基于熱管群的自燃煤矸石山降溫試驗(yàn)研究

高 彤，張永波，李 榮，張偉輝，蘇繼光

（1.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000；3.山西陽(yáng)煤九洲節(jié)能環(huán)保科技有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 040500）

自然堆積的煤矸石山常出現(xiàn)自然發(fā)火現(xiàn)象[1]，并釋放出CO、SO2、H2S 和氮氧化物等有害氣體[2]。大量的煤矸石山不僅侵占土地資源，還造成地下水與土壤污染等[3-4]。自燃的煤矸石山內(nèi)部由于結(jié)構(gòu)變化，在強(qiáng)降雨影響下，容易導(dǎo)致矸石山發(fā)生滑坡、爆炸等嚴(yán)重災(zāi)害，影響人類生命安全[5]。陽(yáng)煤集團(tuán)每年新增煤矸石900 萬(wàn)t 左右，累積堆放煤矸石約2.8 億t，堆積量超過(guò)千萬(wàn)噸的大型矸石山共有5 座[6]。

眾所周知，當(dāng)矸石山滿足含有可燃物、氧氣含量充足、蓄熱環(huán)境良好3 個(gè)條件時(shí)，即可發(fā)生自燃。目前已有的治理方法主要包括有黃土覆蓋法、深部注漿法、阻化劑抑制法等[7-9]，這些方法在成功治理中存在成本高、易復(fù)燃等局限性。

熱管是一種基于相變傳熱原理進(jìn)行高效換熱的傳熱元件，具有無(wú)能耗、高效傳熱、散熱等特點(diǎn)[10]，在凍土路基保護(hù)、機(jī)械冷卻和溫差發(fā)電等多種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[11-13]。在煤和煤矸石自燃領(lǐng)域研究中，黨逸峰等[14]、張亞平等[15]在熱管煤自燃降溫研究中得出，熱管布置間距、深度、角度等對(duì)熱管降溫效果影響顯著，熱管降溫效果隨間距減小而增大；王力偉[16]研究了熱管充液率對(duì)降溫效率的影響，結(jié)果表明，當(dāng)熱管充液率為40%時(shí)降溫效果最好；吳鵬[17]在環(huán)境風(fēng)速對(duì)煤堆移熱的研究中指出，熱管與風(fēng)流夾角為60°時(shí)移熱效率最高；鄧軍等[18]、LI bei 等[19]在室內(nèi)展開熱棒對(duì)煤堆自燃降溫的試驗(yàn)研究，得出降溫效果隨距離增加而減小，距離熱管20 cm 處降溫效果最佳，且單根熱管降溫半徑隨時(shí)間推移而擴(kuò)大。在不同類型熱管降溫效果研究中；馮乾等[20]、王建國(guó)等[21]研究了管型、翅片類型對(duì)移熱效率的影響。

現(xiàn)有研究對(duì)單管降溫范圍、降溫性能等研究較多，群管布置方式、布置間距對(duì)降溫效果影響研究較少，未開展煤矸石山現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。為此，以陽(yáng)煤集團(tuán)三礦大垴梁煤矸石山作為試驗(yàn)基地開展現(xiàn)場(chǎng)群管試驗(yàn)，探求群管布置間距對(duì)矸石山內(nèi)部溫度影響，為煤矸石山自燃防治提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 群管降溫工作原理

熱管是通過(guò)相變進(jìn)行高效傳熱的裝置，其組成包括有蒸發(fā)段、冷凝段、絕熱段和內(nèi)部工作介質(zhì)（工質(zhì)）等。蒸發(fā)段采用耐高溫、導(dǎo)熱性好的材料制成，通過(guò)吸收矸石山內(nèi)部熱量使工質(zhì)蒸發(fā)，熱量隨工質(zhì)氣體轉(zhuǎn)移至冷凝段；冷凝段由外露光管和螺旋翅片組成，通過(guò)與空氣接觸進(jìn)行換熱，使內(nèi)部工質(zhì)氣體冷卻回流。內(nèi)部工質(zhì)作為傳輸熱量的介質(zhì)，通過(guò)相變轉(zhuǎn)移熱量[22]。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用群管能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)矸石山內(nèi)部溫度的全面控制。群管降溫原理如圖1。水平方向上群管會(huì)相互影響，降溫能力隨熱管數(shù)量增加而增大；垂直方向上，群管有利于提取矸石山內(nèi)部熱量，增大淺層與深層間溫度梯度，加快深層高溫向淺層低溫傳熱，提升降溫效果，最終達(dá)到破壞蓄熱條件、抑制升溫發(fā)火阻止煤矸石山發(fā)生自燃的目的。

