煤堆自然发火的试验研究

　第26卷第2期

　2001年4月煤　　炭　　学　　报J OURNAL OF CHINA COAL SOCIET Y Vol. 26　No. 2　Apr. 　2001　　　文章编号:0253-9993(2001) 02-0168-04

煤堆自然发火的试验研究

张瑞新, 谢和平

(中国矿业大学北京校区, 北京　100083)

摘　要:针对地面煤体自燃的原因和特点, 进行了煤堆自然发火的模拟试验, 根据实验结果论述了煤体自热与自燃进程、温度场等的变化特征. 实验研究发现:露天自然煤堆受环境因素影响较大; 煤堆内部与表面温度的变化是一个动态的逆向过程, 煤体的温升和延燃主要是向上; 同一点的温度随时间呈幂指数规律变化, 同一时刻不同部位的温度随其距热源的距离呈负指数规律变化.

关键词:煤堆; 煤自燃; 试验研究; 自燃进程

中图分类号:TD75212　　　文献标识码:A

　　露天矿开采的煤层以及矿山、电厂、码头、. 已处于碎裂状态堆积的煤, , [1,2]. 煤自燃不仅烧毁宝贵的煤炭资源, , . 因此, 地面煤体, . 地面煤体一旦发生自燃, 由于其具有规模大、发展快、, . 鉴于现行的煤体自燃防治技术的局限性, 通, , 尤其是地面煤体自燃的预测预报技术已成为当. 为此, 笔者进行了露天自然环境下煤堆自然发火过程的实际模拟, 通过实验测试的大量数据探讨了煤体在自燃进程中温度场的变化规律, 为进一步探索煤自燃的防治技术提供了重要的依据[3,4].

1　试验方案和系统

　　采用某露天煤矿采场的煤样进行煤堆自燃的实验研究. 该煤种是易自燃的高灰、高水分、低热值褐煤, 其主要煤质指标见表1.

表1　试验用煤的煤质指标

T able 1　Q u ality indexes of the experimental coal

M t /%M ad /%A d /%V daf /%S t ,d /%Q b ,ad /MJ ・kg -1Q gr ,daf /MJ ・kg -1C daf /%

73155H daf /%5116O daf /%[***********][***********]90

　　本试验旨在模拟煤堆的自燃进程及其温度场、CO 排放量等的变化规律. 因此, 煤堆试验在野外露天场地的煤堆和试验台进行. 在无加热源的状态下, 观测煤体温度与外界环境温度间的变化关系. 在试验台进行的是有加热源诱导下的煤堆自然发火实验. 试验台外形尺寸为115m ×115m ×115m (图1) , 除周围围墙外, 煤堆处于自然露风的状态. 测试系统主要由恒温控制系统、镍铬-镍硅温度传感器测温系统及CO 检测系统组成. 在煤堆内共布置了4组测线, 共28个测点[1]. 煤堆自然发火模拟试验在徐州南郊7～

收稿日期:2000-05-29

　　基金项目:教育部留学回国人员基金资助项目

第2期张瑞新等:煤堆自然发火的试验研究1699月份进行, 环境温度为1916～3118℃, 湿度为1912%～2318%.

煤堆的自燃模拟试验累计多于400h.

2　试验结果分析

211　煤体温度与环境温度间的关系

　　对自然状态下堆积的煤堆布置测点测试其内部温度与外界环境

温度间的关系, 观测结果如图2所示. 图中横坐标表示从22∶00到次

日8∶00的测试过程. 昼夜环境温度的变化引起煤堆温度的明显变

化:煤体内部与表面的温度场是一个逆向变化的过程, 即煤堆表面

温度随着环境温度的升高而升高, 随着环境温度的降低而降低; 而

煤堆内部温度恰好相反, 随着环境温度的升高而降低, 随着环境温

度的降低而升高. 当环境温度及表面温度达到峰值时, 煤体内部的温

度也达到低谷. 煤堆表面或内部温度在峰值状态时与环境温度差异

较大, 分别高于(或低于) 环境温度1倍左右.

　　由于试验未对风压、漏风条件等监测, 因此本

文仅对这一现象作出初步的解释. 当白天环境升温

时, 煤体表面吸热不断升温, 随着外界温度的变化

呈正比变化. 由于煤的不良导热性, 这部分热量难

以传到内部煤体, ,

水分受热升温后, 体大量的热, , 物理过程. , 、易

于漏风, . 当环境降温时, 表层

煤体温度也下降, 而其中水分蒸发逐渐减少, 内部

煤体吸收热量而开始升温, 最后处于相对恒温状态.

总之, 裸露在自然环境中的煤无论是表面, 还是内

部受环境温度的影响较大, 煤堆这种热量的动态交

换过程增加了煤体的漏风通道, 促进了煤的氧化反

应, 导致煤堆自热、自燃[5,6].

212　煤堆自燃进程及温度场的变化

　　通过在煤体内部的加热源动态加热煤体, 诱发

煤体自然发火, 进行煤堆自然发火过程的观测试验.

图3为U 组测线获得的煤体温升曲线. 其特点分析

如下:

(1) 试验煤体内部的温升主要是由煤体的导热、

煤体中的漏风对流及煤体自身氧化引起的. 随着加

热时间的延续, 煤体内部的热量逐步向外扩散, 温

度不断升高, 最后引起自燃. 在垂直测线U 上的温

升变化比其它测线上的温升变化明显, 说明煤体漏

风供氧通道是向上的, 主要温升方向在铅垂或垂直

于煤体表面的方向上.

