馬 超,吳 憲*,董子文,齊慶杰,周新華,鄭 丹

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，阜新, 123000; 2．礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 阜新, 123000)

堆放參數(shù)對(duì)瑞安礦煤堆自燃風(fēng)速的影響

馬 超1,2,吳 憲1,2*,董子文1,2,齊慶杰1,2,周新華1,2,鄭 丹1,2

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，阜新, 123000; 2．礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 阜新, 123000)

為確定瑞安礦煤堆自燃的環(huán)境風(fēng)速，提高煤堆自燃的預(yù)判能力，使用COMSOL Multiphysics 5.0數(shù)值仿真軟件，開(kāi)展了5個(gè)不同尺寸分別在孔隙率0.2～0.6和環(huán)境風(fēng)速0.05 m/s～13 m/s條件下堆放180 d的自熱-自燃過(guò)程數(shù)值模擬。結(jié)果表明，煤堆自燃風(fēng)速范圍因孔隙率和堆放參數(shù)不同而異，孔隙率越小煤堆的自燃風(fēng)速范圍越寬，且最小、最易、最大自燃風(fēng)速與孔隙率之間具有冪函數(shù)關(guān)系；影響煤堆最小、最易、最大自燃風(fēng)速顯著的參數(shù)分別為頂寬、底寬、高度、角度和孔隙率、孔隙率、高度和孔隙率，并構(gòu)建了三個(gè)自燃風(fēng)速的合理解算方程。

煤堆；自燃；風(fēng)速；數(shù)值模擬；逐步回歸

0 引言

煤堆自熱可能導(dǎo)致自燃，是一個(gè)非常嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和安全問(wèn)題[1]，同時(shí)還會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題[2]。煤堆自燃受風(fēng)速和孔隙率等影響顯著，壓實(shí)是防治煤堆自燃的首選方法[3]；煤堆堆放條件中任何條件發(fā)生細(xì)微變化,都可能引起連鎖反應(yīng)，可能引起整個(gè)煤堆自燃進(jìn)程的顯著變化，如孔隙率、含水量、粒徑等[4]；同時(shí)實(shí)驗(yàn)研究表明環(huán)境條件也是影響煤堆自燃進(jìn)程較為顯著的因素，如風(fēng)速和環(huán)境溫度，因此煤堆自燃火災(zāi)的滅火工作難度較大，必須提前采取預(yù)防措施[5, 6]。這一觀點(diǎn)也得到了Alazmi和Vafai[7]、Hooman和Gurgenci[8]的證實(shí)，并提出環(huán)境風(fēng)速發(fā)生改變使得原有預(yù)防措施效果將受到限制；Ejlali[9]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了供風(fēng)量與煤堆最高溫度的關(guān)系，指出其他條件不變時(shí)，風(fēng)速對(duì)煤堆內(nèi)最高溫度的影響是顯著的，風(fēng)速較大和較小都不會(huì)出現(xiàn)高溫達(dá)到自燃溫度的現(xiàn)象，提出煤堆緩慢氧化并產(chǎn)生高溫現(xiàn)象需要一定的合適風(fēng)速范圍；Akguna和Essenhigh[10]自行開(kāi)發(fā)了煤堆自燃的二維瞬態(tài)數(shù)值仿真計(jì)算程序，對(duì)煤堆的尺寸、存放時(shí)間、粒徑分布以及孔隙率等進(jìn)行了模擬研究，上述因素在一定范圍內(nèi)都會(huì)顯著促進(jìn)煤堆自燃，都存在一個(gè)較易自燃區(qū)間或范圍；綜上所述，煤堆自燃發(fā)生和發(fā)展趨勢(shì)及進(jìn)程的顯著影響因素包括煤自身的性質(zhì)及其堆放尺寸參數(shù)及孔隙率、所處環(huán)境的風(fēng)速等[11-13]，因此開(kāi)展不同堆放尺寸、孔隙率及環(huán)境風(fēng)速條件下煤堆自燃研究對(duì)煤堆自燃預(yù)防具有重要意義。