圖1 群管降溫原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat pipe group cooling

2 試驗(yàn)地點(diǎn)與方案

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以陽(yáng)煤集團(tuán)三礦大垴梁煤矸石山作為試驗(yàn)基地。經(jīng)打孔勘測(cè)得矸石山內(nèi)部溫度在20～750 ℃范圍內(nèi)，根據(jù)煤矸石自燃機(jī)理和發(fā)展特征，將煤矸石山劃分為低溫氧化區(qū)（低溫區(qū)）、中溫氧化區(qū)（中溫區(qū)）、高溫燃燒區(qū)（高溫區(qū)）[23-24]。根據(jù)劃分好的區(qū)域進(jìn)行不同布置方案試驗(yàn)，分別在矸石山高、中、低溫區(qū)布置間距為4、5、6 m 的群管試驗(yàn)，自2020年11 月21 日開始至2021 年2 月28 日結(jié)束，歷時(shí)100 d。

試驗(yàn)使用的熱管均為帶翅片熱管，根據(jù)熱管尺寸、安裝方式劃分共有7 種熱管，熱管尺寸和安裝方式見表1。熱管及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2。

圖2 熱管及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of heat pipes and monitoring points

表1 熱管尺寸與安裝方式表Table 1 Heat pipe size and installation method table

試驗(yàn)所用測(cè)溫設(shè)備為鎧裝高溫?zé)犭娕?，測(cè)溫范圍-270～1 170 ℃。

群管布置一般采用梅花形布置方法，高溫區(qū)群管試驗(yàn)以4 m 為間距進(jìn)行布置；中溫區(qū)群管試驗(yàn)以5 m 為間距布置，布置方式與高溫區(qū)一致；低溫區(qū)群管試驗(yàn)以6 m 為間距布置，熱管編號(hào)為H7。

由圖2（a）可以看出：高溫區(qū)測(cè)點(diǎn)Th1～Th4 分別位于群管不同管型組合的中心位置處，Th1 位于熱管組合1 中心位置處，由2 根H1 型熱管和H2、H3型短管組成；Th2 位于H1 型雙管中間位置，測(cè)點(diǎn)距離熱管2 m；Th3 位于熱管組合2 中心位置處，由2根H1 型熱管和1 根H2 型熱管組成；Th4 位于熱管組合3 中心位置處，由2 根H2 型熱管和1 根H1 型熱管組成。中溫區(qū)測(cè)點(diǎn)布置如圖2（b），各測(cè)點(diǎn)位于不同群管中心位置，Tm1、Tm3、Tm4 分別位于群管組合4～組合6 中心位置處，Tm2 位于5 m 雙管中心位置。低溫區(qū)測(cè)點(diǎn)布置如圖2（c），測(cè)點(diǎn)分別位于群管中心位置與雙管中間位置處。

為監(jiān)測(cè)群管試驗(yàn)降溫效果和不同熱管組合降溫效率，在各溫度區(qū)布設(shè)不同深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。高溫區(qū)與中溫區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在不同熱管組合中心位置處；低溫區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量少，位于群管中心位置和雙管中心位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)及布設(shè)深度見表2。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)表Table 2 Monitoring points numbering table

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 高溫區(qū)群管試驗(yàn)降溫效果

高溫區(qū)群管監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化如圖3。安裝熱管后，各測(cè)點(diǎn)溫度值隨時(shí)間穩(wěn)定下降，對(duì)比Th1～Th4溫度變化得出，熱管組合對(duì)降溫效率有明顯影響。

圖3 高溫區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化Fig.3 Temperature changes of monitoring point in high temperature zone

