环境温度影响下自燃煤矸石山热管降温技术研究.pdf

扫码阅读下载张跃辉,张永波,高彤.环境温度影响下自燃煤矸石山热管降温技术研究J.矿业安全与环保,2023,50(4):30-35.ZHANG Yuehui,ZHANG Yongbo,GAO Tong.Experimental study on heat-pipe cooling technology of spontaneously combustible gangue hills under the influence of ambient temperatureJ.Mining Safety&Environmental Protection,2023,50(4):30-35.DOI:10.19835/j.issn.1008-4495.2023.04.006环境温度影响下自燃煤矸石山热管降温技术研究张跃辉,张永波,高 彤(太原理工大学 水利科学与工程学院,山西 太原 030024)摘要:针对大垴梁煤矿煤矸石山的自燃问题,基于热管被动降温技术原理,在发火区和蓄热区设置群管治理试验组,并对不同深度的温度进行 10 个月的实时监测,探究环境温度影响下群管在不同温度区的治理效果。结果表明:发火区寒季降温较快,暖季降温速率减缓,整体呈持续降温趋势,降温比率可达 14%36%,治理效果明显;蓄热区内部温度受环境温度影响较大,群管在寒季移热快,降温效果较好,暖季低温差作用下,具有一定抑制升温的作用。关键词:煤矸石山;发火区;重力热管;环境温度;降温效果中图分类号:TD75.1;X752 文献标志码:A 文章编号:1008-4495(2023)04-0030-06收稿日期:2022-05-05;2022-07-26 修订基金项目:山 西 省 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目(20210302123175)作者简介:张跃辉(1995),男,山西晋城人,硕士研究生,研究方向为地质环境。E-mail:1073289791 。Experimental study on heat-pipe cooling technology of spontaneously combustible gangue hills under the influence of ambient temperatureZHANG Yuehui,ZHANG Yongbo,GAO Tong(College of Water Resources Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:In view of the spontaneous combustion problem of gangue hills in Danaoliang Coal Mine,based on the technical principle of passive cooling of heat pipes,the experimental groups of group tube were set up in the fire zone and heat storage area,and the temperature at different depths was monitored in real time for 10 months to explore the treatment effect of group pipes in different temperature zones under the influence of ambient temperature.The results show that the cooling rate in the cold season of the fire area is faster,the cooling rate of the warm season is slower.The overall cooling trend is continuous,and the cooling rate can reach 14%to 36%,the treatment effect is obvious.The internal temperature of the heat storage area is greatly affected by the