煤石山自燃深度的測算

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前中國每年共有45億噸煤炭，年產(chǎn)量每年增加1.5.20億元。其中，大型公墓1600多座，占地面積約1.5萬公頃。這些碎石全年經(jīng)風(fēng)和陽光干燥，雨水被清除，風(fēng)化分解產(chǎn)生大量顆有分水的粉末、堿性水和重金屬離子水，這不僅破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，而且破壞了居民的生活條件。它污染了大氣、地表和地下水的源，尤其是碎石本身。它不僅產(chǎn)生了大量的有毒有害氣體，而且容易發(fā)生沼氣爆炸。這不僅造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。例如，2005年5月，平煤礦四礦四礦的碎石發(fā)生了兩次自發(fā)爆炸事故，造成8人死亡，123人受傷，其中6人受傷，造成1.5萬人受傷。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強,煤矸石山引發(fā)的社會環(huán)境等問題已經(jīng)成為煤炭企業(yè)長期面臨的棘手問題.雖然解決煤矸石山特別是自燃煤矸石山引起的一系列問題的根本出路在于提高煤矸石的綜合利用率,但應(yīng)該認識到,目前煤矸石綜合利用技術(shù)及裝備水平達到國際20世紀90年代先進水平的比例還不高,一些技術(shù)含量較高的煤矸石綜合利用技術(shù)還未得到廣泛應(yīng)用,煤矸石山自燃引起的問題在相當(dāng)一段時間內(nèi)將長期存在.因此,煤矸石山自燃的防治相當(dāng)重要,掌握煤矸石山自燃深度的測算方法,對煤矸石山自燃災(zāi)害的預(yù)防和治理有著重要的意義.1石山隧道開采方法1.1煤石山枯枝的模擬表達煤矸石山由性質(zhì)極不均勻的煤矸石堆積而成,是一種孔隙分布極不均勻的特殊的多孔床.不同的煤矸石山,由于排矸方式、堆積方式、煤矸石成分、所處自然環(huán)境等方面的差異,自燃發(fā)生部位、自燃持續(xù)時間和自燃程度等千差萬別.就單個具體的煤矸石山而言,一個矸石山可能有幾個部位同時發(fā)生自燃,發(fā)生自燃處的局部空間物質(zhì)組成不同,自燃性質(zhì)也不同.正因為煤矸石山之間的差異性及其物質(zhì)組成在空間分布上的不規(guī)律性,所以用一個通用模型來描述或模擬煤矸石山自燃的產(chǎn)生和發(fā)展是很困難的.雖然很難用一個通用模型來描述或模擬煤矸石山自燃的產(chǎn)生和發(fā)展,但通過對自燃煤矸石山進行分析可以發(fā)現(xiàn),煤矸石山自燃部位(如圖1)的熱量傳輸都滿足兩個平衡條件:1)矸石山內(nèi)部向矸石山表面的傳熱量和矸石山表面向空氣中的散熱量相等;2)矸石山內(nèi)部產(chǎn)熱量和矸石山內(nèi)部向矸石山表面的傳熱量相等.通過對兩個熱量傳輸平衡條件建立方程進行聯(lián)合求解,就能夠解算出自燃矸石山的自燃深度.1.2綜合導(dǎo)熱系數(shù)的確定從矸石山表面向空氣中散熱量記為Q1,則Q1=g(tf-ta),(1)Q1=g(tf?ta),(1)式中:g為對流給熱系數(shù);tf為矸石山表面溫度;ta為大氣環(huán)境溫度.從矸石山內(nèi)部向矸石山表面?zhèn)魉蜔崃坑洖镼2,則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為綜合導(dǎo)熱系數(shù);tmax為自燃層最高溫度;tz為矸石山內(nèi)部各層的溫度;L為自燃深度.由式(1),(2)可得:tmax=g(tf-ta)/λe+tf.1.3煤石產(chǎn)熱相關(guān)數(shù)據(jù)的分析矸石山內(nèi)部向矸石山表面散熱量由式(2)計算.煤矸石山內(nèi)部產(chǎn)熱量的計算是自燃深度測算的關(guān)鍵和難點,煤矸石產(chǎn)熱量的計算涉及矸石氧化反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)、不同深度矸石層的溫度和氧氣濃度、單位體積矸石在大氣正常氧氣含量中不同溫度下的放熱速率等參數(shù).但是對現(xiàn)有的研究成果和文獻資料進行研究和分析可以發(fā)現(xiàn),雖然有煤矸石總發(fā)熱量測定方法的研究,但并沒有煤矸石放熱強度隨氧氣濃度、溫度變化的測定方法相關(guān)研究,因此,只有采用大型煤堆進行的煤自燃模擬試驗得到的數(shù)據(jù),通過給定修正系數(shù)來折算煤矸石產(chǎn)熱相關(guān)數(shù)據(jù).