矸石山自燃的温度场模型

时间：2025-04-02

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.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

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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。

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