论文

矸石山自燃的温度场模型

刘二永,汪云甲,顾 强,丁曙光,盛耀彬

3.中国矿业大学化工学院,江苏徐州221008)

1

2

2

3

2

(1.中国矿业大学理学院,江苏徐州221008;2.中国矿业大学环测学院,江苏徐州221008;

摘 要:尝试借鉴土壤的传热模型,建立煤矸石的温度场模型。该模型主要取决于煤矸石的温度变化,而温度的获得相对较容易。用温度场模型进行计算,可以得出结论:煤矸石最先发生自燃的点是在2m左右,并且能够大概预测出2m处升到临界温度的时间。得到的结论和实际的观测是吻合的,该法具有一定的指导意义。

关键词:煤矸石;自燃;数学模型;温度场;导温率

+

中图分类号:TD75.1 文献标识码:A 文章编号:1008-4495(2007)04-0009-04 在煤矿建设、煤炭开采及煤炭加工过程排放出的含炭量低、灰分高的煤矸石,是目前排放量最大的工业固体废弃物之一。煤矸石自燃普遍存在,对环境及人身安全危害极大。随着社会经济的发展和人们环保意识的增强,煤矸石自燃的治理迫在眉睫。为了更有效地治理煤矸石自燃,因此对其自燃和火区蔓延的机理分析,以及对自燃问题的定量预测至关重要。

子上添燃料,与一个没有着火的炉子要自己着起火来,对炉内燃料性质、隔热和通风环境等的要求都不同,自燃遵循的规律也不相同。

无论是煤矸石自燃还是自燃后的火区蔓延,都与空气流通有很大的关系。很多学者提出的烟囱效应是矸石山从自热发展到自燃,并维持自燃的重要机制。煤矸石山中空气流通现象非常复杂,无法用简单的模型加以描述。关于潜在自燃点是否有充足的氧气供应,以及造成这种充足氧气供应的机制是什么,一直是煤矸石山自燃机制研究的重点。烟囱效应是大多采用的煤矸石山内部自燃点获得充足氧气的机制,造成煤矸石山烟囱效应的因素有:煤矸石山内氧化放热反应造成的内部气体温度高于环境,和煤矸石堆放过程中发生的粒度偏析,见图1

。

1 矸石山自燃及火区蔓延机理分析

世界各国科学家对煤矸石自然发火机理进行了研究,提出了一系列的论点来解释煤矸石的自燃,其

[1]

中具有代表性的是黄铁矿氧化学说,它最早是由英国人Plott与Berzelius于17世纪提出并应用于煤自然发火机理的研究,随后广泛应用于对煤矸石山自然发火机理的研究。研究表明煤矸石中的黄铁矿FeS2具有较强的还原性,低温下在干燥、潮湿的环境中均易与空气中的氧气发生一系列的氧化还原反应,并释放出大量的热量。在散热环境不良的矸石山内部必然导致热量的不断积聚,使矸石山内部温度升高,在某一局部达到一定温度后,引起矸石中的煤和可燃物燃烧。

在以往研究中,煤矸石山发生自燃后的蔓延与维持条件的研究是和自燃发生条件研究合在一起进行的,而且对自燃区域维持和蔓延机理研究成果少。实际上,煤矸石山中自燃火区的蔓延和发生自燃的条件是不同的。煤矸石自燃蔓延相当于在着火的炉

收稿日期:2006-11-08;2007-06-26修回

基金项目:国家自然科学基金重点项目(50534050)作者简介:刘二永(1978 ),男,江苏邳州人,讲师,中国矿业大学环测学院博士,研究方向为地理信息系统、运筹与优化。E-mail:ley2000@http://。

图1 粒度偏析!导致的空气通道

论文

相关研究提出的其他供氧机制有:在风的诱导下出现在矸石山内部的负压现象;风吹向矸石山造成的阻滞点表面环境压力增加;自燃矸石山存在的裂隙造成的流动通道(实际上是局部烟囱效应);由于气温变化和气压变化引起 热呼吸!和 气象呼吸!等。一些学者的研究认为,自燃点位于矸石山内部2~3m处,引起自燃的矸石山深部供氧主导机制只能是烟囱效应。

