基于煤矸石堆自燃熱棒移熱參數研究

＊韓玉婷 武奧環 余杰

（西安科技大學 陜西 710000）

引言

煤矸石堆自燃引發煤火災害，其自燃產生CO、CO2、CH4和NO等有毒有害氣體。煤矸石火災具有早期難發現、自燃區準確定位難、漏風供氧難以控制、易復燃難撲滅等特點[1]，其防治技術是當前礦山安全技術領域的重要研究課題。熱棒是一種具有氣-液兩相對流循環高效傳熱元件，通過破壞煤矸石堆內部蓄熱環境，移除煤矸石內部環境熱量，使其難以到達自燃點，作為防治煤矸石山自燃災害的新型環保、經濟高效技術手段。

熱棒用于煤矸石堆防滅火的研究，最早于1991年徐禮華通過實驗測試了重力熱棒對煤矸石堆降溫效果，測算出每平方米內插入4-5根熱棒可將煤矸石堆溫度控制在60℃以下。屈銳、黨逸峰等通過設計熱棒換熱性能實驗，研究了基于煤矸石自燃過程的熱棒綜合性能評價方法，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。陳清華等指出受內部重力和氣液剪切力影響，通過仿真模擬發現熱棒傾斜角為60°時降溫效果更顯著。

本文使用自行搭建的煤矸石堆-熱棒移熱測試實驗系統，揭示了不同傾角下熱棒對煤矸石堆自燃溫度場影響，建立并分析熱棒移熱降溫性能指標，確定熱棒在不同傾角下對于煤堆內各個測點熱量的移除效果，得出熱棒移熱效率最佳傾角，為煤矸山自燃火災熱棒防滅火技術的推廣應用及熱棒工程相關參數提供一定的技術支持與理論指導。

1.煤矸石堆自燃實驗研究方法

(1)實驗材料

選取安徽淮南礦區煤矸石作為實驗煤樣，用破碎機進行研磨粉碎，使其粒徑保持在140目，所取煤矸石樣用袋裝密封，防治其與空氣發生氧化影響實驗結果。

(2)實驗傾角設定

選定90°、60°、45°、30°等工程應用常用傾角作為實驗傾角，并將90°作為對照組，將其他實驗組所得數據結果與對照組進行對比。

(3)煤矸石堆-熱棒移熱測試實驗系統

煤矸山堆自燃防滅火熱棒移熱性能測試實驗系統由裝煤箱、溫控系統、溫度監測分析系統和熱棒四部分組成，如圖1（a）所示為熱棒移熱測試實驗系統。裝煤箱體裝置內部尺寸800mm×600mm×500mm，約裝煤矸石240kg。溫控系統采用平板加熱器，尺寸為600mm×500mm，厚度為3mm，可對裝煤箱中煤矸石堆樣本進行加熱，模擬實驗條件下煤矸石堆自燃蓄熱升溫過程。實驗選用中溫類型碳鋼-水熱棒，內部工質為含15%緩蝕劑的蒸餾水，總長為1.5m，其中冷凝段采用圓型翅片，長度0.6m，間距10mm，熱效率傳導高達95%以上。溫度監測分析系統，包括熱敏電阻型溫度傳感器、溫度巡檢儀、溫差發電片、主機、溫度傳感器以及無線發射器，數據記錄儀以及在線溫度采集計算機，溫度檢測系統內部裝置如圖1（b）所示。溫度巡檢儀通過無線接、發射器與無線溫度檢測裝置之間實現無線連接，溫度傳感器與主機電性連接。

圖1 煤矸石堆-熱棒移熱測試實驗系統

(4)設定實驗條件

設置溫度巡檢儀每20秒實時采集一次，各組實驗時長均設定為24h。將平板加熱器設置為恒溫150℃，無熱棒作用條件下煤矸石堆溫度逐漸上升，直到溫度達到150℃，將其作為實驗初始溫度，按實驗傾角，插入熱棒。為保證單一變量，實驗時，將熱棒插入比固定為Le:Lc=2:3，即露出段：插入段為2:3，同時環境風速及溫度盡量均保持一致。