需要指出的是,因為煤自燃放熱強度是在煤自然堆放條件下實測得到的,和煤矸石自燃條件類似,因此,測試值有可借鑒的價值.用煤自燃的放熱強度來折算煤矸石的放熱強度,需假設(shè)煤矸石自燃期間氧化放熱反應(yīng),主要是煤矸石中殘余煤炭和碳質(zhì)巖起作用,且其氧化反應(yīng)放熱規(guī)律與煤的基本相同.單位體積煤矸石放熱強度計算方法:1)獲取單位體積煤炭在不同溫度下的氧化產(chǎn)熱強度以及該放熱強度與煤樣平均粒度的關(guān)系,計算與矸石相同溫度、相同平均粒度的煤炭的放熱強度;2)根據(jù)煤矸石中固定碳含量與煤炭中固定碳含量的比例,折算煤矸石的放熱強度.假設(shè)煤炭在與煤矸石相同環(huán)境下(相同氧氣程度、相同溫度、相同平均粒度)的放熱量為Qz(與z相關(guān)的函數(shù)),煤矸石放熱強度與煤炭放熱強度的折算系數(shù)為K,則煤矸石山內(nèi)部的放熱量為Q3=∫L0ΚQzdz.(3)Q3=∫L0KQzdz.(3)折算系數(shù)K與煤矸石的粒度、煤矸石的碳含量、煤矸石山內(nèi)部的氧氣含量有關(guān).每個影響因素對煤矸石放熱強度的影響程度都可以折算成一個系數(shù),即顆粒修正系數(shù)KD,氧氣含量修正KO2,含碳量修正KC,則折算系數(shù)K=KDKO2KC.當(dāng)Q1=Q2=Q3,即可得矸石山表面溫度tf、大氣環(huán)境溫度ta、對流給熱系數(shù)g、綜合導(dǎo)熱系數(shù)λe和折算系數(shù)K與自燃深度L的關(guān)系式,只要測量矸石山表面溫度、大氣環(huán)境溫度,計算對流給熱系數(shù)、綜合導(dǎo)熱系數(shù)、折算系數(shù),即可求得煤矸石山的自燃深度以及煤矸石山內(nèi)部自燃層最高溫度.2參數(shù)的確定和自殺深度的解算方法2.1煤石山的綜合導(dǎo)熱系數(shù)由于影響煤矸石山綜合導(dǎo)熱系數(shù)(λ)的因素有煤矸石堆孔隙率、含濕量、氣流流速和煤矸石的化學(xué)組成、各礦物成分導(dǎo)熱性能等,因此,測算煤矸石山的綜合導(dǎo)熱系數(shù)只能用有效當(dāng)量法.有效當(dāng)量法是在對多孔物體傳熱機理進行分析的基礎(chǔ)上,將實際多孔物質(zhì)復(fù)雜傳熱問題折算成為一般固體材料的相當(dāng)導(dǎo)熱問題.實際上把多孔物質(zhì)看成是一般的無孔固體,該固體的導(dǎo)熱系數(shù)卻是把所有導(dǎo)熱機制折算而形成的,只是最后的結(jié)果與實際相同,并不追究內(nèi)部實際機制.各類非金屬物質(zhì)的綜合導(dǎo)熱系數(shù)存在很大差別,潮濕黏土的綜合導(dǎo)熱系數(shù)約為2.55W/(m·℃),而一般絕熱材料的綜合導(dǎo)熱系數(shù)在0.03W/(m·℃).可以和矸石類比的除了灰質(zhì)頁巖外,還有干燥沙質(zhì)黏土、干燥沙土、中等潮濕沙土和潮濕沙土等,它們的綜合導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.05,0.35,1.86,2.33W/(m·℃).如果矸石自燃后,形成過火矸石,其性質(zhì)和粉煤灰、煅燒陶粒、煅燒蛭石相似,綜合導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低.粉煤灰的綜合導(dǎo)熱系數(shù)為0.186～0.57W/(m·℃),爐渣為0.244W/(m·℃),陶粒為0.151～0.407W/(m·℃),絕熱材料蛭石為0.052～0.07W/(m·℃).煤矸石山自燃處的煤矸石比較干燥,其數(shù)值大約與灰質(zhì)巖的導(dǎo)熱系數(shù)相接近,即為0.84W/(m·℃).自然界常見風(fēng)速為1.5～2.0m/s,所以對流給熱系數(shù)為20.2～21.53W/(m·℃).2.2含量、放熱強度煤矸石氧化放熱強度由煤矸石生產(chǎn)礦井生產(chǎn)的煤的氧化放熱強度來折算.結(jié)合實際,我們參考了所研究的煤矸石生產(chǎn)礦井出產(chǎn)的煤的放熱強度和溫度關(guān)系,采用回歸分析得到了溫度和放熱強度之間的一元線性回歸方程,基本上可分為3段線性關(guān)系:q=a+bT(a,b取值見表1).其它礦井的煤氧化放熱規(guī)律與該煤的氧化放熱規(guī)律可能不一樣,計算時以實驗所得的數(shù)據(jù)為準.1)粒徑修正.由于煤或煤矸石與氧氣的反應(yīng)屬于氣固反應(yīng),煤堆或煤矸石堆與氧氣的反應(yīng)速度和參與反應(yīng)的表面積成正比關(guān)系,顆粒越小,氧氣消耗速率和放熱強度越大.用不同粒徑的煤做實驗,得出了煤樣粒徑與耗氧速率的關(guān)系(如表2).