实际上,研究矸石山内部自燃点的供氧机制应该包括两个方面:形成空气流动的动力因素(压力差形成原因)和渗流通道的水力学性质(流通阻力)。如果流通阻力很大,即使存在压力差,气流流动也很困难。在发热的初期阶段,内部温度和环境温度的差别是不大的,烟囱效应应该很微弱。如果渗流通道阻力很大,自燃是不可能发生的。因此,压实煤矸石堆能够避免自燃。

有关学者研究和测量认为,矸石山中存在一个压力最低点,综合考虑大气压、风压、火压,才能正确

[2]

描述矸石山中空气的流通情况。对于煤矸石山中的压力分布,前苏联科学院对此做了大量的研究,平面矸石山压力分布曲线见图2。锥形矸石山内部压力与煤矸石堆积量的计算公式为

p=6.82#9.80665V

式中:p为矸石山内部压力,Pa;V为煤矸石的堆积量,m。

3

另有一个被忽略的研究领域,即煤矸石山与环境的热交换机制及其主要影响因素。如果没有自燃火区上层的煤矸石保温作用,自燃矸石山很快会熄灭。但目前对煤矸石山内自热区和自燃区如何与环境(大气)交换热量,研究得非常少。这是发生自燃的一个重要环节。

2 温度场模型

2.1 模型建立

在煤矸石山中的任一深处z取一元量体积 v,于是有:

v= x y z

(1)

假定在单位时间内有热通量Qs由体积 v的上表面输入,然后通过小体积从底面穿出。热通量Qs在传递过程中因受煤矸石层散热作用而减弱,其减弱的大小可以计算,即从小体积上表面进入的热量Qs x y,而从底部出来的热量是: Qs

z x y于是,在元量体积中放出的热量应是:

Qs+Qs x y-Qs+

Qs Qs

x y=x y zz (2)

(3)

这就是元量体积煤矸石 v所放出的热量。另一方面,如果考虑煤矸石层中热量的水平衡和煤矸石

中水相变化,那么这部分热量将全部用来改变元量体积的热含量,在单位时间内元量体积的热含量变化将是:

T

(4)xyz

式中:Cm为容积热容量;T表示温度;t表示时间。

Cm=所以就有:

Cm= x y z=-x y z

Qs=又因为:Cm=C1 1+C2 2= 1(C1+C2W)即:Cm

(5)(6)(7)

图2 平面矸石山内部气体压力

从图2可以看出,平面矸石山内存在着一个气

体压力较低点。此点的位置与矸石的堆积高度有关,堆积越高,压力较低点就越向矸石山的深处移动。在这种情况下,空气渗入的深度就有可能增大,结果使燃烧的深度和燃烧的面积同样有可能随之而增大。

利用宏观的连续介质研究方法,应用多孔介质渗流理论建立的煤矸石山自然发火数学模型,用来描述矸石山内气体渗流状态,此方面的研究还处于初级阶段,离实际应用还有一定距离。式中:C1为煤矸石颗粒的比热容; 1为容重;C2为水的比热容; 2为单位体积煤矸石的含水量, 2= 1W(W为湿度)。

将式(7)代入式(6),并暂不考虑导温率和容积热容量随煤矸石深度的变化,即可得到煤矸石中热传导方程:

2

T =K z

式(8)即为建立的非稳态流方程。

(8)

式中:K=!Cm;!s s为导热率,表示当矸石山中垂直

论文

2007年8月

矿业安全与环保

于是得到:

(z3-z1)K=

第34卷第4期

温度梯度 T/ z=1时(即在1cm深度内的温度差为1 )每单位时间内通过单位横截面(cm)的热通量。

煤矸石导热率!s和容积热容量Cm是从各自物理特性来表征煤矸石的热力性质的。

表示煤矸石温度变化的特性量是K。K的物理意义为单位体积的煤矸石在单位时间内通过热传导从垂直方向获得(或放出)!s卡热量时所引起的温度变化量,单位是cm s或cm h。2.2 模型求解

模型的求解关键是需要计算出导温率K,然后利用差分的方法来求解热传导方程。2.2.1 求导温率K

对于求导温率K,在此采用的是前苏联生态物理学家拉依哈特曼建立的方法,此法不需要进行任何假设,是一种较严密的理论方法。

对热传导方程式(8)左右各乘以(z-z2)dzdt,并对时间(由t1到t2)及深度(由z1到z2)进行积分,即:

[3]

2

2

2

%

21

zz

(z-z2)[T(z,t2)-T(z,t1)]dz-(z2-z1)

(z3-z1)

%

21

t

[T(z1,t)-T(z2,t)]dt-(z2-z1)

%%

3121

zzt

(z-z3)[T(z,t2)-T(z,t1)]dz

[T(z1,t)-T(z3,t)]dt

(13)

这就是拉依哈曼在仅假设K不随深度变化的条件下,得到的计算任一时间间隔(t2-t1)内的平均导温公式。式中规定z1<z2<z3,由于各深度的温度接近于一阶谐波,所以使用时要使时间间隔小于2 ,否则因T(z,t2)-T(z,t1)接近于0就无法使用了。

尽管拉依哈曼方法在理论上比较严谨,但是计算要相对复杂一些,而且更主要的是由于式(13)的分子、分母都是2个大量的小差值之和,所以算出的差值往往会有很大的误差。采金对此进行了某些变换,并进行了简化,得到:

K=

%

21

zz

[T(z,t2)-T(z,t1)]u(z)dz

%

21

zz

(z-z2)dz

%

21

ttdt=

%%

21

tt

zz

dt

21

(z-(9)

%

21

tt

[T(z1,t)-T(z2,t)]dt+z3

%

21

tt

[T(z3,t)-T(z2,t)]

z3-z2

(14)dt

T

z2)K()dz

利用分部积分法可得到:

其中:

当z1&z&z2,则u(z)=z

当z2&z&z3,则u(z)=z2(z3-z)/(z3-z2)这样只要在煤矸石上层进行煤矸石温度的观测就可按式(14)计算出平均煤矸石的导温率K。2.2.2 温度变化的数值模拟

在此只讨论均匀的情况,即认为K=常数。热传导方程式(8)的差分格式可写成:

T

n+1

j

[4]

% T

z)K%21

zz

(z-z2)[T(z,t2)-T(z,t1)]dz=(z2-dt+K

1

tt

21

1

z=z

%[T(z,t)-T(z,t)]dz

21

tt

12

(10)

同样,若以(z-z3)dzdt乘以热传导方程,并由(z1-z3),(t1-t2)进行积分,则可得:

-TjTj+1-2Tj+Tj-1

=K(#z)

n+1j

nnnn

(15)

% T

z)K%31

zz

(z-z3)[T(z,t2)-T(z,t1)]dz=(z3-dt+K

1

所以 T=Tj+

n

K#tnnn

(Tj+1-2Tj+Tj-1)(16)(#z)

tt

21

1

z=z

%[T(z,t)-T(z,t)]dz

21

tt

式(16)称为Euler-Sch格式。

差分格式需要求出导温率K,对于上面的求导温率K的方法需要用到较多的现场温度资料,但是资料采集困难。因此,在式(16)中,如果令0.5为稳定性判据,则式(16)变为

i+1iiTj=0.5(Tj-1+Tj+1)

&(#z)

(17)

13

(11)

分别对式(9)、式(10)乘以(z3-z1)、(z2-z1),然后两式相减,可得:

(z3-z1)

zz

%(z-z)[T(z,t)-T(z,t)]dz-21

zz

221

%

K(z-z)%[T(z,t)-T(z,t)]dt-(z-z)%[T(z,t)-T(z,t)]dt

(z2-z1)