本文擬采用COMSOLMultiphysics5.02D多物理場(chǎng)數(shù)值模擬軟件，建立5種不同堆放尺寸條件下孔隙率0.2～0.6，環(huán)境風(fēng)速0.05 m/～13 m/s時(shí)耦合了流場(chǎng)、濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多場(chǎng)的煤堆自燃瞬態(tài)數(shù)值模擬二維模型，開(kāi)展煤堆自燃進(jìn)程研究，以煤堆自然發(fā)火期為指標(biāo)進(jìn)行不同條件下的多元非線性逐步回歸構(gòu)建自燃風(fēng)速綜合計(jì)算方程，為煤堆自燃預(yù)判和防治提供科學(xué)規(guī)劃。

1 建模與計(jì)算

1.1 物理模型

如圖1，設(shè)置研究區(qū)域的高60 m,長(zhǎng)200 m，風(fēng)流方向?yàn)閳D1中左向右，右邊界為開(kāi)放出口，煤堆高度H，煤堆底部寬度為L(zhǎng)x，煤堆頂部寬度為L(zhǎng)s，煤堆角度a。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

表1 物理模型參數(shù)

Table 1 Parameters of physical model

編號(hào)Ls/mLx/mH/mTANa/°110.020.06.01.250.5212.024.09.01.045.038.018.07.51.558.845.015.04.50.938.856.012.05.41.864.5

1.2 邊界和初始條件

1.2.1 邊界條件

(1)自由和多孔介質(zhì)流動(dòng)

孔隙率n=0.2、0.3、0.4、0.5、0.6，平均粒徑dp=20 mm，滲透率(kp/m2·s-1)由平均粒徑和孔隙率共同決定，如式(1)：

kp=n3dp2/(150(1-n)2)

(1)

熱浮力，依據(jù)式(2)計(jì)算：

(2)

其中h火為熱浮力，N·m-3，y為煤堆高，m。

如圖1，左側(cè)為風(fēng)流入口，右側(cè)出口，入口為風(fēng)速(Vin)邊界條件，出口為風(fēng)壓邊界條件。

(2)多孔介質(zhì)物質(zhì)傳遞與擴(kuò)散

氧氣擴(kuò)散系數(shù)(Do2/m2·s-1)依據(jù)文獻(xiàn)[14]根據(jù)式(4)進(jìn)行計(jì)算：

Do2=(0.8011n-0.1616)×

Do20×(T/T0)2/3×p0/p2

(4)

其中Do20為常溫下擴(kuò)散系數(shù)，3.5×10-5，m2·s-1；T0為初始溫度及環(huán)境溫度，K；P0為初始?xì)鈮?，Pa；P2為升溫后的實(shí)際氣壓，Pa。

煤堆頂部、迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡3邊為空氣中氧氣濃度邊界，9.375 mol·m-3，體積濃度為21%

(3)多孔介質(zhì)傳熱

煤的導(dǎo)熱系數(shù)(λT，J·m-1·K-1)隨溫度變化如式(6)：

λT=0.00063T+0.1107

(6)

煤堆頂部及兩坡面為煤堆與環(huán)境的交互界面，采用對(duì)流熱通量邊界控制條件，對(duì)流傳熱系數(shù)分別為4.1W/m2/K、1.51W/m2/K。

根據(jù)以上邊界條件下的設(shè)置可以發(fā)現(xiàn)3個(gè)物理場(chǎng)之間通過(guò)流場(chǎng)的風(fēng)壓和風(fēng)速、溫度場(chǎng)的溫度、濃度場(chǎng)的氧氣濃度進(jìn)行了有效耦合，將3個(gè)獨(dú)立物理場(chǎng)耦合成一個(gè)多場(chǎng)統(tǒng)一的整體，理論上具備了對(duì)煤堆自熱-自燃問(wèn)題開(kāi)展模擬的條件。