從表2可以看出,煤的粒徑從≤0.4mm上升到7～10mm,4個煤樣耗氧速率分別降低4.21,3.39,3.84,6.33,平均值的倒數(shù)得到顆粒修正系數(shù)KS=0.225.2)氧氣含量修正.由于自燃(達到臨界溫度)初始階段還是化學(xué)動力學(xué)控制,自燃發(fā)生層孔隙中氧氣的體積分數(shù)在5.5%～10%以上,氧氣含量對矸石氧化放熱強度影響呈線性關(guān)系.q3,Ο2=q3,0φ/φ0,q3,O2=q3,0φ/φ0,式中:φ為矸石山內(nèi)部氧氣的體積分數(shù),%;φ0為大氣中氧氣的體積分數(shù),%;q3,0為在大氣中實測的放熱強度,W/m3.即氧氣含量修正KO2=φ/φ0.矸石山從表層氧氣體積分數(shù)為23%到自燃層降到5.5%,是線性變化的,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.單位體積物料單位時間氧化反應(yīng)放熱量,和體積內(nèi)的參與氧化反應(yīng)的可燃物質(zhì)量成正比.干燥基灰分代表物質(zhì)的惰性成分,矸石灰分為A矸石,(1-A矸石)代表含碳量(可燃物),試驗煤樣灰分為A煤樣.根據(jù)上述假設(shè),矸石的放熱強度可以從煤樣放熱強度推出,即q3矸石=q3煤樣(1-A矸石)1-A煤樣,即含碳量修正ΚC=(1-A矸石)/(1-A煤樣).(5)所研究的矸石山礦井矸石的灰分在84%左右,洗選矸石情況相對復(fù)雜,一般灰分要低于礦井矸石,原煤可選性差時灰分在78%左右.上述試驗的煤樣,干燥基灰分為23%.因此,礦井矸石含碳量修正KC=0.208,洗選矸石的含碳量修正KC=0.286.根據(jù)溫度線性分布假設(shè),自燃點深度為L時內(nèi)部溫度從表面溫度tf變化到臨界溫度tmax,則z點的溫度為tz=tf+(tmax-tf)z/L.(6)因此,矸石山內(nèi)部所產(chǎn)熱量總和為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取值見表1;z80=80-tftmax-tf=λe(80-tf)g(tf-ta);z110=110-tftmax-tf=λe(110-tf)g(tf-ta).2.3自殺深度的解算器通過聯(lián)解Q1=Q2=Q3可得L=g(tf-ta)/(ΚCΚDk),(8)k=k1+k2-k3-k4,3煤石山自流式反應(yīng)器通過試驗來驗證該計算方法的可用性和計算結(jié)果的精度.與傳統(tǒng)的熱電偶測量溫度相比,紅外熱成像儀測溫具有測溫精度高、響應(yīng)時間短、非接觸等優(yōu)點,在試驗中,使用紅外熱成像儀采集與前面所取參數(shù)對應(yīng)的自燃煤矸石山的表面溫度(如圖2所示),矸石山自燃處表面溫度為41.5℃,室外溫度為16℃.矸石山由洗選矸石堆積而成,則含碳量修正KC=0.286,計算得該處自燃深度為2.85m,通過鉆孔測溫可得該處自燃深度為3m,誤差為0.15m.說明該計算方法是可靠的,計算結(jié)果可以用于指導(dǎo)煤矸石山自燃防治工作.4幾種方法的對比研究煤礦矸石山是我國排放量及積存量最大的工業(yè)廢棄物,在占用大量土地的同時還破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境.尤其是自燃煤矸石山,不僅產(chǎn)生大量有毒有害氣體,而且容易發(fā)生坍塌、噴爆甚至爆炸事故,釀成重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失.為有效的治理煤矸石山自燃,如何測算煤矸石山自燃深度是個值得研究的問題.本文在分析了自燃煤矸石山產(chǎn)熱、散熱平衡的基礎(chǔ)上,通過求解煤矸石山內(nèi)部產(chǎn)熱、散熱平衡方程解算煤矸石山自燃深度.該方法將自燃煤矸石山內(nèi)部產(chǎn)熱、散熱的影響因素用相關(guān)系數(shù)替換,概念清晰,應(yīng)用簡單.使用該方法對某礦自燃煤矸石山的自燃深度進行了測算,結(jié)果表明:用該方法測算煤矸石山自燃深度是可行的,測算結(jié)果的精度可以滿足煤矸石山自燃監(jiān)測及防治的需要.對于該計算方法的使用,還須注意以下4點:1)λe為煤矸石山內(nèi)部的綜合導(dǎo)熱系數(shù),除了文中參考經(jīng)驗值的方法之外,還可以采用拉依哈曼——采金方法、振幅法和相位法,結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行計算,將進一步提高自燃深度計算結(jié)果的精度.2)在矸石山內(nèi)部煤矸石放熱強度計算過程中,由于沒有準確測量煤矸石放熱強度的方法,所