3

21

(z-z3)[T(z,t2)-T(z,t1)]dz=

tt

21

式(17)是一个简单的、稳定的计算格式,可用来估算非稳态热流下任一时间任一深度的温度。但是这样的解法需要给出初始时段的温度随深度变化的函数关系(即已知初始条件)及表面温度与时间的函数关系(即已知上边界条件)。

表1是矸石的各层随时间变化的温度现场资

1tt

12

21

21

13

(12)

论文

2007年8月

矿业安全与环保

第34卷第4期

料,表2是矸石山的初始(第2行数字)、上边界(左边第2列数字)和下边界(右边第1列数字)温度数据。时间间隔为3个月,空间间隔为50cm。中间部分数据是用以上模型计算所得。

表1 矸石的各层温度(现场资料)

时间 月03691215182124

0222618243225362815

50202520203026233320

深度 cm100252822222530323543

150232225283238485260

200202432405566758593

发生自燃的点是在2m左右,并且能够大致预测出2m处升到临界温度的时间。所得结论和实际的观测是吻合的。

3 结束语

采用的温度场模型是从土壤的传热模型借鉴而来的,因此算法的有些地方还值得商榷。建立的温

度场模型中热传导方程求解的关键是求煤矸石的导温率K。拉依哈特曼 采金方法,不需要事先进行任何假设,是一种比较严密的理论方法,但是它在进行计算的时候需要较多的测试资料,而数据资料的采集困难。如何准确求出导温率K,是今后进一步研究的方向。如何准确的取得现场的温度资料,也是温度场模型的关键。

在此研究了缓慢升温期的温度变化,对于激烈燃烧期的温度变化没有研究,但是研究的方法是类似的,只是周期有变化。这里仅讨论了均匀的情况,即认为导温率不变,而实际并不是均匀的,对此可以采用分层的方法继续研究。

表2 矸石的初始、上边界、下边界和各层温度

时间 月03691215182124

0222618243225362815

502023.523.7520.62523.6252826.33532

深度 cm1002521.523.2523.2524.12527.6253436.444.75

1502322.522.7527.62531.6254046.554.560

200202432405566758593

参考文献:

[1]顾强.平顶山煤矿煤矸石自燃机理分析[D].徐州:中国

矿业大学,2006.

[2]黄文章.煤矸石山自然发火机理及防治技术研究[D].重

庆:重庆大学,2004.

[3]刘树华,崔艳,刘和平.土壤导温率的确定及其应用[J].

应用气象学报,1991,2(4):337-345.

[4]刘树华.环境物理学[M].北京:化学工业出版社,2004.

由以上的计算结果可以得出结论:煤矸石最先

(责任编辑:卫 蓉)

(上接第8页)

果与已开采区域发生的煤与瓦斯突出现象对比,预测结果的总体趋势与现场有较好的一致性。拓宽了煤与瓦斯突出预测途径,提高了瓦斯灾害预测的准确性。

煤炭工业出版社,2000.

[2]安欧.构造应力场[M].北京:地震出版社,1992.[3]张宏伟,马翼飞,段克信.构造应力与矿区地震[J].辽宁

工程技术大学学报,1998(1):1-6.

[4]李四光.地质力学概论[M].北京:科学出版社,1973.[5]张宏伟.淮南矿区地质动力区划[M].北京:煤炭工业出

版社,2004.