1.2.2 初始值

環(huán)境的相對(duì)濕度為75%，溫度為293K(20 ℃)，空氣密度1.25kg·m-3，煤堆初始水分3.5%，根據(jù)Fierro等[15]的研究水分含量3.5%時(shí)水分對(duì)自燃的影響可以不予重點(diǎn)考慮；煤中硫化亞鐵不是煤自燃的根本原因，但煤中硫含量增加能加速煤的氧化反應(yīng)速率，加速煤的自燃進(jìn)程，由于本文研究的煤堆是瑞安公司低硫褐煤，硫含量不足以顯著加速煤的自燃，所以同樣不考慮煤中硫化亞鐵的影響[16-20]；煤的密度1350kg/m3，煤的最短自然發(fā)火期為30d～45d，初始?xì)鈮簽?01325Pa。

1.3 網(wǎng)格劃分與計(jì)算

(1)網(wǎng)格劃分

為了提高計(jì)算精度，網(wǎng)格需要細(xì)化，本文采用流體力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總體網(wǎng)格控制，每個(gè)單元尺寸范圍為0.1m～0.01m，最大單元生成率1.08，曲折因子0.25，劃分后共計(jì)15個(gè)邊界、14個(gè)定點(diǎn)、7710個(gè)域單元、492個(gè)邊界單元。

(2)計(jì)算

由于孔隙率和風(fēng)速取值較多，為了節(jié)省計(jì)算資源采用參數(shù)化掃描方法進(jìn)行組合計(jì)算，步長(zhǎng)為1d，相對(duì)容差1e-6，非線性定?？刂谱枘嵋蜃?.9，終止方法為每步迭代最大次數(shù)5，并采用Anderson加速控制穩(wěn)定性，模擬煤堆堆放時(shí)間為180d。

1.4 模型驗(yàn)證

國(guó)電平莊能源股份有限公司瑞安煤礦由于滯銷(xiāo)等原因堆積儲(chǔ)存大量煤炭，本文以其中一個(gè)高約6m，長(zhǎng)30m，底部寬度20m，頂部寬10m，平均粒徑20mm的梯形煤堆為基礎(chǔ)開(kāi)展數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性驗(yàn)證，煤堆形狀如圖2；測(cè)點(diǎn)布置前分層取樣，采用密度法測(cè)定煤堆平均孔隙率為0.3。

如圖2a，以7.5m為間距取中間3個(gè)斷面為測(cè)試斷面，每個(gè)斷面布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)如圖2b，采用AD590溫度傳感器監(jiān)測(cè)煤堆溫度變化，監(jiān)測(cè)周期60d，監(jiān)測(cè)期內(nèi)平均環(huán)境溫度27 ℃，平均風(fēng)速2m/s，取3個(gè)斷面相同位置測(cè)點(diǎn)的平均值繪制曲線如圖3a所示，數(shù)值模擬建立與該測(cè)試煤堆相同的堆放規(guī)格及孔隙率模型進(jìn)行模擬，得到5個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度如圖3b所示。

圖2 測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Testing section and measure point

溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果圖3a顯示，隨堆放時(shí)間的延長(zhǎng)溫度總體呈升高趨勢(shì)，但環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)壓等因晝夜和季節(jié)性變化以及多次少量的降雨，導(dǎo)致其具有一定的波動(dòng)性；數(shù)值模擬結(jié)果如圖3b，其結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的變化趨勢(shì)一致，由于上述原因或因素未充分考慮導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果較為平滑，波動(dòng)性不強(qiáng)。

圖3 實(shí)測(cè)與模擬的煤堆溫度變化Fig.3 Measured and simulated temperatures

圖4 相對(duì)誤差Fig.4 Relative error

圖4為實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果的相對(duì)誤差，5個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均相對(duì)誤差分別為：3.9%、3.8%、3.9%、0.2%、4.7%；說(shuō)明相對(duì)誤差較低，能滿足在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，證明本文所建數(shù)值模型是合理的、可靠的。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 自燃風(fēng)速范圍及發(fā)火期

