煤矸石山自燃深度测算方法研究与应用.pdf

第3 7 卷第4 期中国矿业大学学报V 0 1 ．3 7N o ．4 2 0 0 8 年7 月 J o u m 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 yJ u l ．2 0 0 8 煤矸石山自燃深度测算方法研究与应用 盛耀彬，汪云甲，束立勇 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要分析了煤矸石山自燃深度的测算方法，提出了通过求解煤矸石山内部产热、散热平衡方程 来解算煤矸石山自燃深度．研究了煤矸石山内部散热量、产热量的计算方法以及参数取值方法， 利用综合导热系数计算矸石山内部散热量，通过折算系数用煤的放热量折算矸石山的内部产热 量．通过红外热成像仪采集煤矸石山表面温度数据，使用该方法对某矿自燃煤矸石山的自燃深度 进行了测算，误差为1 5c m ．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． 关键词煤矸石山；自燃深度；测算方法；热平衡 中图分类号T D7 5 ．1 ；T D7 6 文献标识码A文章编号1 0 0 0 一1 9 6 4 2 0 0 8 0 4 0 5 4 5 一0 5 I n v e s t i g a t i o no faM e t h o df o rC a l c u l a t i n gt h e S p o n t a n e o u sC o m b u s t i o n aM i n eR o c kD u m pa n dI t s D e p t ho f A p p l i c a t i o n S H E N GY a o - b i n ，W A N GY u n - j i a ，S H UL i y o n g S c h o o lo fE n v i r o n m e n ta n dS p a t i a l1 n f o r m a t i c s ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i 面n g T e c h n 0 1 0 9 y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep r o b l e mo fh o wt oc a l c u l a t et h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nd e p t h ，b a s e do nas t u d y o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nar o c kd u m p ，w a sc o n s i d e r e da n dw ep r o p o s et oa n s w e rt h eq u e s t i o nb yc a l c u l a t i n gt h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nd e p t hf r o ma na n a l y s i s o ft h eb a l a n c ee q u a t i o no fh e a tg e n e r a t i o na n dd i s s i p a t i o ni nt h er o c kd u m p ． T h eq u e s t i o no f h o wt oc a l c u l a t et h ea m o u n to fh e a tg e n e r a t e da n dd i s s i p a t e di nt h er o c kd u m pw a si n V e s t i g a t e d ，b a s e do np h y s i c a la n de n v i r o n m e n t a lc r i t e r i aa n dw es u g g e s tt oc a l c u l a t e t h ea m o u n to f h e a t ，g e n e r a t e db yt h ew a s t er o c ko fam i n e ，b yt h ec o n v e r s i o no fc o a l ． W ea l s od i s c u s sh o wt o c a l c u l a t et h ec o n v e r s i o nm o d u l u s ．B ys u r v e y i n gt h es u r f a c et e m p e r a t u r eo ft h er o c kd u m pw i t h at h e r m o g r a p h ，w ec a l c u l a t e dt h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nd e p t ho fac o m b u s t i o nm i n er o c k d u m p ，u s i n gt h i sm e t h o d ． T h ee r r o rw a s15c m ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h i sm e t h o di ss u i t a b l e a n di t sp r e c i s i o nm e e t st h en e e d sf o rm o n i t o r i n g ，p r e v e n t i n ga n dc u r i n gt h ew o r ko fas p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nr o c kd u m p ． K e yw o I ．d s m i n er o c kd u m p ；s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nd e p t h ；c a l c u l a t i n gm e t h o d ；h e a tb a l a n c e 据不完全统计，目前全国历年累计堆放的煤矸 石约4 5 亿t ，而且堆积量每年还以1 ．5 ～2 ．o 亿t 的速度增加，其中规模较大的矸石山有16 0 0 多 座，占用土地约1 ．