煤石山自燃深度的测算

煤石山自燃深度的测算

据不完全统计，目前中国每年共有45亿吨煤炭，年产量每年增加1.5.20亿元。其中，大型公墓1600多座，占地面积约1.5万公顷。这些碎石全年经风和阳光干燥，雨水被清除，风化分解产生大量颗有分水的粉末、碱性水和重金属离子水，这不仅破坏了当地的生态环境，而且破坏了居民的生活条件。它污染了大气、地表和地下水的源，尤其是碎石本身。它不仅产生了大量的有毒有害气体，而且容易发生沼气爆炸。这不仅造成了巨大的人员伤亡和经济损失。例如，2005年5月，平煤矿四矿四矿的碎石发生了两次自发爆炸事故，造成8人死亡，123人受伤，其中6人受伤，造成1.5万人受伤。随着社会经济的发展和人们环保意识的增强,煤矸石山引发的社会环境等问题已经成为煤炭企业长期面临的棘手问题.虽然解决煤矸石山特别是自燃煤矸石山引起的一系列问题的根本出路在于提高煤矸石的综合利用率,但应该认识到,目前煤矸石综合利用技术及装备水平达到国际20世纪90年代先进水平的比例还不高,一些技术含量较高的煤矸石综合利用技术还未得到广泛应用,煤矸石山自燃引起的问题在相当一段时间内将长期存在.因此,煤矸石山自燃的防治相当重要,掌握煤矸石山自燃深度的测算方法,对煤矸石山自燃灾害的预防和治理有着重要的意义.1石山隧道开采方法1.1煤石山枯枝的模拟表达煤矸石山由性质极不均匀的煤矸石堆积而成,是一种孔隙分布极不均匀的特殊的多孔床.不同的煤矸石山,由于排矸方式、堆积方式、煤矸石成分、所处自然环境等方面的差异,自燃发生部位、自燃持续时间和自燃程度等千差万别.就单个具体的煤矸石山而言,一个矸石山可能有几个部位同时发生自燃,发生自燃处的局部空间物质组成不同,自燃性质也不同.正因为煤矸石山之间的差异性及其物质组成在空间分布上的不规律性,所以用一个通用模型来描述或模拟煤矸石山自燃的产生和发展是很困难的.虽然很难用一个通用模型来描述或模拟煤矸石山自燃的产生和发展,但通过对自燃煤矸石山进行分析可以发现,煤矸石山自燃部位(如图1)的热量传输都满足两个平衡条件:1)矸石山内部向矸石山表面的传热量和矸石山表面向空气中的散热量相等;2)矸石山内部产热量和矸石山内部向矸石山表面的传热量相等.通过对两个热量传输平衡条件建立方程进行联合求解,就能够解算出自燃矸石山的自燃深度.1.2综合导热系数的确定从矸石山表面向空气中散热量记为Q1,则Q1=g(tf-ta),(1)Q1=g(tf−ta),(1)式中:g为对流给热系数;tf为矸石山表面温度;ta为大气环境温度.从矸石山内部向矸石山表面传送热量记为Q2,则Q2=∫L0λe(tz-tf)/zdz,tz=tf+z(tmax-tf)/L.即Q2=∫L0λe(tmax-tf)/Ldz=λe(tmax-tf),(2)Q2=∫L0λe(tz−tf)/zdz,tz=tf+z(tmax−tf)/L.即Q2=∫L0λe(tmax−tf)/Ldz=λe(tmax−tf),(2)式中:λe为综合导热系数;tmax为自燃层最高温度;tz为矸石山内部各层的温度;L为自燃深度.由式(1),(2)可得:tmax=g(tf-ta)/λe+tf.1.3煤石产热相关数据的分析矸石山内部向矸石山表面散热量由式(2)计算.煤矸石山内部产热量的计算是自燃深度测算的关键和难点,煤矸石产热量的计算涉及矸石氧化反应的动力学参数、不同深度矸石层的温度和氧气浓度、单位体积矸石在大气正常氧气含量中不同温度下的放热速率等参数.但是对现有的研究成果和文献资料进行研究和分析可以发现,虽然有煤矸石总发热量测定方法的研究,但并没有煤矸石放热强度随氧气浓度、温度变化的测定方法相关研究,因此,只有采用大型煤堆进行的煤自燃模拟试验得到的数据,通过给定修正系数来折算煤矸石产热相关数据.需要指出的是,因为煤自燃放热强度是在煤自然堆放条件下实测得到的,和煤矸石自燃条件类似,因此,测试值有可借鉴的价值.