如圖5為1號(hào)煤堆孔隙率0.2～0.6時(shí)堆放180d條件下煤堆可以引起煤堆自燃的風(fēng)速及自然發(fā)火期。圖5中顯示，1號(hào)煤堆在孔隙率分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6時(shí)自燃風(fēng)速范圍分別為：0.9m/s～9.5m/s、0.4m/s～4m/s、0.25m/s～2m/s、0.15m/s～1m/s、0.1m/s～0.5m/s；最易自燃風(fēng)速分別為：4m/s、1.8m/s、0.8m/s、0.45m/s、0.25m/s；自然發(fā)火期為：43d～175d、44d～131d、49d～156d、48d～106d、48d～85d。孔隙率增加煤堆自燃風(fēng)速范圍逐漸降低，最小、最易、最大自燃風(fēng)速均降低，最短自然發(fā)火期基本不變，最長(zhǎng)發(fā)火期總體降低，孔隙率相同時(shí)煤堆自然發(fā)火期因周?chē)L(fēng)速變化差異較大。

圖5 1號(hào)煤堆自燃風(fēng)速及自然發(fā)火期Fig.5 Wind-velocity range and time of spontaneous combustion (Coal stockpile No. 1)

煤堆一定時(shí)，風(fēng)速較大條件下孔隙率越小越易自燃，如圖5中所示，降低煤堆的孔隙率煤堆的自燃風(fēng)速向右移動(dòng)，因此對(duì)于孔隙率較大煤堆進(jìn)行壓實(shí)會(huì)具有較好的防治煤堆自燃的作用，如孔隙率為0.2的煤堆自燃風(fēng)速范圍是0.9m/s～0.95m/s，而孔隙率為0.6、0.5的煤堆自燃風(fēng)速范圍分別為0.1m/s～0.5m/s、0.15m/s～1m/s，當(dāng)煤堆周?chē)L(fēng)速在原煤堆自燃風(fēng)速范圍內(nèi)，將孔隙率0.5～0.6煤堆壓實(shí)到孔隙率0.2時(shí)后煤堆一般不會(huì)發(fā)生自燃；孔隙率0.4的煤堆自燃風(fēng)速范圍為0.25m/s～2m/s，將孔隙率0.4的煤堆壓實(shí)到0.2，在周?chē)L(fēng)速小于0.9時(shí)可以保證該煤堆不發(fā)生自燃，風(fēng)速大于2m/s時(shí)原煤堆不發(fā)生自燃一般不需要進(jìn)行處理，風(fēng)速在0.9m/s～2m/s范圍內(nèi)是進(jìn)行壓實(shí)該煤堆仍舊會(huì)發(fā)生自燃，還存在加速自燃現(xiàn)象，因此在該風(fēng)速條件下不宜進(jìn)行煤堆壓實(shí)，應(yīng)當(dāng)采用其它措施進(jìn)行煤堆保護(hù)。

圖6 2號(hào)煤堆自燃風(fēng)速及自然發(fā)火期Fig.6 Wind-velocity range and time of spontaneous combustion (Coal stockpile No. 2)

2號(hào)煤堆在孔隙率0.2～0.6時(shí)自燃風(fēng)速及發(fā)火期如圖6所示。圖6中顯示2號(hào)煤堆在孔隙率0.2、0.3、0.4、0.5、0.6時(shí)的自燃風(fēng)速范圍分別為：0.5m/s～12m/s、0.2m/s～5m/s、0.15m/s～2.5m/s、0.1m/s～1.4m/s、0.05m/s～0.7m/s，最易自燃風(fēng)速為：3.5m/s、1.4m/s、1m/s、0.4m/s、0.35m/s；發(fā)火期分別為：38d～112d、38d～149d、37d～72d、37d～61d、36d～62d。與1號(hào)煤堆類似，孔隙率越小自燃風(fēng)速范圍越大，且最小自燃風(fēng)速、最易自燃風(fēng)速、最大自燃風(fēng)速因孔隙率增加而降低，其中最大自燃風(fēng)速較低最為顯著，孔隙率0.2時(shí)最大自燃風(fēng)速為12m/s，孔隙率為0.6時(shí)僅為0.7m/s。