ambient temperature.The group tube shifts heat quickly in the cold season,and the cooling effect is better.Under the action of the low temperature difference in the warm season,it still has a certain effect of inhibiting the heating.Keywords:gangue hill;fire zone;gravity heat pipe;ambient temperature;cooling effect 在煤炭长期开采和加工过程中产出了大量的煤矸石1。煤矸石作为工业废弃物,因其利用价值较低而多被废弃并堆积成山。露天堆积的煤矸石山极易发生自燃和复燃,释放 CO 和 SO2等有害气体污染环境2,还可能引发崩塌、爆炸等地质灾害。根据煤矸石山自燃必需的 3 个条件,即充足的可燃物、一定的氧气浓度和较好的蓄热能力,治理自燃煤矸石一般从清除可燃物、切断供氧通道、破坏蓄热条件3 个方面入手,由此产生了多种防治措施,主要有挖掘熄灭法、表面封闭覆盖法、泡沫法、灌浆喷浆法等3,但在实践应用中均存在诸多的局限4-5。重力热管作为一种传热装置,凭借其传热性能好、结构简单、新型环保、经济高效等特点,在青藏铁路冻土路基稳定6、低温粮食储存7、核燃料储存工程8等各个领域均被运用。在热管应用效果的研究中,邓军9-10、李贝11等分析了利用热管治理煤矸石自燃的优越性,并基于煤矸石堆热管移热实验系统得出热管对煤堆的有03Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月效降温半径为 0.37 m;陈清华等12分析了重力热管对煤堆内部温度场的影响,得出重力热管距离热源越近,降温效果越好。在关于热管降温效果影响因素的研究中,王建国13、冯乾4等分别研究了不同充液率和不同管型的降温效果;屈锐15、韩玉婷16等对比分析了重力热管布置间距、插入深度及倾角等因素对煤堆降温效果的影响;吴鹏17基于室内实验探索了风速对煤堆移热的影响,指出风向与热管夹角为 60时效率最高;樊云龙18指出青藏公路路基的热管在寒季降温,暖季停止工作;刘人玮19在多年冻土区热管试验中指出,外界环境温度对热管的降温效果影响较大,在寒季可充分利用环境温度条件实现路基季节性融化层的回冻。以上学者们的研究主要集中在探究不同类型热管的移热性能、优化插入方式等方面,但现场试验较少,对环境温度影响自燃煤矸石山热管降温的研究较少。鉴于此,基于群管温控试验,对煤矸石山内部不同深度的温度进行为期 10 个月的动态监测,探究环境温度影响下群管在不同温度区的治理效果,旨在为自燃煤矸石山的防治提供帮助和依据。1 试验地区概况试验区位于山西省阳泉市大垴梁煤矿矸石山,此矸石山三面陡峭迎风,堆存数十年之久,多处已发生自燃,地表有植被因高温烧毁枯死,且有刺鼻性气体逸出。经初步勘探煤矸石山内部温度为 50750,矸石山平台已燃烧的面积约为 6 734.4 m2,其余区域为蓄热状态。该地区气候属温带大陆性季风气候,年均降水量为 532 mm,汛期主要集中在 7、8 月份,全年以西南风和西北风为主,月平均风速为 1.6 2.3 m/s。主要考虑环境温度变化对试验的影响,试验期间煤矸石山周围 10 个月的环境温度变化如图 1 所示。图 1 煤矸石山周围环境温度变化曲线由图 1 可知,2020 年 12 月至 2021 年 1 月初,气温逐渐下降至最低点-11.5;2021 年 1 月至 7 月,气温上升至最高点 30.5;7 月之后气温呈下降趋势。其中,1 月平均气温最低,为 1;7 月平均气温最高,为 27。2 群管温控原理及试验方案2.1 群管温控原理重力热管是依靠介质重力自行循环的传热装置,自下而上可分为蒸发段、绝热段和冷凝段 3 个部分。由蒸发段接触的煤矸石和冷凝段接触的空气形成温度差,致使热管内部工质蒸发形成气体,传至冷凝段与空气换热后成为液体,依靠重力回流,以此源源不断地将煤矸石山内部的热量传输至大气,达到降低煤矸石山的内部温度、破坏蓄热条件的目的。热管降温效果是由热管制冷量决定的20,与煤矸石山的内部温度、外界环境及热管的材质和结构等因素相关。煤矸石山的自燃范围大、面积广,在实际治理中需成片布设大量热管。结合热管特性,为节约成本,扩大覆盖范围,热管采用梅花形布设方式,联合控温。