通過(guò)對(duì)Th1～Th4 測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)一步說(shuō)明群管組合對(duì)降溫效率的影響，高溫區(qū)測(cè)點(diǎn)溫度變化表見表3。

表3 高溫區(qū)測(cè)點(diǎn)溫度變化表Table 3 Temperature change table of measuring points in high temperature zone

1）根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)降溫值可以得出Th2 測(cè)點(diǎn)降溫效果最好，由單管試驗(yàn)得到單管降溫范圍在3 m 以內(nèi)[25]，最佳冷卻半徑為2 m。Th2 位于4 m 雙管中間位置，在最佳冷卻半徑范圍內(nèi)，熱管能夠發(fā)揮出色的冷卻降溫性能，使溫度持續(xù)降低。

2）對(duì)比組合1 與組合2 測(cè)點(diǎn)溫度變化可以得出，Th1 測(cè)溫點(diǎn)溫度降幅均大于Th3，在長(zhǎng)管中間增加H3 型短管可以強(qiáng)化淺層降溫，淺層降溫效率提升有助于矸石山深層熱源溫度的提取，隨著淺層溫度降低，深層與淺層間溫度梯度增加，能夠促進(jìn)熱量向淺層傳遞，加快矸石山深部熱量的移出。

3）圖3 溫度變化顯示：100 d 后，測(cè)點(diǎn)Th3 溫度降幅值分別為11、35 ℃；測(cè)點(diǎn)Th4 淺層溫度持續(xù)降低，降低速度在70 d 后逐漸下降，100 d 降幅值為19 ℃；深層溫度先降低后升高，70 d 后溫度隨時(shí)間上升，100 d 降幅值為17 ℃。由熱管組合2、組合3測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)與降幅值得出，熱管組合2 深層降溫效率優(yōu)于組合3，組合3 淺層降溫效率優(yōu)于組合2；證明了熱管蒸發(fā)段為降溫效果最優(yōu)段，長(zhǎng)管對(duì)深層移熱效果好。

因此，在應(yīng)用熱管在煤矸石山自燃高溫區(qū)移熱降溫中，熱管布置間距為4 m 較為合適，且熱管控制深度范圍為熱管蒸發(fā)段所在深度，采用長(zhǎng)短管交替布置更有利于對(duì)矸石山高溫區(qū)域的全面控制，達(dá)到對(duì)自燃高溫區(qū)的滅火治理。

3.2 中溫區(qū)群管試驗(yàn)降溫效果

中溫區(qū)群管監(jiān)測(cè)點(diǎn)Tm1～Tm4 溫度變化如圖4。除Tm4-6 測(cè)點(diǎn)由于長(zhǎng)管數(shù)量少溫度升高以外，其余測(cè)點(diǎn)溫度均有不同程度降低。與高溫區(qū)溫度變化一致，不同群管組合降溫效率不同。中溫區(qū)測(cè)點(diǎn)Tm1～Tm4 溫度變化見表4。

圖4 中溫區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化Fig.4 Temperature changes of monitoring points in high temperature zone

表4 中溫區(qū)測(cè)點(diǎn)溫度變化表Table 4 Temperature change table of measuring points in middle temperature zone

1）根據(jù)降幅值可得Tm1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)降溫值最大，在群管高效移熱降溫下，測(cè)點(diǎn)溫度降至90 ℃以下，矸石山氧化被抑制，升溫速率降低，自燃風(fēng)險(xiǎn)降低。對(duì)比群管組合4 測(cè)點(diǎn)Tm1 與群管組合5 測(cè)點(diǎn)Tm3 溫度變化可得：增加H6 型短管對(duì)群管在矸石山內(nèi)部降溫效果有明顯加強(qiáng)；一方面，短管蒸發(fā)段位置為主要降溫深度；另一方面，增加短管會(huì)加快淺層降溫，進(jìn)而加大深層與淺層的溫度梯度，提高移熱效率。