(5)實驗測點布置

如圖2所示為實驗測點熱電偶布置。實驗測點分為三層：下、中、上，共24個測點，且離熱棒最近測點距離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，相鄰的兩個熱電偶距離H4=5cm。

圖2 實驗測點熱電偶布置圖

(6)開展不同傾角實驗

在實驗條件下，將熱棒按照實驗傾角插入裝煤矸石箱體，分別進行實驗，觀測溫度分析系統中各測點溫度數據，對于24路測點溫度進行數據處理，利用Origin等數據分析軟件，分析90°、60°、45°、30°傾角下熱棒與煤矸石堆內部溫度場分布影響及各層測點溫度變化（最大溫差、最大降溫率、累計降溫、平均降溫速率）情況，對比不同傾角下熱棒對煤矸石堆內部移熱降溫作用與效果。實驗過程如圖3所示。

圖3 煤矸石-熱棒不同傾角移熱效果分析實驗

2.實驗結果分析

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

圖4 90°下三層煤矸石堆溫度場及各測點溫度變化分析

圖5 60°下三層煤矸石堆溫度場及各測點溫度變化分析

(1)夾角為90°時移熱效果分析

在熱棒與地面夾角為90°時，在實驗24h內，對于A1測點影響最大，可以使得A1測點最高降低24℃，同時，最高降溫率為60%，最高影響每層測點數為2個測點即只有2個測點有明顯的溫度下降趨勢，最佳降溫層為A層，B層降溫幅度最大，影響的測點數最多，降溫率也是最大，且三層測點累計降溫110.5℃，平均降溫速率4.61℃/h。

(2)夾角為60°時移熱效果分析

在熱棒與地面夾角為60°時，在實驗24h內，對于B1測點影響最大，可以使得B1測點最高降低53℃，同時，最高降溫率為44%，最高影響每層測點數為3個測點即只有三個測點有明顯的溫度下降趨勢，最佳降溫層為B層，B層降溫幅度最大，影響的測點數最多，降溫率也是最大，且三層測點累計降溫201℃，平均降溫速率8.375℃/h。

(3)夾角為45°時移熱效果分析

在熱棒與地面夾角為45°時，對于B1測點溫度的影響最大，可以使得B1測點最高降低40℃，最高降溫率為37%，最高影響每層測點數為4個測點，最佳降溫層是B層，三層測點累計降溫272℃，均降溫速率11.33℃/h。

圖6 45°下三層煤矸石堆溫度場及各測點溫度變化分析

(4)夾角為30°時移熱效果分析

圖7 30°下三層煤矸石堆溫度場及各測點溫度變化分析

在熱棒與地面夾角為30°時，對于B1層測點溫度影響最大，可以使得B1測點溫度最高降低45℃，最高降溫率為44%，最高影響每層測點數為4個測點，最佳降溫層是B層，三層測點累計降溫226℃，平均降溫速率9.42℃/h。

3.實驗結果對比

表1 不同傾角下熱棒作用效果對比

圖8

4.結論

（1）在熱棒與地面夾角為90°時，對最下層A層降溫效果最好，A1測點最高降低24℃，最高降溫率為60%。最佳降溫層為A層，B層降溫幅度最大，影響的測點數最多。（2）在其它實驗傾角中，熱棒均對中間層B層移熱效果最好，溫度場累積降溫影響最大，對于A、C兩層累計降溫有一定的影響。（3）熱棒對煤矸石內部各層蓄熱有明顯破壞效果，且熱棒移熱降溫效果與測點距離成反比，同層測點離熱棒得越近降溫效果越好。（4）熱棒與地面夾角為45°時，熱棒的降溫效果最好，累計降溫可達272℃，最大溫差可達40℃，三層測點累計降溫272℃，平均降溫速率11.33℃/h；熱棒與地面夾角為60°時，熱棒對于單個測點作用的最大溫差最大，可達53℃。