降雨量对自燃矸石山爆炸的影响分析.pdf

第3 6 卷第4 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 6N o ．4 2 0 0 7 年7 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 LT e c h n o l o g yJ u l y2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 7 0 4 0 4 5 3 0 5 降雨量对自燃矸石山爆炸的影响分析 余明高，段玉龙，于水军，郝强，李喜玲 河南理工大学河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室，河南焦作4 5 4 0 0 3 一 摘要为了分析降雨对煤矸石山爆炸的影响，探讨了煤矸石山与雨水作用的物理爆炸机理．应用 热力学原理研究了煤矸石山与雨水作用的化学爆炸机理．分析了不同情形下的爆炸可能性和爆 炸类型，并进行爆炸模拟实验来研究雨水对矸石山爆炸的影响．结果表明下小雨时，矸石山发生 的爆炸主要属于化学爆炸；下大雨时，矸石山在温度小于12 0 0K 下主要是化学爆炸，在温度大 于12 0 0K 下主要属于物理爆炸．降雨量对矸石山的爆炸影响很大，做好降雨季节的矸石山防爆 工作是十分必要的． 关键词降雨量；矸石山；爆炸 中图分类号T D7 5 3 ．1文献标识码A E f f e c to fR a i n f a l lo nt h eE x p l o s i o no fC o a lG a n g u eH e a p Y UM i n g g a o ，D U A NY u l o n g ，Y US h u i Ju n ， H A OQ i a n g ，L IX i l i n g H e n a nP r o v i n C eK e yL a b o r a t o r yo fP r e v e n t i o na n dC U r eo fM i n eM e t h a n e ＆F i r e s ．H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ， J i a o z u o ，H e n a n4 5 4 0 0 3 ，C h i n a A b s t r a c t F o ra n a l y z i n gt h ee f f e c to fr a i n f a l lo nc o a lg a n g u eh e a pe x p l o s i o n ，t h ep h y s i c a le x p l o s i o nm e c h a n i s ma c t i o nb e t w e e nc o a lg a n g u eh e a pa n dw a t e rw a ss t u d i e d ．B a s e do nt h et h e r m o d y n a m i c sp r i n c i p l e ，t h ec h e m i c a le x p l o s i o nm e c h a n i s mo f c o a lg a n g u eh e a pw a ss t u d i e d ．T h e e x p l o s i o np o s s i b i l i t ya n dt y p e su d d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r er e s e a r c h e d ，a n das i m u l a t i o ne x p l o s i o ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c to fr a i n f a l lo nc o a lg a n g u eh e a p ．T h er e s u i t ss h o wt h a ti t i sm a i nc h e m i c a le x p l o s i o nw h e ns p r i n k l i n g ．I ti sm a i nc h e m i c a le x p l o s i o n w h e nt h et e m p e r a t u r ei su n d e r12 0 0Ka n dm a i np h y s i c a le x p l o s i o nw h e nt h et e m p e r a t u r ei sO v e r12 0 0Kw i t hh e a v yr a i n ．