此外,采用长短热管交替布置同时控制深浅层的温度。群管温控原理见图 2,热管实物见图 3。水平面剖面群管降温效果梅花形布设参考线重力热管热管工作原理吸热散热翅片相变传热冷凝段绝热段蒸发段图 2 温控群管降温原理示意图(a)热管(b)翅片图 3 温控热管实物图此外,在矸石山表面覆盖 0.5 m 厚的黄土层用来隔绝氧气,结合热管降温技术进行综合治理。基于现有试验已确定的单根热管影响半径约为 3 m,13第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023最佳冷却半径约为 2 m21。2.2 试验方案硫铁矿氧化理论与煤氧复合理论是解释煤矸石山自燃起因的代表性理论22,2 种理论均认为煤矸石的自燃过程历经氧化反应大量蓄积热量,当温度达到炭物质的燃点后(约为 280),进入稳定燃烧阶段23。由此,根据大垴梁煤矿煤矸石山初勘地下温度场的分布,将治理区划分为 2 个温度区:处于氧化蓄热阶段的区域为蓄热区(50280),处于稳定燃烧阶段的区域为发火区(280750)。研究以梅花形布设中的等边三角形为基本单元,由此推及整个群管布置区。每个基本单元包含3 根热管,由 2 根长管和 1 根短管联合组成。在发火区以 4 m 间距布设 F1和 F2试验组,2 组试验布设地点不同;蓄热区以 5 m 间距布设 X1试验组。另外,在发火区和蓄热区各设 1 组无热管对照试验组。试验方案中所用的长管总长 7 m,短管总长 5 m,均为带翅热管,翅片的节距为 15 mm,厚度为 1.5 mm,其余参数和安装方式见表 1。表 1 热管参数及安装方式单位:m试验组入土深度长管短管外露管长发火区 F15.03.02.0发火区 F25.03.02.0蓄热区 X15.53.51.5温度监测点布设于等边三角形中心处,且在煤矸石山浅层和深层同时设置监测点,以此来监测热管联合作用的控温效果。试验方案中,浅层温度监测点位于地下 2 m,深层温度监测点位于地下 5 m。测温采用 K 型高温热电偶设备(测温范围为-2701 170),进行为期 10 个月的逐日温度监测,时间为 2020 年 12 月 1 日至 2021 年 10 月 1 日。3 试验结果与分析3.1 发火区试验分析自燃煤矸石山发火区是热管治理的重点区域,其内部温度为 280750,不同地点的温度分布差异较大。为避免试验的偶然性,在初始温度不同的地点分别设置 F1、F2试验组(F1深层温度为 676,F2深层温度为 432)。发火区各测点自 2020 年 12 月 1 日至 2021 年10 月 1 日 10 个月的温度变化曲线如图 4 所示。(a)对照组(b)F1试验组(c)F2试验组图 4 发火区测点温度变化曲线由图 4(a)可以看出,试验期间对照组深层温度由 428.0 升至 485.5,升温幅度为57.5,升温比率为13.4%;浅层温度由196.0 升至255.5,升温幅度为 59.5,升温比率为 23.3%。据此可知,无热管时煤矸石山发火区内部正处于燃烧状态,温度持续上升。由图 4(b)可以看出,试验期间 F1试验组深层温度由 676 降至 581,降温幅度为 95,降温比率为 14%;浅层温度由 405 降至 297,降温幅23Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月度为 108,降温比率为 27%。由图 4(c)可知,试验期间 F2试验组深层温度由 432 降至 344,降温幅度为88,降温比率为20%;浅层温度由174 降至 111,降温幅度为 63,降温比率为 36%。对于 F1和 F2试验组,除 F2深层测点温度在 7 月左右出现轻微升温后又降温外,其余均呈逐渐下降趋势。由此可知,群管在发火区可高效地将内部热量转移至外界,能够持续地破坏蓄热条件,大幅度降低煤矸石山内部的温度,降温效果显著,证实了利用热管技术治理自燃煤矸石山的优越性。结合图 4(b)和图 4(c)可知,F1、F2试验组不同深度的测点温度变化趋势均表现出:前期降温较快,后期降温趋势较为平缓。计算各月测点降温幅度和降温比率,结果见表 2。