如圖7為3號(hào)煤堆孔隙率0.2～0.6時(shí)堆放180d條件下煤堆可以引起煤堆自燃的風(fēng)速及自然發(fā)火期。圖7中顯示，3號(hào)煤堆在孔隙率分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6時(shí)自燃風(fēng)速范圍分別為：0.6m/s～8m/s、0.25m/s～3.5m/s、0.15m/s～1.8m/s、0.1m/s～0.9m/s、0.05m/s～0.5m/s；最易自燃風(fēng)速分別為：3m/s、1.4m/s、0.9m/s、0.45m/s、0.2m/s。圖7中顯示，孔隙率一定時(shí)，在其自燃風(fēng)速范圍內(nèi)3號(hào)煤堆自然發(fā)火期與1、2號(hào)煤堆具有類似的變化規(guī)律，風(fēng)速在最小自燃風(fēng)速條件下時(shí)煤堆的自然發(fā)火期最長(zhǎng)，風(fēng)速增加自然發(fā)火期快速降低到最短，此時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為最易自燃風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速大于最易自燃風(fēng)速并逐漸增大到最大自燃風(fēng)速過(guò)程中煤堆自然發(fā)火期逐漸延長(zhǎng)。

圖7 3號(hào)煤堆自燃風(fēng)速及自然發(fā)火期Fig.7 Wind-velocity range and time of spontaneous combustion (Coal stockpile No. 3)

對(duì)比3號(hào)與1號(hào)、2號(hào)煤堆，在孔隙率相同時(shí)不同煤堆之間的自然發(fā)火期明顯不同，其原因主要在于煤堆的堆放規(guī)格參數(shù)存在較大差異，因此研究煤堆的自燃風(fēng)速及等問(wèn)題時(shí)必須充分考慮煤堆堆放的規(guī)格參數(shù)等因素。研究過(guò)程中由于4號(hào)煤堆的角度、高度、頂部寬度最小，且底部寬度也相對(duì)較小導(dǎo)致其在180d內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，因此不對(duì)其進(jìn)行贅述。

與1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)煤堆類似，5號(hào)煤堆孔隙率不同時(shí)自燃風(fēng)速范圍亦不同，孔隙率越小自燃風(fēng)速范圍越寬，且最小、最易、最大自燃風(fēng)速因孔隙率增加而降低，如圖8所示，孔隙率為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6時(shí)自然發(fā)火期分別為：0.6m/s～9m/s、0.25m/s～4m/s、0.1m/s～2m/s、0.05m/s～1m/s、0.05m/s～0.5m/s，最易自燃風(fēng)速分別為：3.5m/s、1.4m/s、0.7m/s、0.4m/s、0.2m/s；自然發(fā)火期分別為：40d～99d、40d～104d、40d～156d、39d～134d、39d～63d。因孔隙率不同煤堆的最短自然發(fā)火期差異不大，但最長(zhǎng)自然發(fā)火期差異較大，且孔隙率增加煤堆最長(zhǎng)自然發(fā)火期先增后降。

圖8 5號(hào)煤堆自燃風(fēng)速及自然發(fā)火期Fig.8 Wind-elocity range and time of spontaneous combustion (Coal stockpile No. 5)

綜上所述，煤堆能否在一定風(fēng)速條件下發(fā)生自燃，是由其堆放的規(guī)格尺寸及孔隙率等不同而決定的，在不考慮煤堆粒徑和活性變化的情況下，本文中的4號(hào)煤堆由于角度較小，頂?shù)撞繉挾容^小，高度較小等原因綜合決定其在堆放180d時(shí)不會(huì)發(fā)生自燃，而1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)煤堆均能夠發(fā)生自燃；煤堆堆放規(guī)格尺寸不同在孔隙率相同的條件下煤堆自燃風(fēng)速范圍和發(fā)火期不同；同一煤堆孔隙率不同自燃風(fēng)速范圍也存在較大差別；能發(fā)生自燃的煤堆，孔隙率越大其自燃風(fēng)速范圍越窄，且引起自燃的最小、最易、最大自燃風(fēng)速越小。