(2) 当热源开始供热时, 临近热源的煤(测点图1　试验煤堆外形及测试线路布置Fig 11　Layout of the experimental coal stockpile and temperature measuring system 图2　煤堆温度与外界环境温度间的关系Fig 12　Relationship between the temperature in the coal stockpile and environmental temperature 1———煤体表面温度; 2———煤体内部(30～80cm ) 温度; 3———环境温度图3　煤堆U 组测点温度随时间的变化曲线Fig 13　Experimental curve of the temperature at the different position in the stockpile

U 1, U 2) 开始吸热不断升温, 煤体处于缓慢氧化过程中(U 1点温度在50℃前, 即图中A 点之前) ; 当U 1点温度升高到100℃, 即图中B 点之前时, 煤体内部升温加速, 从自热到自燃, CO 排放量增加, 测出CO 的体积百分数为010024%, 其它各点的温度随着时间的推移缓慢升高[7].

(3) 当热源温度升高到200℃时, 煤体内部氧化加速, 自燃扩展(图中C 点) , 煤的升温速度急剧加快, CO 排放量急剧增加, 体积百分数由0123%增至1125%; U 1, U 2点温度迅速增加(分别为200, 120℃左右) , 其它各个测点的温度值也迅速上升并达到70℃左右.

213　煤体内温度场的变化规律

　　以U 组13个测点的数据作出温度测点距热源距离在不同时刻的关系曲线(图4) , 经多元回归分析, 得煤体内温度θ随时间t 按照幂指数规律变化, 即

θ=39182477×11003436t ×e -01009134d ,

式中, t 为时间, h ; d 为测点与热源的间距, cm.

　　复相关系数为019103, 多元测定系数为018287, 标准差为01237

860.

图4　不同时刻煤体温度场与测点距离的关系曲线

Fig 14　Relationship between the temperature and the distance of measuring points in the stockpile at different moment

1～8———t =0, 48, 11215, 160, 232, 28115, 330, 375h

　　可见, 煤体内温度场的传播特点为:在同一测点上煤体在该测点的温度随时间的增加是按照指数规律增加的; 而在任一时刻, 煤体内部的温度随距离的变化则是按照负指数规律变化的. 这样, 在不同时刻, 可以预测煤体内不同点的温度变化, 对煤体自燃进程的监测具有较大的实用价值.

3　结　　论

(1) 煤堆的存在较为广泛, 其自燃现象也较为普遍, 成为主要环境污染源之一. 现有的对地面自然煤堆发火的研究和控制技术还十分有限, 积极开展相关地研究并探索地面煤体自燃的预测与防治技术, 具有较强的现实意义.

(2) 露天自然煤堆受环境因素影响较大. 煤堆内部与表面温度的变化是一个动态的逆向过程, 表面温度与环境温度呈正比, 内部温度却与环境温度成反比. 这主要与外界温度、煤体露风、水分等的变化相关.

(3) 煤体的温升和延燃方向主要是向上; 同一点的温度随时间呈幂指数规律变化, 同一时刻不同部位的温度随其距热源的距离呈负指数规律变化. 据此, 可以从微观上定量预测煤体内不同点的温度变化, 这对煤体自燃进程的监测具有较大的实用价值.

本文是依据露天采场褐煤样进行煤堆自燃试验的初步研究结果, 要有效地防治煤堆自燃尚需做进一步的试验与研究工作.

参考文献:

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Proceedings of the π99International Symposium on Mining Science and Technology , Beijing China [C ].Holland :A. A. BAL KEMA , 1999. 93～100.

[5]　李树刚, 徐精彩. 地面储煤堆自燃规律及测试方法[J].西安矿业学院学报, 1994, 14(4) :299～303.

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[7]　谢之康, 张瑞新, 鲍庆国, 等. 霍局南矿煤炭自燃监测指标气体的试验研究[J].露天采煤技术, 1995(3) :16～

18.

作者简介:

　　张瑞新(1964-) , 男, 内蒙古固阳人, 副教授, 工学博士, 1985年毕业于中国矿业大学采矿系, 现在中国矿业大学北京校区从事采矿工程、人工智能及计算机技术应用方面的博士后研究工作, 余篇.

Experimental of coal

to combustion

ZHAN G Rui 2xin , XIE He 2ping

(Beiji ng Cam pus , Chi na U niversity of Mi ni ng and Technology , Beiji ng 　100083, Chi na )

Abstract :Based on the causes and characteristics of spontaneous combustion of coal stockpiles , the simulation experiments of coal spontaneous combustion of a coal stockpile were conducted to study the processes of sponta 2neous heating and its associated temperature field and carbon monoxide. The study indicates that the external environment has significant impact on the occurrence of spontaneous heating of a coal stockpile. The change of inside and surface temperatures of the stockpile is of a dynamic reciprocal process , coal temperatures rises and heating are progressing upwards. The temperature 2time change for a point follows an exponential function , while at the same time temperatures at different positions follows reciprocal (negative ) exponential function in relation to its distance to the heating source.

K ey w ords :coal stockpile ; spontaneous combustion ; experimental study ; spontaneous process