用煤自燃的放热强度来折算煤矸石的放热强度,需假设煤矸石自燃期间氧化放热反应,主要是煤矸石中残余煤炭和碳质岩起作用,且其氧化反应放热规律与煤的基本相同.单位体积煤矸石放热强度计算方法:1)获取单位体积煤炭在不同温度下的氧化产热强度以及该放热强度与煤样平均粒度的关系,计算与矸石相同温度、相同平均粒度的煤炭的放热强度;2)根据煤矸石中固定碳含量与煤炭中固定碳含量的比例,折算煤矸石的放热强度.假设煤炭在与煤矸石相同环境下(相同氧气程度、相同温度、相同平均粒度)的放热量为Qz(与z相关的函数),煤矸石放热强度与煤炭放热强度的折算系数为K,则煤矸石山内部的放热量为Q3=∫L0ΚQzdz.(3)Q3=∫L0KQzdz.(3)折算系数K与煤矸石的粒度、煤矸石的碳含量、煤矸石山内部的氧气含量有关.每个影响因素对煤矸石放热强度的影响程度都可以折算成一个系数,即颗粒修正系数KD,氧气含量修正KO2,含碳量修正KC,则折算系数K=KDKO2KC.当Q1=Q2=Q3,即可得矸石山表面温度tf、大气环境温度ta、对流给热系数g、综合导热系数λe和折算系数K与自燃深度L的关系式,只要测量矸石山表面温度、大气环境温度,计算对流给热系数、综合导热系数、折算系数,即可求得煤矸石山的自燃深度以及煤矸石山内部自燃层最高温度.2参数的确定和自杀深度的解算方法2.1煤石山的综合导热系数由于影响煤矸石山综合导热系数(λ)的因素有煤矸石堆孔隙率、含湿量、气流流速和煤矸石的化学组成、各矿物成分导热性能等,因此,测算煤矸石山的综合导热系数只能用有效当量法.有效当量法是在对多孔物体传热机理进行分析的基础上,将实际多孔物质复杂传热问题折算成为一般固体材料的相当导热问题.实际上把多孔物质看成是一般的无孔固体,该固体的导热系数却是把所有导热机制折算而形成的,只是最后的结果与实际相同,并不追究内部实际机制.各类非金属物质的综合导热系数存在很大差别,潮湿黏土的综合导热系数约为2.55W/(m·℃),而一般绝热材料的综合导热系数在0.03W/(m·℃).可以和矸石类比的除了灰质页岩外,还有干燥沙质黏土、干燥沙土、中等潮湿沙土和潮湿沙土等,它们的综合导热系数分别为1.05,0.35,1.86,2.33W/(m·℃).如果矸石自燃后,形成过火矸石,其性质和粉煤灰、煅烧陶粒、煅烧蛭石相似,综合导热系数显著降低.粉煤灰的综合导热系数为0.186～0.57W/(m·℃),炉渣为0.244W/(m·℃),陶粒为0.151～0.407W/(m·℃),绝热材料蛭石为0.052～0.07W/(m·℃).煤矸石山自燃处的煤矸石比较干燥,其数值大约与灰质岩的导热系数相接近,即为0.84W/(m·℃).自然界常见风速为1.5～2.0m/s,所以对流给热系数为20.2～21.53W/(m·℃).2.2含量、放热强度煤矸石氧化放热强度由煤矸石生产矿井生产的煤的氧化放热强度来折算.结合实际,我们参考了所研究的煤矸石生产矿井出产的煤的放热强度和温度关系,采用回归分析得到了温度和放热强度之间的一元线性回归方程,基本上可分为3段线性关系:q=a+bT(a,b取值见表1).其它矿井的煤氧化放热规律与该煤的氧化放热规律可能不一样,计算时以实验所得的数据为准.1)粒径修正.由于煤或煤矸石与氧气的反应属于气固反应,煤堆或煤矸石堆与氧气的反应速度和参与反应的表面积成正比关系,颗粒越小,氧气消耗速率和放热强度越大.用不同粒径的煤做实验,得出了煤样粒径与耗氧速率的关系(如表2).从表2可以看出,煤的粒径从≤0.4mm上升到7～10mm,4个煤样耗氧速率分别降低4.21,3.39,3.84,6.33,平均值的倒数得到颗粒修正系数KS=0.225.2)氧气含量修正.