表 2 发火区试验组测点各月降温幅度和降温比率计算结果试验组编号测点位置指 标12 月1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月F1F2浅层深层浅层深层降温幅度/34.023.014.011.08.06.04.04.33.77.0降温比率/%8.46.24.03.32.51.91.31.41.22.4降温幅度/1516910689698降温比率/%2.22.41.41.61.01.31.51.01.51.4降温幅度/181985320134降温比率/%10.312.25.83.92.41.700.82.53.5降温幅度/30141212962-122降温比率/%6.93.53.13.22.51.70.6-0.30.60.6 结合图 1 和表 2 可知,环境温度变化趋势与降温快慢具有关联性,环境温度较低时,降温速率较大。但环境温度与降温速率不呈单一的反比关系,这是由于风速、水分等因素也会对自燃煤矸石山内部温度产生一定的影响。对于布设热管的煤矸石山,外界环境温度对其内部温度演变的影响主要有 2 种途径:其一,环境温度直接影响热管冷凝段的温度,通过控制热管蒸发段与冷凝段的温差来影响热管的移热效率,从而影响煤矸石山内部温度的演变;其二,环境温度直接对流换热改变煤矸石山表层的温度,进而由煤矸石与煤矸石之间的同介质热传导影响内部不同位置的温度。将 F1试验组不同深度测点月降温比率及月平均气温变化趋势绘制成图,见图 5。图 5 F1试验组测点月降温比率及环境温度变化曲线由图 5 可以看出:2020 年 12 月至 2021 年 3 月,月平均气温为 10 以下,随时间推移环境温度升高,测点的降温比率逐渐减小,浅层由 8.4%降至3.3%,深层测点由 2.2%降至 1.6%,浅层测点的降温比率明显大于深层;2021 年 49 月平均气温为1025,不同深度监测点的降温比率相对较小,浅层测点为 1.2%2.5%,深层测点为 1.0%1.5%,不同深度测点的降温速率相差不大。造成图 5 降温比率变化的主要原因:2020 年12 月至 2021 年 3 月内环境温度较低,致使热管冷凝段温度较低,内部工质相变对流换热传输效率高,热量高效传递至外界环境,因此降温速率较快;另外,此期间内多处于冬季,天气寒冷且矸石山表面会有积雪现象,矸石山内部热量易传输至外界环境或被融雪消耗,所以浅层测点的降温效果更明显。2021 年49 月内环境温度较高,热管冷凝段温度升高,热管工作效率减小,降温速率相对较缓;外界环境温度高,煤矸石表面热传导速率低,热管工作占主导作用,不同深度的测点均在热管蒸发段的影响范围内,因而深浅层降温速率相差不大。综上所述,在自燃煤矸石山发火区布设的群管能够改变持续升温状态,不同深度的测点温度均呈持续下降趋势,300 天内各测点的降温比率可达14%36%,降温幅度可达 63108。在发火区热源高环境温度条件下,热管两端仍然保持较大温差,移热能力较强。当环境温度变化时,治理效果的差异主要体现在降温速率的变化,寒季环境温度较低时,测点降温速率较快,且浅层较深层的降温效果更好;暖季环境温度较高,降温速率有所减缓。整体而言,群管在发火区能够有效降低煤矸石山的内部温33第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023度,治理效果明显。3.2 蓄热区试验分析蓄热区的治理任务主要以预防为主,且各位置温度差异较小,因此仅设 X1热管治理试验组。蓄热区各测点自 2020 年 12 月 1 日至 2021 年 10 月 1 日的温度变化曲线如图 6 所示。(a)对照组(b)X1试验组图 6 蓄热区测点温度变化曲线 由图 6(a)可知,对照组深层温度在 1 个多月内由 46 降至 36,后持续上升至 7 月达到顶峰54,之后下降至 49;浅层温度在 1 个多月内由27 降至 19,后持续上升至 7 月达到顶峰42,之后下降至 34.5。无热管布设时,煤矸石山蓄热区内部未燃烧,煤矸石内部温度受热量积蓄、环境温度及水分等因素的共同作用。结合图 1,可知蓄热区测点温度随环境温度变化而变化,说明其内部温度受环境温度影响较大。由图 6(b)可知,2020 年 12 月至 2021 年 4 月试验组深层温度由 60 降至 33,浅层温度由 49 降至 29;2021 年 49 月,深层温度由 33 升至49,浅层温度由 29 升至 40;2021 年 910 月,深浅层温度分别降低 1 和 2。整体呈先降温、后升温、再降温的变化趋势。由此可见,以 5 m 间距布设热管后,X1试验组的测点温度仍随环境温度的变化而变化,但降温幅度更大,温度回升后最大值不超过初始温度。