[1]于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京:

参考文献:

(责任编辑:李 琴)

论文

EnglishAbstractsofThisIssue

MeasurementandVariationCharacteristicsofStrataStressinYong chuanCoalMine(1) TocounterthedeepminingconditionsandgeologicalstructureinYongchuanCoalMine,thispaperpointedoutthebasicrequirementsfortheselectionandarrangementofthemeasur ingpointsofstratastressatthesite;thedegreeanddirectionofthestratastressattwomeasuringpointsatSouthern-190mand-350mlevelinYongchuanMineweredeterminedwithhollowinclusionstratastressmeasuringtechnique.ThepaperalsoanalyzedthefeaturesofthestratastressinthedeeppartofYongchuanMine.Studyshowedthatthestratastressinthisregionwasbasicallyconstitutedbygravitystressandhorizontallystructuredstress,thegravitystressandstructuredstresswerebasicallyequalnear-190mlevelinthisregion,butnear-350mlevel,thestratastresswasmainlythegravitystress,ingeneral,thegravitystresswasabouttwotimesofthehorizontallystructuredstress.Themaximummainstress 1inthisregionwasabout15Mpa,ithasastabledirectionandbelongaregionwithmediumandlargerstress.

ExperimentalStudyofUsingGasContentTechniquetoPredictOutburstHazard(4) Thispaperdescribedthebasicprincipleofpredictingoutbursthazardwithgascontentandthequickmeasuringmethodofgascontentincoalseam,madestudyonthesensitivityofcoalandgasout burstpredictionbasedongascontentmeasuringmethod,andprobedintotheinitialcriticalvalueofoutburstprediction.Thedirectandquickmeasurementofgascontentwasthusrealized.Themeasuringtimeofgascontentwasnotexcessof8hoursgenerally;applyinggascontentmethodtopredictoutbursthasbettersensitivityanditisfeasi bletechnically.

StressFieldinTectonicRegionandRegionalPredictionofCoalandGasOutburst(7) Coalandgasoutburstisrestrictedbysomefactorssuchasgeo-stress,gasandcoalsolidstructureetc,inwhichthetec tonicstressarousedbygeologicalstructureplaysadominatedrole.Thepalaeotectonicstresspromotedgasgeneration,changedconditionsofgasoccurrenceandmigrationaswellastheinternalstructureofcoal.Themodernstressdominatedgeo-stress,andtookpartinoutburstdi rectly.Thispaper,takingVlevelactivefaultsdividedbythegeo-dy namicdivisionasthetectonicframeandincorporatingwiththesurvey ingofstratastress,madeanumericalsimulationofthestressfieldintheregionalstructure,andthusdeterminedthestressdistributionlawintheregionalrockmass.Theresultindicatedthatthedistributionofre gionalinitialrockstressintheminedependeduponthefaultsandwasformedagainduetothesuperpositionbythefaultaction.Therefore,theregionaldistributionofcoalandgasoutburstinthisminewascon trolledbyitfromtimetospace.Thencoalandgasoutburstfatalnessinducedbycoalminingcanbeevaluatedandpredicted.Theapproachofcoalandgasoutburstpredictionisthusextended.

TemperatureFieldModelofSpontaneousCombustionofWasteRockDump(9) Thetemperaturefieldmodelofspontaneouscombustionofwasterockdumpwassetupbyusingtheheattransmissionmodelofsoilforreference.Thismodelmainlydependedonthetemperaturechangeofthewasterrock,andthetemperaturewasmoreeasilymeasured.Thecomputationwithtemperaturefieldmodelcandrawtheconclusionthatthespontaneouscombustionofwasterockinitiallyoccurredatabout2mandthetimeuptothecriticaltemperaturefromthepointat2mcanberoughlypredicted.Theconclusionaccordedwithactualobservation,sothismethodhasacertainguidingsignificance.