R a i n f a l lh a sag r e a te f f e c to nt h ee x p l o s i o no fc o a lg a n g u eh e a p a n di t i sn e c e s s a r yt op r e v e n te x p l o s i o nd u r i n gr a i n ys e a s o n ． K e yw o r d s r a i n f a l l ；g a n g u eh e a p ；e x p l o s i o n 我国是一个煤炭生产和消费大国，每年排放煤 矸石近亿吨，约占当年煤炭产量的1 0 ％左右‘1 | ．此 外，相关文献报道全国近3 3 ．3 ％的矸石山由于其 硫铁矿物和含碳物质的存在而发生自燃．尤其近些 年来，因矸石山而引发的重大灾害性事故日趋增 多，例如频发的矸石山坍塌、爆炸事故，酿成的人员 伤亡和造成的重大经济损失，已给当地居民带来了 负面的心理影响，同时也严重地延缓了当地社会经 济的发展．据部分资料显示，煤矸石发生爆炸的主 要原因有以下3 个方面降雨、通风、挖掘陪“，一旦 收稿日期2 0 0 6 1 2 0 1 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 2 7 4 0 6 1 ，河南省杰出人才创新基金项目 0 4 2 1 0 0 0 8 0 0 ，河南省高校新世纪优秀人才支持计划 2 0 0 5 H A N C E T 一0 5 作者简介余明高 1 9 6 3 一 ，男，四川省泸州市人，教授，博士生导师，工学博士，从事火灾防治理论与技术等方面的研究． E - m a i l m g y u h p u ．e d u ．c nT e l 0 3 9 l _ 3 9 8 7 9 1 5 万方数据 4 5 4 中国矿业大学学报第3 6 卷 存在上述3 种原因中的任何一种，都很有可能引发部，由于煤矸石粒度较大，其供氧环境并未发生大 煤矸石爆炸．由于大多数煤矸石爆炸发生是在降雨的变化，煤矸石山内部燃烧区仍能得到充足的氧 的情况下，为此，文章重点从降雨量大小对矸石山气，使反应加速，热量大量聚积，积聚的热量使煤矸 发生爆炸的影响程度和反应机理的角度出发，分析石山内部温度进一步升高，高温又进一步加速了煤 雨水情形下煤矸石发生爆炸的真正原因。以达到防矸石山内部的反应．当大量的降水再次进入高温燃 治煤矸石山发生爆炸，减少灾害事故的发生．烧区时，高温使降水的体积在瞬间膨胀17 0 0 倍成 ，物理机理分析 耋喜誓磊策篡娄嘉姜葚粼言塞舅薹嚣喜 下雨时，由于径流作用，雨水顺着自燃煤矸石地方寻找突破口，发生煤矸石山物理爆炸 热爆 山顶部的裂隙渗入内部的高温燃烧区．其中一部分炸 ． 要变妻竺要量答 趸皇竺要耋嫠掌。望二鼍化登蚤 2 化学机理分析 烃类气体形成具有爆炸危险性的水煤气；另一部分 ⋯⋯⋯⋯ 雨水继续下渗，到达煤矸石山的底部．这部分雨水 2 ．1 热力学计算 在下渗过程中，把内部自燃殆尽的矸石灰和小的矸煤矸石中的混煤在空气中会和氧气发生缓慢 石粒带走，在矸石山内部形成大量的上下贯通的缝氧化过程，同时释放出大量的热量，当煤矸石温度 隙，由于烟囱效应，使更多的空气通过裂隙由下部升至5 0 0 ℃以上时，混煤会和水蒸气发生反应，生 进入燃烧区，进一步促进煤矸石山的燃烧．由于降成大量的C O ，H 。和C O 。等．煤矸石中} 昆煤在氧气 雨的冲刷作用，使风化的煤矸石灰或细粒堵塞原已和水蒸气的作用会发生一系列的化学反应．为便于 在煤矸石山顶部形成的径流通道．而在煤矸石山底热力学求解，选取表I 中的4 个独立的化学反应 2 C O ，一2 C 0 ，△，H 量一一1 1 0 ．5 2k J ／m o l ，A ，G 生一一1 3 7 ．2 7k J ／t o o l ， C C 0 2 2 C O ，A ，H 备 1 7 2 ．4 7k J ／m o l ， △。G 基一1 1 9 ．8 4k J ／t o o l ， C 0 H 2 0 C 0 2 H 2 ，△。H } 一4 1 ．1 6k J ／t o o l ，△，G 。0 一2 8 5 ．2 0k J ／m o l ， C 2 H 2 一C H 4 ，△，H 量 一7 4 ．8 5k J ／t o o l ，△，G 量一一1 1 3 ．5 9 0k J ／t o o l ， 式中△，H 刍为反应标准摩氽焓变；△r 瓯为反应标 准摩尔自由能变． 首先，对于上面4 个化学反应式，应用热力学 知识建立相关的矸石山烟气成分数学计算模型；然 后，应用M A T L A B 【5 1 和C 计算软件对所得数 学模型进行求解，得出不同降雨量、不同温度和压 强下煤矸石内部反应得到的烟气成分．