造成这样的原因是:除不同地点的蓄热环境(如含水率、孔隙率等)影响外,群管的存在对煤矸石山内部热量的散出具有一定的作用。X1试验组各月降温幅度和降温比率计算结果见表 3。可以看出,根据测点温度升降可将整个试验时间分为降温期和升温期,其中 2020 年 12 月至2021 年 3 月(降温期)、2021 年 910 月(降温期)为降温期,2021 年 48 月为升温期。表 3 蓄热区试验组测点各月降温幅度和降温比率计算结果试验组编号测点位置指 标降温期升温期降温期12 月1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月X1浅层深层降温幅度/11.03.02.02.0-1.0-5.0-5.0-0.50.52.0降温比率/%22.47.95.76.1-3.4-16.7-14.3-1.31.25.0降温幅度/13454-5-5-3-1-11降温比率/%21.78.511.610.5-14.7-12.8-6.8-2.1-2.12.0 在降温期内,月平均气温均小于 10,深层测点降温比率均在 8.5%以上,浅层测点降温比率均在 5.7%以上,在此阶段煤矸石山内部热量一方面通过地表与外界冷空气对流换热,另一方面低气温致使热管冷凝段温度较低,移热能力强,煤矸石山内部热量易散出;在升温期内,随时间推移环境温度升高,深浅层测点出现升温现象,最高升温比率可达16.7%,此阶段环境温度较高,而蓄热区热源低,热管蒸发段与冷凝段的温度接近,温差较小导致热管移热能力差,则测点温度主要受环境温度的热传导及煤矸石山内部热量蓄积影响,且由于刚经历过降温阶段的煤矸石山内部温度较低,所以出现了温度迅速回升的现象;在降温 期内,环境温度仍接近 20,热管移热能力仍较差,则外界环境与煤矸石山的热传导占主导作用,随着气温降低,出现降温趋势。综上所述,自燃煤矸石山蓄热区内部温度受环43Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月境温度影响明显,测点温度随环境温度变化而变化。群管对煤矸石山内部热量的散出具有一定作用,寒季热管两端温差大,移热效率高,降温效果好;在暖季低温差作用下,移热效率下降,但仍具有一定抑制升温作用。整体而言,蓄热区的群管布设并不能取得明显的降温效果,其主要起预防热量大量积蓄、抑制氧化反应的作用。其间需对温度实施动态监测,监控蓄热区内部温度变化情况,及时进行防控与治理。4 结论与建议1)无热管条件下,煤矸石山发火区内部处于燃烧状态,温度持续升高;蓄热区内部温度随环境温度的变化而变化。2)群管在发火区可有效降低煤矸石山的内部温度。环境温度变化下,寒季降温较快,且浅层降温效果优于深层;暖季降温较缓。试验期内各测点整体呈持续降温趋势,降温比率可达 14%36%,治理效果明显。3)蓄热区内部温度受环境温度影响较大,群管的存在对热量的散出具有一定的促进作用。寒季热管移热效率较高,降温效果较好;暖季低温差作用下,移热能力减弱,但仍具有一定抑制升温的作用。针对夏季热管移热能力受限,可采用在热管表面浇水等方式降低蒸发段的温度,增强热管的移热能力,优化降温效果。另外,要想全面地掌握环境温度对自燃煤矸石山降温效果的影响规律,还需监测多年温度进行分析研究。参考文献(References):1 马骏,郁钟铭,舒仕海,等.煤矸石对矿区的环境危害及治理措施J.煤炭工程,2015,47(10):70-73.2 位蓓蕾,胡振琪,王晓军,等.煤矸石山的自燃规律与综合治理工程措施研究 J.矿业安全与环保,2016,43(1):92-95.3 李贝.煤矸石山非控自燃热动力学特征及移热方法研究D.西安:西安科技大学,2017.4 岳超平.我国煤矿自燃矸石山治理技术J.矿业安全与环保,2007(增刊 1):73-75.5 彭晶晶.煤矸石山自燃防治及灭火标准方法J.中国石油和化工标准与质量,2021,41(21):103-104.6 蔡汉成,孟进宝,赵相卿,等.基于热量收支平衡原理的多年冻土区热棒路基设计计算方法J.岩土力学,2020,41(11):3769-3776.7 张岩,姜文利,邵焕霞,等.小型热管低温储粮系统的应用试验J.中国粮油学报,2014,29(9):79-81.8 KUSUMA M H,PUTRA N,ANTARIKSAWAN A R,et al.Investigation of the 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