由于自燃(达到临界温度)初始阶段还是化学动力学控制,自燃发生层孔隙中氧气的体积分数在5.5%～10%以上,氧气含量对矸石氧化放热强度影响呈线性关系.q3,Ο2=q3,0φ/φ0,q3,O2=q3,0φ/φ0,式中:φ为矸石山内部氧气的体积分数,%;φ0为大气中氧气的体积分数,%;q3,0为在大气中实测的放热强度,W/m3.即氧气含量修正KO2=φ/φ0.矸石山从表层氧气体积分数为23%到自燃层降到5.5%,是线性变化的,因此,含氧量修正ΚΟ2=0.23-0.175z/L.(4)KO2=0.23−0.175z/L.(4)3)含碳量修正.单位体积物料单位时间氧化反应放热量,和体积内的参与氧化反应的可燃物质量成正比.干燥基灰分代表物质的惰性成分,矸石灰分为A矸石,(1-A矸石)代表含碳量(可燃物),试验煤样灰分为A煤样.根据上述假设,矸石的放热强度可以从煤样放热强度推出,即q3矸石=q3煤样(1-A矸石)1-A煤样,即含碳量修正ΚC=(1-A矸石)/(1-A煤样).(5)所研究的矸石山矿井矸石的灰分在84%左右,洗选矸石情况相对复杂,一般灰分要低于矿井矸石,原煤可选性差时灰分在78%左右.上述试验的煤样,干燥基灰分为23%.因此,矿井矸石含碳量修正KC=0.208,洗选矸石的含碳量修正KC=0.286.根据温度线性分布假设,自燃点深度为L时内部温度从表面温度tf变化到临界温度tmax,则z点的温度为tz=tf+(tmax-tf)z/L.(6)因此,矸石山内部所产热量总和为Q3=∫L0ΚCΚDΚΟ2(a+btz)dz=∫L0ΚCΚD(0.23-0.175z/L)(a+btz)dz=∫z800ΚCΚD(0.23-0.175z/L)(a1+b1tz)dz+∫z110z80ΚCΚD(0.23-0.175z/L)(a2+b2tz)dz+∫Lz110[ΚCΚD(0.23-0.175z/L)×(a3+b3tz)]dz,(7)式中:a1,b1,a2,b2,a3,b3取值见表1;z80=80-tftmax-tf=λe(80-tf)g(tf-ta);z110=110-tftmax-tf=λe(110-tf)g(tf-ta).2.3自杀深度的解算器通过联解Q1=Q2=Q3可得L=g(tf-ta)/(ΚCΚDk),(8)k=k1+k2-k3-k4,3煤石山自流式反应器通过试验来验证该计算方法的可用性和计算结果的精度.与传统的热电偶测量温度相比,红外热成像仪测温具有测温精度高、响应时间短、非接触等优点,在试验中,使用红外热成像仪采集与前面所取参数对应的自燃煤矸石山的表面温度(如图2所示),矸石山自燃处表面温度为41.5℃,室外温度为16℃.矸石山由洗选矸石堆积而成,则含碳量修正KC=0.286,计算得该处自燃深度为2.85m,通过钻孔测温可得该处自燃深度为3m,误差为0.15m.说明该计算方法是可靠的,计算结果可以用于指导煤矸石山自燃防治工作.4几种方法的对比研究煤矿矸石山是我国排放量及积存量最大的工业废弃物,在占用大量土地的同时还破坏了矿区的生态环境.尤其是自燃煤矸石山,不仅产生大量有毒有害气体,而且容易发生坍塌、喷爆甚至爆炸事故,酿成重大的人员伤亡和经济损失.为有效的治理煤矸石山自燃,如何测算煤矸石山自燃深度是个值得研究的问题.本文在分析了自燃煤矸石山产热、散热平衡的基础上,通过求解煤矸石山内部产热、散热平衡方程解算煤矸石山自燃深度.该方法将自燃煤矸石山内部产热、散热的影响因素用相关系数替换,概念清晰,应用简单.使用该方法对某矿自燃煤矸石山的自燃深度进行了测算,结果表明:用该方法测算煤矸石山自燃深度是可行的,测算结果的精度可以满足煤矸石山自燃监测及防治的需要.对于该计算方法的使用,还须注意以下4点:1)λe为煤矸石山内部的综合导热系数,除了文中参考经验值的方法之外,还可以采用拉依哈曼——采金方法、振幅法和相位法,结合现场实测数据进行计算,将进一步提高自燃深度计算结果的精度.2)在矸石山内部煤矸石放热强度计算过程中,由于没有准确测量煤矸石放热强度的方法,所