表1 ，2 分别 给出的是在雨量较小 口一5 和雨量较大 口一 1 0 0 2 种情形下计算得到的部分结果 文中用水空 比口 ，z H 。o ／n 空气来表示雨量的大小．其中，咒H 。o ， 咒空气分别表示水和空气的摩尔量，如果假设空气的 摩尔量为1m o l ，则水蒸汽的摩尔量为口m o l ；P 8 表 示1 个标准大气压，P 表示实际压强，P ／P 8 表示 压强比 ． 表1a 5 条件下的矸石山内部烟气组成的部分数据 T a b l e1P a r t i a ld a t ao fc o m p o n e n to fg a si ng a n g u eh e a pw h e n 口 5 烟气组成妒B C O 0 2C 0 2H 2C H 4 0 ．0 0 00 0 0 0 ．0 0 00 0 0 0 ．0 0 00 0 0 0 ．0 0 00 0 0 0 ．0 0 00 0 0 0 ．0 0 00 0 0 0 ．0 0 27 2 4 0 ．0 2 84 3 8 O ．1 0 19 0 1 0 ．1 5 13 7 5 0 ．2 7 14 9 7 O ．3 1 40 0 2 0 ．2 7 37 8 2 0 ．1 2 07 7 1 0 ．0 6 09 0 9 0 ．0 4 49 2 8 0 ．0 2 16 5 3 0 ．0 1 56 6 0 0 ．0 0 02 8 8 0 ．0 0 13 0 1 0 ．0 0 27 7 1 0 ．0 0 35 1 8 0 ．0 0 50 9 1 0 ．0 0 55 9 1 12 0 0 0 ．0 0 00 0 0 0 ．0 0 00 0 0 0 ．0 0 00 0 0 0 ．0 0 00 0 0 0 ．0 0 00 0 0 0 ．0 0 00 0 0 0 ．1 0 53 6 3 0 ．0 7 43 5 6 O ．0 5 86 3 4 0 ．0 5 37 9 7 0 ．0 4 62 5 5 0 ．0 4 42 1 3 0 ．0 0 06 0 5 0 ．0 0 13 7 7 0 ．0 0 20 6 0 0 ．0 0 23 5 2 0 ．0 0 29 2 1 0 ．0 0 31 1 1 0 ．5 4 82 5 4 O ．6 9 81 1 4 0 ．7 5 75 1 8 0 ．7 7 46 5 3 0 ．8 0 06 9 0 0 ．8 0 75 6 2 0 ．1 1 65 7 8 0 ．1 2 50 0 8 0 ．1 2 81 3 4 0 ．1 2 90 2 2 O ．1 3 03 6 5 0 ．1 3 07 1 9 O O O 一1 0 O O 0 O 如∞∞一 ，o加∞∞ 万方数据 第4 期余明高等降雨量对自燃矸石山爆炸的影响分析4 5 5 2 ．2 数据分析 根据对平顶山煤业集团某矿发生矸石山爆炸 后的测量，自燃煤矸石山表面温度约5 0 ℃，中心区 最高温度达12 0 0 ℃，自燃中心区深度为2 ～6m ， 从中心区向四周辐射温度逐渐降低．表明白燃煤矸 石山的温度从表面往内是先升高后降低．虽然不同 矿区的煤矸石特性不尽相同，但是这一现象具有普 遍性[ 6 ] ．表1 ，2 所示温度均指矸石山内部高温燃烧 区温度． 6 喜 从表1 可以看出，当水空比为5 以及煤矸石山 内部高温区的温度为8 0 0K 时，烟气中水蒸汽的比 例很低，其值随压强增大变化q 艮1 J , ；而内部有限的 0 。由于参与反应被消耗殆尽；C O ，H ，C H 。等爆 炸性混合气体所占比例之和为5 5 ％～9 1 ％，存在 一定的化学爆炸极限．当有足够的空气进入矸石山 内部的高温燃烧区时就可能发生化学爆炸． 温度与压强对p H O 的影响如图1 所示． T ／1 0 3 K a 温度，口 5 p／p目T／103K b 压强，d 5 c 温度，a 1 0 0 o 士 匿 02 0 0 4 0 06 0 0 8 0 01 0 0 p ／p p d 压强，a 1 0 0 图1温度，压强对p Hz o 浓度的影响 F i g ．1 E f f e c t so ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei n t e n s i t yo nc o n c e n t r a t i o no fH 20 g 对于a 一5 ，当温度T 一12 0 0K 时，C O ，H 。，、为没有足够的水分在矸石山内部汽化形成巨大的 C H 。等爆炸性所占比例之和在1 ．3 ％～2 5 ％之间， 压强，不可能发生物理爆炸．矸石山如果爆炸只能 水蒸汽的比例达到6 3 ％～9 7 ％之间．表明这些爆是由C O ，H z ，C H 。引起的化学爆炸． 