环境温度影响下自燃煤矸石山热管降温技术研究.pdf
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1、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.
2、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
3、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 g
4、angue 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 th
5、e 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 zon
6、es 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 intern
7、al 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.
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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(
15、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
16、,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
17、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
18、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
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