劉國(guó)忠

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

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碾壓遮蓋煤堆氧化升溫規(guī)律研究

劉國(guó)忠

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

通過(guò)對(duì)碾壓覆蓋煤堆露天自然環(huán)境下氧化升溫過(guò)程的試驗(yàn)測(cè)試，得出了煤堆氧化進(jìn)程中內(nèi)部不同區(qū)域的升溫規(guī)律，為煤堆翻燒預(yù)警、熱值損耗分析以及自燃防治技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

煤堆 碾壓遮蓋 氧化升溫 升溫規(guī)律 水分

日常實(shí)踐表明，將煤堆碾壓，然后用篷布遮蓋存放是防止煤自燃、減少煤熱值損耗的經(jīng)濟(jì)有效手段。通過(guò)對(duì)碾壓覆蓋煤堆露天自然環(huán)境下氧化升溫過(guò)程的試驗(yàn)測(cè)試，探討了煤堆氧化進(jìn)程中內(nèi)部不同區(qū)域的升溫規(guī)律，為煤堆翻燒預(yù)警、熱值損耗分析以及自燃防治技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 煤堆自燃影響因素分析

煤自燃是一個(gè)極其復(fù)雜的物理、化學(xué)作用過(guò)程。煤氧復(fù)合作用假說(shuō)認(rèn)為煤自燃的主要原因是煤與氧氣之間的物理、化學(xué)復(fù)合作用的結(jié)果，即煤對(duì)氧的物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致煤的自燃。在不同階段不同的作用分別占據(jù)主導(dǎo)地位。物理吸附作用在極低溫度下便可發(fā)生，其產(chǎn)熱對(duì)煤自燃的初始氧化升溫起著重要的推動(dòng)作用。當(dāng)溫度繼續(xù)上升時(shí)，化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，放熱量增大，氧化升溫速度加快。

煤自燃實(shí)質(zhì)是煤體氧化放熱和向環(huán)境散熱這對(duì)矛盾運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。當(dāng)煤氧化放熱量大于向環(huán)境的散熱量時(shí)，煤體熱量得以積聚，溫度升高，最終導(dǎo)致自燃。煤體自燃不但與煤種、煤巖結(jié)構(gòu)、煤中礦物質(zhì)等內(nèi)在氧化放熱特性有關(guān)，還與煤體空隙率、氧濃度、漏風(fēng)強(qiáng)度、煤體厚度、環(huán)境溫濕度、煤的粒度、水分含量等有關(guān)。煤自燃是內(nèi)外因素的有機(jī)結(jié)合，在實(shí)際條件下，煤體自燃是上述諸多因素相互作用的結(jié)果。針對(duì)特定碾壓遮蓋煤堆而言，經(jīng)過(guò)碾壓后內(nèi)部空隙率大大減小，遮蓋篷布后與外界有著良好的阻隔，極大地減小了漏風(fēng)供氧，抑制了煤堆內(nèi)外部的熱傳導(dǎo)和水分交換，因此，碾壓煤堆受外部環(huán)境因素影響相對(duì)較小。

2 碾壓覆蓋煤堆現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

在某個(gè)儲(chǔ)煤場(chǎng)選取生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際規(guī)模的碾壓遮蓋煤堆進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。存煤過(guò)程中在煤堆四周不同方位預(yù)埋熱電阻進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)定得到不同位置點(diǎn)溫度大小以及隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)溫度的考察分析煤堆升溫進(jìn)程的推動(dòng)因素。試驗(yàn)煤樣為高揮發(fā)分、較低灰分的煙煤，煤中的水分為3.13%，灰份為16.93%，揮發(fā)份為35.38%。

現(xiàn)場(chǎng)選取煤堆如圖1所示，煤堆處于自然環(huán)境狀態(tài)下，尺寸為26 m×136 m×8 m。煤堆經(jīng)過(guò)多層壓實(shí)，成型后篷布覆蓋。試驗(yàn)設(shè)備主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和鉑電阻測(cè)溫元件組成。在煤堆腰線(xiàn)垂高約2 m位置布置6組測(cè)場(chǎng)，每組3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別深入煤堆內(nèi)部1 m、3 m、5 m位置，共18個(gè)測(cè)點(diǎn)，布點(diǎn)平面示意圖和實(shí)景圖分別如圖2和圖3所示，測(cè)點(diǎn)布置完畢后用篷布覆蓋煤堆。試驗(yàn)從2015年2月份開(kāi)始，12月份結(jié)束。試驗(yàn)期間，2-7月份溫度和降雨量同步上升，現(xiàn)場(chǎng)最高溫度和最大降雨量均出現(xiàn)于7、8月份，最高溫度為30℃，最大月降雨量為300 mm，8月份之后溫度和降雨量又同步下降。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)煤堆堆放情況