2.2 最小、最易、最大自燃風(fēng)速

以上研究了不同堆放規(guī)格尺寸煤堆在不同孔隙率條件下的自燃風(fēng)速范圍及自然發(fā)火期，煤堆的自燃風(fēng)速范圍是由最小自燃風(fēng)速和最大自燃風(fēng)速共同決定的，在自燃風(fēng)速范圍內(nèi)還有一個(gè)特征風(fēng)速即最易自燃風(fēng)速，在該風(fēng)速條件下煤堆的自然發(fā)火期最短，以下將對(duì)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)4個(gè)可自燃煤堆的最小、最易、最大自燃風(fēng)速進(jìn)行研究。

圖9為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)煤堆的最小(Vmin)、最易(Vy)、最大(Vmax)自燃風(fēng)速，圖9中顯示，孔隙率增加，煤堆的最小、最易、最大自燃風(fēng)速都呈冪函數(shù)降低，如式(7)。

Vi=ajn-bj

(7)

式中：Vi為特征風(fēng)速，包括Vmin、Vy、Vmax

2.3 自燃風(fēng)速方程構(gòu)建

由于煤堆堆放參數(shù)主要涉及煤堆的角度、高度、頂部寬度、底部寬度等，綜合考慮堆放參數(shù)和孔隙率時(shí)共計(jì)需要研究5個(gè)變量對(duì)煤堆最小、最易、最大自燃風(fēng)速的影響，一般回歸方法很難建立以上方程，因此考慮采用逐步回歸法進(jìn)行方程構(gòu)建。

假設(shè)(xα1,xα2,…xαp;yα)，α=1,2,…,n是變量(x1,x2,…xp;y)的一組觀測(cè)數(shù)據(jù)值，觀測(cè)值“標(biāo)準(zhǔn)化”變換過(guò)程中將y視為xm統(tǒng)一處理：

(8)

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化完成之后根據(jù)最小二乘原理，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的因變量進(jìn)行三次方處理并以此為變量開(kāi)展逐步回歸，進(jìn)行綜合控制方程的構(gòu)造，各變量標(biāo)準(zhǔn)化方式如式(9)～式(16)。

Zn=(n-0.4)/0.033287

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

圖9 1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)煤堆最小、最易、最大自燃風(fēng)速隨孔隙率變化Fig.9 Variation of the Vmin、Vy、Vmax with porosity in 1,2,3,5 coal stockpile

在SPSS中開(kāi)展逐步回歸分析，最小(Vmin)、最易(Vy)、最大(Vmax)自燃風(fēng)速分別結(jié)果7、3、5步回歸即可建立回歸系數(shù)分別為：0.987、0.971、0.991，方程構(gòu)造合理，建立如式(17)、式(18)、式(19)得計(jì)算方程。

ZVmin=1.323-0.014Zn3+0.107Zn2-

0.193ZLsZLx+0.288ZH-0.895Zn+

0.028ZLsZLxZn-0.032ZHZn(R2=0.987)

(17)

ZVy=-1.925-0.53Zn+0.107Zn2-

0.012Zn3(R2=0.971)

(18)

ZVmax=-1.949-0.544Zn+0.108Zn2+

0.159ZH-0.034ZHZn-0.011Zn3(R2=0.991)

(19)

式(17)～式(19)顯示，煤堆的孔隙率，頂部寬度、底部寬度以及高度等均對(duì)最小自燃風(fēng)速具有影響，對(duì)最易自燃風(fēng)速影響的關(guān)鍵因素為煤堆的孔隙率，堆放參數(shù)對(duì)其影響不顯著，而最大自燃風(fēng)速的關(guān)鍵影響因素為煤堆的孔隙率和高度，其它參數(shù)影響不重要。由于本文模擬所建立的物理模型為等腰梯形，其頂、底部寬及高度等一定時(shí)煤堆的角度也是確定的，因此可以認(rèn)為影響最小自燃風(fēng)速的關(guān)鍵因素還包括角度。

