤箱、溫控系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)和熱棒四部分組成，如圖1（a）所示為熱棒移熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。裝煤箱體裝置內(nèi)部尺寸800mm×600mm×500mm，約裝煤矸石240kg。溫控系統(tǒng)采用平板加熱器，尺寸為600mm×500mm，厚度為3mm，可對(duì)裝煤箱中煤矸石堆樣本進(jìn)行加熱，模擬實(shí)驗(yàn)條件下煤矸石堆自燃蓄熱升溫過程。實(shí)驗(yàn)選用中溫類型碳鋼-水熱棒，內(nèi)部工質(zhì)為含15%緩蝕劑的蒸餾水，總長(zhǎng)為1.5m，其中冷凝段采用圓型翅片，長(zhǎng)度0.6m，間距10mm，熱效率傳導(dǎo)高達(dá)95%以上。溫度監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，包括熱敏電阻型溫度傳感器、溫度巡檢儀、溫差發(fā)電片、主機(jī)、溫度傳感器以及無(wú)線發(fā)射器，數(shù)據(jù)記錄儀以及在線溫度采集計(jì)算機(jī)，溫度檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部裝置如圖1（b）所示。溫度巡檢儀通過無(wú)線接、發(fā)射器與無(wú)線溫度檢測(cè)裝置之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接，溫度傳感器與主機(jī)電性連接。

圖1 煤矸石堆-熱棒移熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

(4)設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件

設(shè)置溫度巡檢儀每20秒實(shí)時(shí)采集一次，各組實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)均設(shè)定為24h。將平板加熱器設(shè)置為恒溫150℃，無(wú)熱棒作用條件下煤矸石堆溫度逐漸上升，直到溫度達(dá)到150℃，將其作為實(shí)驗(yàn)初始溫度，按實(shí)驗(yàn)傾角，插入熱棒。為保證單一變量，實(shí)驗(yàn)時(shí)，將熱棒插入比固定為L(zhǎng)e:Lc=2:3，即露出段：插入段為2:3，同時(shí)環(huán)境風(fēng)速及溫度盡量均保持一致。

(5)實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

如圖2所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)熱電偶布置。實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分為三層：下、中、上，共24個(gè)測(cè)點(diǎn)，且離熱棒最近測(cè)點(diǎn)距離H2=5cm，裝煤箱底部與下層熱電偶H3之間的距離為15cm，最上層電偶距離裝煤箱H5=15cm，每層熱電偶之間的距離為H7=10cm，相鄰的兩個(gè)熱電偶距離H4=5cm。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)熱電偶布置圖

(6)開展不同傾角實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)條件下，將熱棒按照實(shí)驗(yàn)傾角插入裝煤矸石箱體，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)溫度分析系統(tǒng)中各測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，對(duì)于24路測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用Origin等數(shù)據(jù)分析軟件，分析90°、60°、45°、30°傾角下熱棒與煤矸石堆內(nèi)部溫度場(chǎng)分布影響及各層測(cè)點(diǎn)溫度變化（最大溫差、最大降溫率、累計(jì)降溫、平均降溫速率）情況，對(duì)比不同傾角下熱棒對(duì)煤矸石堆內(nèi)部移熱降溫作用與效果。實(shí)驗(yàn)過程如圖3所示。

圖3 煤矸石-熱棒不同傾角移熱效果分析實(shí)驗(yàn)

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文在研究過垂直插入單根熱棒對(duì)于煤堆溫度影響的基礎(chǔ)上，開展了熱棒在不同傾角下對(duì)于煤堆各層溫度影響的相關(guān)研究，得出下列研究成果：