圖2 煤堆布點(diǎn)平面示意圖

圖3 煤堆布點(diǎn)實(shí)景圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 煤堆氧化升溫進(jìn)程分析

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共采集數(shù)據(jù)近10萬(wàn)個(gè)。根據(jù)試驗(yàn)得到的結(jié)果，剔除異常值后，以存煤日期為橫坐標(biāo)，以溫度為縱坐標(biāo)在直角坐標(biāo)系中描點(diǎn)觀察煤體溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。由測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線(xiàn)知，各組測(cè)點(diǎn)升溫曲線(xiàn)變化近乎保持一致，出現(xiàn)最高溫度的時(shí)間點(diǎn)同步，本文分別選取第6組、第4組兩組有代表性測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖4所示，圖中A、B、C分別為埋深1 m、3 m、5 m位置測(cè)點(diǎn)。由圖4可知：

圖4 煤堆不同埋深測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

(1)煤堆經(jīng)過(guò)了重車(chē)的碾壓，邊坡進(jìn)行了拍壓，煤體內(nèi)部空隙率大大減少，堆煤成型后又進(jìn)行了篷布覆蓋，與外界環(huán)境有著良好的阻隔，極大地減小了漏風(fēng)供氧，抑制了煤堆同外部環(huán)境的熱濕交換，同時(shí)也減小了光照的輻射作用。因此，碾壓煤堆整體受外部環(huán)境因素影響相對(duì)較小。

(2)同一層位腰線(xiàn)不同埋深測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)和頂部不同垂直深度的測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致。

(3)前期B、C兩點(diǎn)升溫速率較大，煤堆溫度持續(xù)上升至8月上旬，約180 d后C點(diǎn)溫度先達(dá)到存煤周期溫度最大值40℃，又歷經(jīng)約20 d后B點(diǎn)溫度達(dá)到最大值40℃。隨后，B、C測(cè)點(diǎn)煤堆溫度值開(kāi)始下降，下降趨勢(shì)和測(cè)點(diǎn)的埋深存在一定的相關(guān)性，C點(diǎn)下降速度明顯大于B點(diǎn)，而淺表A點(diǎn)溫度在存煤周期內(nèi)保持緩慢上升趨勢(shì)。

(4)堆煤初始外界環(huán)境溫度為4.2～11.5℃，煤堆起始溫度值約為12℃，略微高于環(huán)境溫度，原因?yàn)槎衙哼^(guò)程中有少量降雨導(dǎo)致煤體產(chǎn)生潤(rùn)濕熱引起溫度上升。

3.2 煤堆氧化升溫規(guī)律

根據(jù)煤堆氧化進(jìn)程的分析，總結(jié)得出碾壓遮蓋煤堆氧化升溫規(guī)律。

(1)從碾壓遮蓋煤堆升溫進(jìn)程來(lái)看，各測(cè)點(diǎn)均處于40℃以下，根據(jù)煤氧復(fù)合反應(yīng)過(guò)程判斷，煤未發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，主要的煤氧復(fù)合作用為物理吸附，伴有少量化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)。

(2)初期儲(chǔ)運(yùn)期間未加篷布，由于降雨產(chǎn)生的潤(rùn)濕熱使得煤體的溫度有了一定程度的上升；后期加蓋了篷布，雨水不能浸入煤體，對(duì)煤體的溫度沒(méi)有大的影響。

(3)煤堆升溫的必要條件為內(nèi)部空隙持續(xù)供應(yīng)一定濃度的氧氣，具有良好的蓄熱環(huán)境。存煤過(guò)程中，煤體獲得氧氣的途徑主要為擴(kuò)散流動(dòng)，因煤堆的密實(shí)性較好，在煤氧復(fù)合的不斷作用下，進(jìn)入煤堆內(nèi)部的氧氣存在濃度梯度，越深入煤堆內(nèi)部，氧氣含量越低。5 m處C點(diǎn)相較3 m處B點(diǎn)有更好的蓄熱環(huán)境，表現(xiàn)為存煤前期升溫速率較大，溫度值較高。隨著氧化反應(yīng)進(jìn)程的不斷發(fā)生，煤體溫度不斷升高，煤體粒度減小，表面積不斷增大，煤的吸氧和耗氧量增大，A、B、C 3點(diǎn)形成需氧的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，表現(xiàn)為深部測(cè)點(diǎn)溫度迅速下降。A點(diǎn)由于靠近煤堆表面，散熱條件較好，升溫比較平緩，同時(shí)獲得氧氣能力最強(qiáng)，溫度衰減最慢。