AnalysisofOccurrenceCharacteristicsofCoal-bedGasinShuan gquanMineFieldofAnyangCoalMiningArea(18) ShuangquanMineFieldofAnyangCoalMiningAreaisamineunderconstructionandhasrichcoal-bedgasresource.Thispapergivesasystematicde scriptionoftheoccurrencecharacteristicsofcoal-bedgasinthisminefieldaccordingtotheexploratorydataoftheminefieldandthecoal-bedgasinordertobetterdirectthecoal-bedgasexploitationandtheharnessofgasdisasterinthiscoalminingarea.Thepaperpointedoutthatthegaspressureofcoalseamsinthisareaishigh,theabsorptioncapabilityofcoalseamsisstrong,thegascontentoftheseamsishighandcanbeupto10~33.5m3/t,andthegascontenthasthedistri butiontendencythatitishighinsouthernandeasternareaandlowinnorthernandwesternarea.Thisgasdistributionwasaffectedbythedeepoccurrenceandthedynamicconditionofundergroundwater.Theweakrunoffareaandretentionareaofundergroundwaterwerethefa vorableareaforenrichmentofcoal-bedgas.Themudstoneroofandfloorprovidedfavorableconditionforthepreservationofcoal-bedgas,theclosedstrikefaultfromnorthtoeastandfavorablebuttrelationwasanotherfactorfortheaccumulationofcoal-bedgas.Thegeologi calconditionsofShuangquanMineFielddeterminedtheenrichmentofcoal-bedgas,butintensestructuralmovementcausedthecoalbodytobedamagedintomyloniticcoal,whichhaspoorgaspermeability,sothecoal-bedgasexploitationwithtraditionaltechnologyinthiscoalminingareaisstillaproblemtobeworthdiscussing.

MeasurementofDustConcentration(26) Inthemodernindustrypro duction,themeasurementofdustconcentrationismoreandmoreim portant,soitisnecessarytodesignafastdustconcentrationmonitorusedinworkingfield.Onthebasisoftheopticaltestingprinciple,thispaperanalyzedthemethodfordustconcentrationmeasurementwiththeopticaltransmissionprinciple,aspecificcalculationformulawasde rived,anddescribedthedesignofdetectionandamplificationcircuitandthecompositionandfunctionofthedustconcentrationmeasuringcircuit.Thepracticeshowedthatthisdesignmethodnotonlyhashighaccuracybutalsotheapplicationandpromotionvalue.

DevelopmentandStudyofMineVentilationInformationSystemBasedonGIS(35) Analysisandprocessingwereconductedonthemineventilationinformationsystemaccordingtothedemandofthebasicthe oryofmineventilationandsafetyandmineventilationmanagement,withtheaidofVisualBasicandbyquotingGIStechnique,themineventilationinformationsystembasedonGISandcomposedbysixsub systemswasdeveloped,whichincludeelectronicminemap,ventilationmanagementinformation,themeasurementofventilationtechnology,theanalysisofventilationnetwork,thesafesetupofsystemdata,andsystemhelp.

CauseAnalysisofHighTemperatureFormationandCoolingMeasuresinLiangbeiCoalMine(37) Throughtheanalysisongeologicalcondi tionsandthetemperaturechangingregularityoftheairintakesysteminLiangbeiCoalMine,thispaperpointedoutthatthemaincauseoftheseriousheathazardoccurredatpresentwasthedischargeofalargeamountofhotwater.Thegeologicalconditionwasthecongenitalcondi tionforthedischargeofhotwaterinthismine,andthedischargeofalargeamountofhotwatercausedtheincreaseofrelativehumidityofthemineintakeair,theexchangeoflatentheatincreased,andtheex changeoflatentheatwasthemainformofheatexchangeintheaircur rentinthismine,thehotwaterwasthemaincauseforthegenerationofhightemperatureinthemine,sothecoolingmeasurefortheharnessofhotwaterwasthusproposedinthismine.

DigitalMine-theOnlyWaytoRealizeHigh-efficiencyandSafeProductionofCoalMines(70) Howtorealizehigh-efficiencyandsafeconstructionanddevelopmentofmineresourcesisalwaysakeypointfortheexplorationandresearchoftheexportsandscholarsbothathomeandabroad.Inthispaper,theauthorspointedoutfromthehighplaneofstrategyanddevelopmentthatthedigitalmineistheonlywaytorealizehigh-efficiencyandsafeproductionofmines.Aroundthisviewpoint,discussionwasmadeonthebasicconnotation,comparativeadvantages,constructionconditions,challengeaswellasthepresentandfutureworkstressofthedigitalmine.