5 万h m 2 [ 卜引，这些煤矸石常年经 收稿日期2 0 0 7 一0 6 1 8 基金项目国家自然科学基金重点项目 5 0 5 3 4 0 5 0 ；全国百篇优秀博士论文专项资金项目 2 0 0 3 4 8 作者简介盛耀彬 1 9 8 3 一 ，男，江苏省泰州市人，博十研究生，从事“3 S ”技术及其应用方面的研究． E - 珊i l 8 h e n g y a o b i n 1 2 6 ．c o m 1 H 1 3 8 1 4 4 4 8 8 3 9 万方数据 5 4 6 中国矿业大学学报第3 7 卷 风吹日晒，雨水冲刷，风化分解产生大量粉尘、酸性 水和携带有重金属的离子水，这些不但会破坏当地 的生态环境、恶化居民的生存条件，而且会污染大 气、地表和地下水源[ 3 J ．特别是自燃煤矸石山，占矸 石山总量的3 0 ％以上L 4 ’6 j ，它不仅产生大量有毒有 害气体，而且容易频发矸石山坍塌、喷爆甚至爆炸 事故，酿成重大的人员伤亡和经济损失．如2 0 0 5 年 5 月，平煤集团四矿矸石山先后发生两次自燃爆炸 灾害事故，共造成8 人遇难，1 2 3 人受伤，其中6 人 伤势严重，经济损失逾千万． 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2 0 世纪 9 0 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口] ，煤 矸石山自燃引起的问题在相当一段时问内将长期 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 煤矸石山自燃深度测算方法 1 ．1 自燃煤矸石山的热平衡 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[ 6 。．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问物质组成不同，自 燃性质也不同．正因为煤矸石山之问的差异性及其 物质组成在空问分布上的不规律性，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． 图1自燃煤矸石山温度分布模型 F i g ．1T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n gm o d e lo f s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nc o a lg a n g u e 1 ．2 矸石山内部向表面传热与表面向空气散热 平衡 从矸石山表面向空气中散热量记为Q l ，则 Q l g ￡f 一九 ， 1 式中g 为对流给热系数；￡，为矸石山表面温度；￡。 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 Q 2 ，则1 r L Q z lA 。 屯一z f ／z d z ， J 0 ￡z 一岛 z ￡。。一￡f ／L ． 即 r L Q ≥一JA 。 f 。，一￡f ／L d 2 一A 。 ￡。，一￡f ， 2 J 0 式中．I 。为综合导热系数；￡。。为自燃层最高温度； ￡；为矸石山内部各层的温度；L 为自燃深度． 由式 1 ， 2 可得￡。。一g ￡f 一瓦 ／A 。 轧 1 ．3 矸石山内部产热与散热平衡 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Ⅲ，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 万方数据 第4 期盛耀彬等煤矸石山自燃深度测算方法研究与应用 5 4 7 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Q 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 厂L Q 3 一IK Q d z ． 3 J 0 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K o ．，含 碳量修正K c ，则折算系数K K D K kK c ． 当Q ， Q 2 一Q 3 ，即可得矸石山表面温度￡r 、大 气环境温度￡。、对流给热系数g 、综合导热系数A 。 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I J J 的 自燃深度以及煤矸石山内部自燃层最高温度． 2 参数的确定及自燃深度的解算 2 ．1 矸石山内部向表面传热与矸石山表面向空 气散热相关参数确定 由于影响煤矸石山综合导热系数 A 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 是在对多孑L 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 ．5 5 W ／ m ℃ ，而一般绝热材料的综合导热系数在 0 ．0 3W ／ 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 ．0 5 ， 0 ．3 5 ，1 ．8 6 ，2 ．3 3W ／ 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 ．1 8 6 ～0 ．5 7W ／ m ℃ ，炉渣为O ．2 4 4 W ／ m ℃ ，陶粒为0 ．1 5 1 ～0 ．4 0 7W ／ m ℃ ， 绝热材料蛭石为O ．0 5 2 ～0 ．0 7W ／ 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 o ．8 4W ／ m ℃ ．自然界常见风速为1 ．5 ～2 ．O m ／s ，所以对流给热系数为2 0 ．2 ～2 1 ．5 3 W ／ m ℃ ． 2 ．2 矸石山内部产热量计算方法 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g 一口 6 T n ，6 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． 表1 温度与煤放热强度系数关系 T a b I e1R e I a “o 璐b e t w e e nt e m p e r a t u 他a n d m o d u I u so fc o a J ’sh e a tg e n e r a t i n gi n t e I I s i t y 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 ． 表2煤样粒径与耗氧量关系 T a b l e2R e l a t i o 琳b e t w e e nc o a l ’sg r a n u l a r i t ya n d i t ’so x y g e nc 0 I I s u m i n gq u a n t i t y 粒径／m m 丽面而f 菘高器占篱斋瓦丽 7 ～1 02 0 ．