2）Tm2 測(cè)點(diǎn)降溫效果明顯，測(cè)點(diǎn)Tm2 位于雙管冷卻范圍內(nèi)，根據(jù)單管試驗(yàn)得出，當(dāng)與熱管距離超過(guò)2 m 后，降溫效果明顯下降。因此，中溫區(qū)最大降幅值出現(xiàn)在Tm1 測(cè)點(diǎn)位置處，雙管布置間距對(duì)冷卻效率影響顯著。

3）Tm3 測(cè)點(diǎn)降溫值較小，并且降溫速率緩慢，隨著與熱管的距離增加，測(cè)點(diǎn)位置在水平方向上受熱管影響強(qiáng)度弱，移熱效率低。Tm4 測(cè)點(diǎn)深層溫度不降反升，一方面，是由于群管組合6 為2 根短管與1 根長(zhǎng)管組成，群管在深層僅有長(zhǎng)管能影響到該位置；另一方面，該測(cè)點(diǎn)位置深層溫度較高，氧化發(fā)熱和熱量補(bǔ)給充足。組合5 長(zhǎng)管多，在深層降溫效率較高，組合6 短管多，淺層降溫更優(yōu)。

群管在中溫區(qū)應(yīng)用中，需根據(jù)矸石山內(nèi)部溫度進(jìn)行間距的調(diào)整，熱管布置間距應(yīng)在5 m 內(nèi)，在溫度較高區(qū)域群管布置間距為4 m 降溫效果更好。短管與長(zhǎng)管交替使用有利于對(duì)矸石山各層進(jìn)行控制。

3.3 低溫區(qū)群管試驗(yàn)降溫效果

低溫區(qū)群管監(jiān)測(cè)點(diǎn)TL1-TL2 溫度變化如圖5。低溫區(qū)各測(cè)點(diǎn)降溫值分別為TL1-2、9 ℃、TL2-11、4 ℃。低溫區(qū)溫度在熱管影響下能保持在較低水平，有效抑制氧化速度，破壞蓄熱環(huán)境。低溫區(qū)內(nèi)部初始溫度較低，熱管主要作用為預(yù)防高、中溫區(qū)蔓延至低溫區(qū)，防止氧化速率加快造成溫度升高。因此，低溫區(qū)6 m 群管間距有利于對(duì)低溫區(qū)的防控。

圖5 低溫區(qū)溫度變化Fig.5 Temperature changes of monitoring points in low temperature zone

4 結(jié) 語(yǔ)

1）群管在自燃矸石山降溫效果顯著，有利于矸石山深處的降溫。100 d 內(nèi)，高溫區(qū)降溫最大值為91 ℃，平均降溫0.91 ℃/d，群管能夠高效提取熱量，持續(xù)降溫；中溫區(qū)降溫最大值為48 ℃，平均降溫0.48 ℃/d，熱管能夠降溫抑制氧化速率，防止自燃；低溫區(qū)熱源溫度低，熱管能夠破壞蓄熱環(huán)境，防止氧化升溫。2）高溫區(qū)采用4 m 布置間距能夠持續(xù)穩(wěn)定降溫，實(shí)現(xiàn)降溫滅火的目的；中溫區(qū)采用5 m 布置間距降溫效果明顯，對(duì)于部分溫度較高區(qū)域還需要適當(dāng)減小熱管布置間距；低溫區(qū)采用6 m 布置間距能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)矸石山預(yù)防的作用。3）熱管管型和布置方式對(duì)降溫效率影響顯著，熱管長(zhǎng)度主要影響垂直方向上的降溫效果，蒸發(fā)段所在位置為熱管降溫效果最佳深度。降溫應(yīng)用中，采用長(zhǎng)、短管交替布置，有利于對(duì)矸石山的全面控制。

4）群管試驗(yàn)取得良好的降溫效果，在自燃矸石山高、中、低溫區(qū)均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)矸石山熱量的提取釋放，抑制氧化和升溫。但此次試驗(yàn)時(shí)間較短，外界環(huán)境對(duì)熱管移熱效率影響較大，還需長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)進(jìn)行年度溫度變化分析。熱管型號(hào)對(duì)降溫范圍的影響與群管布置密度、布置方式還需在未來(lái)進(jìn)一步研究，以形成更高效的應(yīng)用布置方案。