炸性混合气体在低压下仍存在有一定的爆炸极限， 对于表2 ，当煤矸石的温度为T 一8 0 0K 时， 可能发生化学爆炸；高压下没有爆炸极限，不会产烟气成分中水蒸汽比例很低，基本上不受压强的影 生化学爆炸．温度由8 0 0 I2 0 0K 的变化过程中，响，O 。被消耗殆尽．C O ，H 。，C H 。等易燃气体所占 烟气成分变化很大，水蒸汽所占比例随着温度不断比例在9 5 ％～9 8 ％之间，根据对爆炸极限的计算， 升高逐渐占据主导地位，转折点约在11 0 0 ～12 0 0并与表1 中同等温度下的气体成分相比得到，此时 K 之间 如图l a ，之后趋向稳定；对于压强比来混合气体的爆炸极限范围更宽．由于经过长时间大 说，水蒸汽所占比例的转折点则是随着温度的升高雨的冲刷，相当部分的雨水会渗透到矸石山的底 而降低，在8 0 0K 时基本上没有转折点，12 0 0K部，把内部自燃殆尽的矸石灰和小的矸石粒带走， 时压强比在2 0 0 左右，18 0 0K 时压强比在1 0 左右在矸石山底部形成大量的缝隙．更多的空气通过煤 图l b ，之后趋向稳定．在假定小雨的前提下，因矸石间的裂隙由下部进入燃烧区，并在高温燃烧区 万方数据 4 5 6中国矿业大学学报第3 6 卷 生成C 0 ，H 。，C H 。等气体组成爆炸性混合气体，可 能发生化学爆炸． 对于口一1 0 0 ，当丁一12 0 0K 时，C O ，H 。， C H 。等易燃混合气体所占比例在0 ．8 ％～2 5 ％之 间，水蒸汽的比例在8 0 ％～9 7 ％之间，水蒸汽所占 比例下限比表1 中高出1 7 个百分点．计算得知低 压下易燃混合气体的爆炸极限与表1 中的很接近， 可能发生化学爆炸；高压下矸石山内部只能是以水 蒸汽为主的高温高压混合气体，没有爆炸极限，不 会产生化学爆炸．温度由8 0 0 ～12 0 0K 的变化过 程中，烟气成分变化很大，水蒸汽所占比例随温度 和压强的不断升高逐渐占据主导地位，温度转折点 大约在11 0 0 ～12 0 0K 图l c ，之后趋向稳定；对 于压强比来说，水蒸汽所占比例的转折点则是随着 温度的升高而降低，在8 0 0K 时基本上没有转折 点，12 0 0K 时压强比在1 5 0 左右，18 0 0K 时压强 比在1 0 左右 图l d ，之后趋向稳定．下大雨的前 提下，大量的雨水遇到高温的矸石山汽化成水蒸 汽，同时体积扩大17 0 0 倍，充足的水分所形成的 大量的水蒸汽短时间内在矸石山内部形成巨大的 压强，然后在矸石山比较薄弱的地方冲击矸石山表 层部分，从而导致物理爆炸．所以，矸石山既可能发 生化学爆炸，也可能发生物理爆炸． 3 实验模拟 由于煤矸石山自燃进程很慢，在现场验证降雨 是否对自燃煤矸石山的爆炸有影响、影响程度有多 大的实验研究不仅需要时间较长，且经费高，实验 条件也难以精确控制．为此，建立了一个小型的模 拟实验装置并采用外部加热法来加速试样的燃烧 反应速度．这样就减小了实验规模，缩短了实验周 期．用计算机控制实验过程并进行相关数据采集． 煤矸石堆自燃爆炸实验台如图2 所示，煤矸石 堆为圆锥体，其底半径为8 5c m ，安息角为4 5 。，在 煤矸石堆的下部颗粒相对较大，往上颗粒逐渐变 小，并在堆放过程中对煤矸石进行分层压实．煤矸 石堆周围是边长为1 1 0c m 的六棱柱墙体，高为 1 2 0c m ，墙体的厚度为1 1c m 耐高温砖块，四周砌 有空气流动孔．墙体的作用是保护煤矸石爆炸时对 人的伤害及对周围环境的破坏，同时由于煤矸石量 较小，它可有效地控制周围气流对煤矸石的影响． 测试系统由加热源控制系统、压力测试系统、 温度测试系统、烟气成分及浓度采集系统、动态数 据采集分析系统等组成．煤矸石堆中央埋放电阻加 热丝，煤矸石堆正上部安置一个水淋喷头，高度根 据喷头的喷淋范围而定，用于模拟自燃煤矸石山与 水发生的物理、化学作用及可能发生爆炸的机理． 实验中的喷水量用如下方法确定，根据国家气 象部门规定的降水量标准，计算出模拟实验所要达 到暴雨标准的喷水量，本实验所需的喷水流量约为 6 ．3 6X1 0 3 c m 3 ／h ，即1 7 ．6m L ／s ．水喷淋系统包括 压缩机、水箱、控制阀、水喷淋喷头． 实验中将1 个压强探头置于矸石堆上空，压力 探头的测量范围为0 ～1M P a ，距煤矸石堆表面的 距离为1 5c m ．当煤矸石堆达到一定的自燃程度 后，开始喷水．图3 是实验过程中所测得的压力随 时间的变化关系． 山 芒 畏 出 时间／h 图3矸石堆上空1 5e m 处压力与时间的关系 F i g ．3 P r e s s u r ei n t e n s i t ya b o v eg a n g u eh e a p1 5c mV St i m e 万方数据 第4 期 余明高等降雨量对自燃矸石山爆炸的影响分析 从图3 可以看出，矸石堆上空压力随时间加速 增大，直到达到2 7 5 ．