圖4 90°下三層煤矸石堆溫度場(chǎng)及各測(cè)點(diǎn)溫度變化分析

圖5 60°下三層煤矸石堆溫度場(chǎng)及各測(cè)點(diǎn)溫度變化分析

(1)夾角為90°時(shí)移熱效果分析

在熱棒與地面夾角為90°時(shí)，在實(shí)驗(yàn)24h內(nèi)，對(duì)于A1測(cè)點(diǎn)影響最大，可以使得A1測(cè)點(diǎn)最高降低24℃，同時(shí)，最高降溫率為60%，最高影響每層測(cè)點(diǎn)數(shù)為2個(gè)測(cè)點(diǎn)即只有2個(gè)測(cè)點(diǎn)有明顯的溫度下降趨勢(shì)，最佳降溫層為A層，B層降溫幅度最大，影響的測(cè)點(diǎn)數(shù)最多，降溫率也是最大，且三層測(cè)點(diǎn)累計(jì)降溫110.5℃，平均降溫速率4.61℃/h。

(2)夾角為60°時(shí)移熱效果分析

在熱棒與地面夾角為60°時(shí)，在實(shí)驗(yàn)24h內(nèi)，對(duì)于B1測(cè)點(diǎn)影響最大，可以使得B1測(cè)點(diǎn)最高降低53℃，同時(shí)，最高降溫率為44%，最高影響每層測(cè)點(diǎn)數(shù)為3個(gè)測(cè)點(diǎn)即只有三個(gè)測(cè)點(diǎn)有明顯的溫度下降趨勢(shì)，最佳降溫層為B層，B層降溫幅度最大，影響的測(cè)點(diǎn)數(shù)最多，降溫率也是最大，且三層測(cè)點(diǎn)累計(jì)降溫201℃，平均降溫速率8.375℃/h。

(3)夾角為45°時(shí)移熱效果分析

在熱棒與地面夾角為45°時(shí)，對(duì)于B1測(cè)點(diǎn)溫度的影響最大，可以使得B1測(cè)點(diǎn)最高降低40℃，最高降溫率為37%，最高影響每層測(cè)點(diǎn)數(shù)為4個(gè)測(cè)點(diǎn)，最佳降溫層是B層，三層測(cè)點(diǎn)累計(jì)降溫272℃，均降溫速率11.33℃/h。

圖6 45°下三層煤矸石堆溫度場(chǎng)及各測(cè)點(diǎn)溫度變化分析

(4)夾角為30°時(shí)移熱效果分析

圖7 30°下三層煤矸石堆溫度場(chǎng)及各測(cè)點(diǎn)溫度變化分析

在熱棒與地面夾角為30°時(shí)，對(duì)于B1層測(cè)點(diǎn)溫度影響最大，可以使得B1測(cè)點(diǎn)溫度最高降低45℃，最高降溫率為44%，最高影響每層測(cè)點(diǎn)數(shù)為4個(gè)測(cè)點(diǎn)，最佳降溫層是B層，三層測(cè)點(diǎn)累計(jì)降溫226℃，平均降溫速率9.42℃/h。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表1 不同傾角下熱棒作用效果對(duì)比

圖8

4.結(jié)論

（1）在熱棒與地面夾角為90°時(shí)，對(duì)最下層A層降溫效果最好，A1測(cè)點(diǎn)最高降低24℃，最高降溫率為60%。最佳降溫層為A層，B層降溫幅度最大，影響的測(cè)點(diǎn)數(shù)最多。（2）在其它實(shí)驗(yàn)傾角中，熱棒均對(duì)中間層B層移熱效果最好，溫度場(chǎng)累積降溫影響最大，對(duì)于A、C兩層累計(jì)降溫有一定的影響。（3）熱棒對(duì)煤矸石內(nèi)部各層蓄熱有明顯破壞效果，且熱棒移熱降溫效果與測(cè)點(diǎn)距離成反比，同層測(cè)點(diǎn)離熱棒得越近降溫效果越好。（4）熱棒與地面夾角為45°時(shí)，熱棒的降溫效果最好，累計(jì)降溫可達(dá)272℃，最大溫差可達(dá)40℃，三層測(cè)點(diǎn)累計(jì)降溫272℃，平均降溫速率11.33℃/h；熱棒與地面夾角為60°時(shí)，熱棒對(duì)于單個(gè)測(cè)點(diǎn)作用的最大溫差最大，可達(dá)53℃。