72 0 ．82 0 ．71 9 ．5 3 ～51 9 ．61 9 ．71 7 ．31 6 ．5 1 ～32 0 ．02 0 ．21 7 ．21 4 ．8 7 乏薯藏’4 慨，掘s坻，忱， ≤0 ．41 6 ．51 7 ．5 1 6 ．9 1 3 ．2 从表2 可以看出，煤的粒径从≤0 ．4m m 上升 到7 ～1 0m m ，4 个煤样耗氧速率分别降低4 ．2 1 ， 3 ．3 9 ，3 ．8 4 ，6 ．3 3 ，平均值的倒数得到颗粒修正系数 K s 一0 ．2 2 5 ． 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 ％～1 0 ％以上，氧气含量对 矸石氧化放热强度影响呈线性关系． 万方数据 5 4 8 中国矿业大学学报第3 7 卷 9 3 ．0 2 一q 3 ，o 伊／铷， 式中妒为矸石山内部氧气的体积分数，％；铷为大 气中氧气的体积分数，％；g 。．。为在大气中实测的 放热强度，W ／m 3 ． 即氧气含量修正K 仉 ∥铷． 矸石山从表层氧气体积分数为2 3 ％到自燃层 降到5 ．5 ％，是线性变化的，因此，含氧量修正 K o 。一0 ．2 3 0 ．1 7 5 z ／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 一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 蛳石一哗掣， 即含碳量修正 K c 1 一A 矸石 ／ 1 一A 煤样 ． 5 所研究的矸石山矿井矸石的灰分在8 4 ％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7 8 ％左右．上述试验 的煤样，干燥基灰分为2 3 ％．因此，矿井矸石含碳 量修正K 。一0 ．2 0 8 ，洗选矸石的含碳量修正K 。一 O ．2 8 6 ． 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￡r 变化到临界温度f 。。，则z 点的温度为 乞 f f ￡。。，一￡f 2 ／L ． 6 因此，矸石山内部所产热量总和为 Q 3 一lK c K D K k n 幻； d z K c K D O ．2 3 一O ．1 7 5 2 ／L 口 统 d 2 一 r 。K c K D o ．2 3 一o ．1 7 5 z ／L 口l 6 1 ￡ d z r “。K c K D o ．2 3 一o ．1 7 5 z ／L 口2 6 2 ￡ 如 J2 8 0 [ K c K D o ．2 3 一o ．1 7 5 z ／L J 。1 1 0 口3 6 3 ￡。 ] d z ， 7 式中口1 ，6 l ，口2 ，6 2 ，口3 ，6 3 取值见表1 ； 8 0 一￡fA 。 8 0 z f 施。5 磊一i i j 了5 1 1 0 一曲A 。 1 1 0 一“ 铆1 02 磊一百百可。 2 ．3自燃深度的解算 通过联解Q 。 Q 2 一Q 3 可得 L g ￡f 一￡。 ／ K c K D 五 ， 8 足 是l 走2 一是3 一惫“ 式中愚l o ．2 3 [ z 1 一z 2 2 8 0 z 2 一z 3 z l l o z 3 ] ； 愚2 g ￡f 一￡。 [ 6 l 一6 2 2 孙 6 2 6 3 z } 1 0 6 3 ] ／ 6 ．0 6 A 。 ； 愚3 o ．0 8 7 5 [ z l z 2 2 i o z 2 一z 3 2 i l o z 3 ] ； 志4 一g z f 一￡。 [ 6 l 一6 2 2 ；。 6 2 6 3 z } 1 。 6 3 ] ／ 1 7 ．2 4 A 。 ； z 1 口l 6 l “；z 2 一口2 6 2 ￡f ；z 3 n 3 6 3 轧 从式 8 中可以看出，只要测量煤矸石山自燃 处表面温度、大气环境温度，计算对流给热系数、综 合导热系数、折算系数以及煤矸石生产矿井生产煤 的放热强度参数，即可求得煤矸石山的自燃深度． ，3 试验验证 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4 1 ．5 ℃，室外 温度为1 6 ℃． 图2矸石山红外热像 F i g ．2T h e m o - i m a g eo fc o a lg a n g u e 矸石山由洗选矸石堆积而成，则含碳量修正 K 。一0 ．2 8 6 ，计算得该处自燃深度为2 ．8 5m ，通过 钻孔测温可得该处自燃深度为3m ，误差为0 ．1 5 m ．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 结论 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 万方数据 第4 期 盛耀彬等煤矸石山自燃深度测算方法研究与应用5 4 9 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 A 。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L 8 ] ，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 以使用对应的煤放热强度进行折算．如果能够准确 测量煤矸石的放热强度，也能进一步提高煤矸石山 自燃深度计算结果的精度． 3 文中对煤氧化放热强度用三段线形关系来 描述，并不是所有的煤矸石山对应的煤的氧化放热 强度都可以套用这个规律，以实测的数据为准． ．4 该方法计算的煤矸石山自燃最高温度结果 偏大，与现场实测结果有一定误差，与对流给热系 数的精度有关． 参考文献 [ 1 ] 赵铁锤．在煤矿矸石山灾害防范与治理工作专家研． 讨会上的讲话[ E B ／o l 。] ． 2 0 0 5 一0 9 一0 9 [ 2 0 0 7 5 7 ] ． h t t p ／／w w w ．．c h i n a s a f e t y ．g o v ．c n ／2 0 0 5 一0 9 ／0 9 ／c o n t e n L l 3 4 0 1 5 ．h t m ． 刘迪．煤矸石的环境危害及综合利用研究[ J ] ．气 象与环境学报，2 0 0 6 ，2 2 3 6 0 一6 2 ． L 1 UD i ．R e s e a r c ho ne n v i r o n m e n t a le f f e c ta n dc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fc o a l w a s t er o c k s [ J ] ．J o 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