(4)隨著煤升溫高，水分蒸發(fā)造成內(nèi)部蒸汽壓變大，從煤堆內(nèi)部向外傳質(zhì)傳熱，抑制了氧氣的傳輸作用，延緩了煤溫的上升，同時(shí)煤堆淺表溫度相對(duì)較低，一部分水蒸氣冷凝于淺表煤體和篷布之上形成少量潤(rùn)濕熱和汽化潛熱，對(duì)煤溫的降低進(jìn)行少量的補(bǔ)償。試驗(yàn)期間選取煤堆淺表不同時(shí)間點(diǎn)煤樣進(jìn)行水分含量分析，作出碾壓煤堆淺表水分含量隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖如圖5所示。由圖5可知，水分含量隨時(shí)間的推移而不斷增大，由此也驗(yàn)證了煤堆內(nèi)部水分傳質(zhì)傳熱的過(guò)程。

圖5 碾壓煤堆淺表水分含量隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖

綜上所述，碾壓煤堆升溫為多因素相互作用的結(jié)果，是產(chǎn)熱和散熱不斷平衡的產(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn)碾壓遮蓋煤堆深部煤體受氧濃度限制不易自燃，淺表煤體1～3 m受外界環(huán)境干擾相對(duì)較大，較易產(chǎn)生自燃現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)碾壓遮蓋煤堆進(jìn)行了熱電阻布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)得出了煤堆的氧化升溫規(guī)律。

(2)經(jīng)過(guò)充分碾壓、篷布覆蓋后的煤堆具有良好的隔氧能力，能顯著地抑制煤體的氧化進(jìn)程，防止煤自燃的發(fā)生。

(3)考察煤堆不同測(cè)點(diǎn)均顯示出以40℃為反應(yīng)拐點(diǎn)，40℃以后碾壓煤堆由于良好的密實(shí)性，加之內(nèi)部水分蒸發(fā)作用，使得煤堆獲得外界氧氣能力持續(xù)減弱，難以向化學(xué)吸附、化學(xué)反應(yīng)快速升溫階段轉(zhuǎn)變，由此溫度逐步降低。

(4)水分在煤堆氧化升溫進(jìn)程中表現(xiàn)出了重要的作用，既有抑制作用又有促進(jìn)作用。在初始階段，不同煤堆由于水分的潤(rùn)濕放熱作用，使得煤堆起始溫度值較高；在存煤期間，又由于水分蒸發(fā)造成內(nèi)部蒸汽壓變大，抑制了內(nèi)部煤體獲得氧氣的能力。

(5)通過(guò)本次研究表明，碾壓遮蓋煤堆1～3 m深度的煤體更易自燃，隨著深度的增加，雖然蓄熱環(huán)境好，但供氧量較??；隨著溫度的升高，水分蒸發(fā)，溫度逐步回落，降溫速率較大，深部煤體升溫具有自限性；而淺表煤體與外界環(huán)境接觸相對(duì)較好，供氧較為充足，易于向快速氧化階段轉(zhuǎn)變。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Study on rolling-over coal dumping oxidation heating laws

Liu Guozhong

(China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Shapingba, Chongqing 400037, China)

The testing experiment for rolling-over coal dumping oxidation heating process under open natural environment indicated the temperature increasing laws of different zones inside coal dumping during oxidation process, providing scientific basis for coal dumping turn-over burning warning, heat value loss analysis and spontaneous combustion prevention technology.

coal dumping, rolling-over compaction, oxidation heating, temperature increasing laws, water content

劉國(guó)忠.碾壓遮蓋煤堆氧化升溫規(guī)律研究[J].中國(guó)煤炭，2017，43(3)：116-119. Liu Guozhong.Study on rolling-over coal dumping oxidation heating laws[J].China Coal，2017，43(3)：116-119.

TD75

A

劉國(guó)忠(1982-)，山東青州人，助理研究員，碩士，2008年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，主要從事煤自燃防治技術(shù)研究。