7k P a 时矸石堆发生爆炸．开 始时没有喷水，矸石堆上空的压强是大气压强．当 矸石堆被加热到一定程度时开始对其进行喷水，保 持对矸石堆加热．喷淋水一旦进入高温燃烧区就会 汽化成水蒸汽，部分水蒸汽会沿着矸石堆表面的裂 缝溢出，随着对矸石堆的继续加热，矸石堆内部的 高温燃烧区在逐渐增多、变大，矸石堆内部的温度 逐渐升高，渗入的水分会在矸石堆内部形成高温高 压的水蒸汽，单位时间从矸石堆溢出的水蒸汽会增 多，矸石堆上空的压力呈现加速度增大．一旦矸石 堆的裂缝来不及释放大量高温高压的水蒸汽时，就 会产生爆炸现象． 4结论 1 大气降雨通过径流进入煤矸石山内部的高 温燃烧区内，由于水的汽化作用在煤矸石山的高温 区内产生大量的高温高压水蒸汽是煤矸石山发生 爆炸的物理诱因． 2 小雨情形时，低温 T 12 0 0K 下，C O ，H 2 ，C H 。等易燃混 合气体所占比例之和在1 ．3 ％～2 5 ％之间，仍然存 在爆炸极限，煤矸石山的爆炸主要属于化学爆炸． 3 大雨情形时，低温 T 12 0 0K 下，大量雨水遇到高温煤 矸石汽化生成的高温高压水蒸汽会引发物理爆炸． 4 爆炸模拟实验中，矸石堆上方1 5c m 处压 力随时间加速度上升，当压力达到2 7 5 ．7k P a 时爆 炸．表明降雨能够导致自燃煤矸石山爆炸，并且影 响程度很大．所以，一定要做好降雨季节的矸石山 防爆工作，即时预测、即时疏散工作人员和附近居 民、即时转移重要设备和财产，尽量降低矸石山爆 炸所造成的损失． 参考文献 [ 1 1 李海珍，姜有．煤矸石的综合利用[ J 1 ．煤炭技术． 1 9 9 9 ，1 8 5 2 5 2 6 ． L IH a i z h e n ，J I A N GY o u ．A p p l i c a t i o no fr e f u s e [ J 1 ． C o a lT e c h n o l o g y ，1 9 9 9 ，1 8 5 2 5 2 6 ． [ 2 ] 胡振琪，张光灿，魏忠义，等．煤矸石山的植物种群生 长及其对土壤理化特性的影响[ J ] ．中国矿业大学学 报，2 0 0 3 ，3 2 5 4 9 1 4 9 5 ． H UZ h e n - q i ，Z H A N GG u a n g c a n ，W E IZ h o n g y i ，e t a 1 ．V e g e t a t i o ng r o w t ha n di t se f f e c tons o i lp h y s i c a l a n dc h e m i c a lp r o p e r t i e si nc o a lw a s t ep i l e s [ - J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y 。 2 0 0 3 ，3 2 5 4 9 1 - 4 9 5 ． [ 3 1 刘相国，刘红雨，谢海金．煤矸石山爆炸与预防E J ] ．煤 矿环境保护，1 9 9 4 ，8 2 2 9 3 0 ． L I UX i a n g g u o ，L I UH o n g y u ，X I EH a i ji n ．E x p l o s i o no fc o a lw a s t ep i l e sa n dp r e v e n t i o n [ J ] ．E n e r g y E n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o n ，1 9 9 4 ，8 2 2 9 3 0 ． [ 4 3 张振文，宋志，李阿红．煤矿矸石山白燃机理及影响 因素分析[ J ] ．黑龙江科技学院学报，2 0 0 1 ，1 1 2 1 2 1 4 ． Z H A N GZ h e n w e n ，S O N GZ h i ，L IA - h o n g ．A n a l y s i so fg a n g u eh i l l s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n a n di t sa f f e c t i n gf a c t o r s [ 刀．J o u r n a lo fH e i l o n g j i a n gI n s t i t u t e o fS c i e n c e T e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，1 1 2 1 2 - 1 4 ． [ 5 ] 楼顺天，于卫，闫华梁．M 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