為了檢驗(yàn)構(gòu)建的最小、最易、最大自燃風(fēng)速方程的可靠性，將表1數(shù)據(jù)代入式(17)～式(19)，結(jié)合不同孔隙率，得到表2中的方程求解結(jié)果t-Vmin、t-Vy、t-Vmax，表中Vmin、Vy、Vmax為數(shù)值模擬結(jié)果。表2顯示，方程求解結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近，根據(jù)表2，最小、最易、最大自燃風(fēng)速的平均相對(duì)誤差分別為-2.1%、3.6%、1.8%，說(shuō)明方程構(gòu)建合理，對(duì)3種特征風(fēng)速的求解較為準(zhǔn)確，能滿足工程實(shí)踐的需要。

表2 結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

(1)隨風(fēng)速增加煤堆的自然發(fā)火期具有“降低-最短-延長(zhǎng)”的規(guī)律。

(2)堆放參數(shù)一定時(shí)，孔隙率越小煤堆的自燃風(fēng)速范圍越寬，且最小、最易、最大自燃風(fēng)速越大，煤堆的最小、最易、最大自燃風(fēng)速隨孔隙率呈冪函數(shù)下降。4個(gè)發(fā)生自燃的瑞安礦煤堆在孔隙率為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6時(shí)的最小自燃風(fēng)速一般為：0.5 m/s～0.9 m/s、0.25 m/s～0.4 m/s、0.1 m/s～0.25 m/s、0.05 m/s～0.1 m/s、0.05 m/s～0.1 m/s范圍內(nèi)，最大自燃風(fēng)速分別為：8 m/s～12 m/s、3.5 m/s～5 m/s、1.8 m/s～2.5 m/s、1～1.4 m/s、0.5 m/s～0.7 m/s，最易自燃自燃風(fēng)速分別為：3 m/s～4 m/s、1.4 m/s～1.8 m/s、0.7 m/s～1 m/s、0.4 m/s～0.45 m/s、0.2 m/s～0.35 m/s。

(3)建立了關(guān)于孔隙率、頂寬、底寬、高度、角度的能滿足工程實(shí)踐的需要煤堆最小、最易、最大自燃風(fēng)速計(jì)算方程。

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Effects of heap parameters on wind-velocity of spontaneous combustion in Rui An mine coal stockpiles

MA Chao1,2, WU Xian1,2, DONG Ziwen1,2, QI Qingjie1,2, ZHOU Xinhua1,2, ZHEN Dan1,2

(1. College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China; 2. Key Laboratory of Mine Thermodynamic Disaster& Control of Ministry of Education, Fuxin 123000,China)

In order to elucidate the ambient wind-velocity of spontaneous combustion of RUI AN mine coal stockpile, numerical simulations were carried out by COMSOLMultiphysics 5.0 to study the self-heating and spontaneous combustion phenomena, for 5 stack dimensions coal stockpile under the porosity of 0.2～0.6 and wind velocity of 0.05～13 m/s. The numerical simulated time was 180 d. The results show that, the wind velocity of spontaneous combustion varies with the porosity and heap parameters. The smaller the porosity, the wider the wind-velocity range. The smallest, most easily, largest wind-velocities of spontaneous combustion have a power function relation with porosity. Roof and bottom width, height, angle, and porosity are the key parameters which influence the smallest wind-velocity of spontaneous combustion. Porosity significantly influences the most easily wind-velocity of spontaneous combustion. The key parameters which influence the largest wind-velocity of spontaneous combustion are height and porosity of coal stockpile. Integrated computation equations of the wind velocity of coal stockpile spontaneous combustion have been established.

Coal stockpile; Spontaneous combustion; Wind-velocity; Numerical simulation; Stepwise regression

2016-08-15；修改日期：2016-09-12

國(guó)家自然基金(51274113)；遼寧省教育廳一般項(xiàng)目(L2015221，L2012122)

馬超(1981-)，男，漢族，遼寧凌源人，博士研究生，主要從事礦井火災(zāi)防治方向研究。

吳憲，E-mal：1316859454@qq.com

1004-5309(2017)-00114-08

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.02.08

X932

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