一种风速变化条件下防治煤堆自燃的方法

摘要

本发明提供一种风速变化条件下防治煤堆自燃的方法，包括：建立不适宜压实煤堆的最低风速方程，用来描述不适宜压实煤堆的最低风速与孔隙率间幂函数关系；根据当前煤堆的孔隙率确定其对应的不适宜压实煤堆的最低风速；若不适宜压实煤堆的最低风速高于煤堆所在环境当前风速，则进行压实煤堆，防治煤堆自燃；否则，不适宜压实煤堆。通过计算可以得到不同堆放尺寸及不同孔隙率煤堆在不同风速条件下的温度变化规律，本发明方法既可以预测煤堆的温度变化规律和发火期长短，也可以为压实防治煤堆自燃技术的现场实施提供科学指导，可以杜绝在环境实时风速不适宜进行压实技术的实施情况下盲目进行煤堆压实，避免由于盲目压实促进或加剧煤堆自燃现象的发生。

说明书

技术领域

本发明涉及防治煤堆自燃技术领域，具体涉及一种风速变化条件下防治煤堆自燃的方法。

背景技术

煤堆自热可能导致自燃，是一个非常严重的经济和安全问题，同时还会带来严重的环境 污染问题。目前常用的防治煤堆自燃的方法有细煤覆盖、风障和挡风墙、毡布覆盖、煤堆压 实、水煤灰浆覆盖或掺混等，肖辉等开发了一种可以在煤堆表面形成坚硬固化层，阻隔煤氧 充分复合的高聚物阻化剂，近来邓军等提出了采用热棒技术加速煤堆降温的方法。工程实践 中使用最多且成本较低是煤堆压实技术，但是煤堆压实技术在现场应用时存在着高风速条件 下越压实越易自燃的问题，因此需要对不同风速条件下不同孔隙率煤堆进行自热-自燃研究， 探索煤堆压实技术的适用性，为煤堆自燃防治提供理论依据。

煤堆自燃问题一直备受国内外学术和工程界广泛关注和重视，开展了一系列研究工作。 国内徐精彩等认为煤堆压实是防治煤堆自燃的首选方法；董希琳等认为任何可以影响煤堆自 热-自燃的参数发生微小的变化都会导致煤堆内部系统发生较大的非连续性变化，引起煤堆的 不安全；张瑞新、谢和平、谢之康通过试验证明煤堆自燃受环境影响较大，应该以优先预防 为主。国外方面，Alazmi,B.和Hooman,K.认为风流对煤堆的影响由自然对流转变成混合对流 之后会发展成强制对流，因此，煤堆自燃必须充分考虑风速的变化；F.Akguna等建立了煤堆 自热自燃的二维非稳态计算模型，充分研究了煤堆高度和堆放时间、角度、粒径孔隙率等对 煤堆自热自燃的影响，认为孔隙率0.15～0.2时由于透气性等降低煤堆自热升温较慢；Ejlali 在多风速条件下开展了煤堆自燃研究，认为进风量是影响煤堆最高温度变化较为显著的因素； A.Ejlali等认为孔隙率是影响煤堆内部自热-自燃和最高温度变化的关键参数，并提出煤堆压 实也不一定能一直发挥保护煤堆的作用。综上所述，煤堆自燃过程受影响因素较多，除煤质 外影响较为显著的就是风速和孔隙率等，目前关于不同孔隙率煤堆自燃风速范围研究和不同 风速条件下煤堆压实适用范围的研究鲜见报道，因此有必要开展这方面的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风速变化条件下防治煤堆自燃的方法。

本发明的技术方案是：

一种风速变化条件下防治煤堆自燃的方法，包括以下步骤：

步骤1、建立不适宜压实煤堆的最低风速方程，用来描述不适宜压实煤堆的最低风速与 孔隙率间幂函数关系；

步骤1.1、确定在不同孔隙率和不同风速条件下煤堆堆放所能达到的最高温度；

步骤1.2、确定煤堆在不同孔隙率条件下的自燃风速范围和发火期；

步骤1.3、判断在同一风速条件下大孔隙率下煤堆堆放所能达到的最高温度是否高于小孔 隙率下煤堆堆放所能达到的最高温度，是，则当前风速适宜进行压实煤堆，否则，当前风速 不适宜进行压实煤堆；

步骤1.4、判断在同一风速条件下大孔隙率下煤堆堆放时间内的发火期是否小于小孔隙率 下煤堆堆放时间内的发火期或者在堆放时间内不发生自燃，是，则当前风速适宜进行压实煤 堆，否则，当前风速不适宜进行压实煤堆；

步骤1.5、取步骤1.3、步骤1.4中不适宜进行压实煤堆的风速中的较小值为安全值，并 将其确定为不适宜压实煤堆的最低风速；

步骤1.6、根据不适宜压实煤堆的最低风速及其对应孔隙率，建立不适宜压实煤堆的最低 风速方程,用来描述不适宜压实煤堆的最低风速与孔隙率间幂函数关系；

步骤2、根据当前煤堆的孔隙率确定其对应的不适宜压实煤堆的最低风速；

步骤3、若不适宜压实煤堆的最低风速高于煤堆所在环境当前风速，则进行压实煤堆， 防治煤堆自燃；否则，不适宜压实煤堆。

有益效果：

通过计算可以得到不同堆放尺寸及不同孔隙率煤堆在不同风速条件下的温度变化规律， 可以确定不同条件下煤堆的自然发火期，对比大、小孔隙率煤堆的最高温度和发火期可以确 定采用煤堆压实技术防治煤堆自燃的适用风速范围，如果环境实时风速大于该适宜煤堆压实 的最低风速则不能单独采用压实进行煤堆自燃防治，如果环境风速低于该最低风速则可以进 行，该方法既可以预测煤堆的温度变化规律和发火期长短，也可以为压实防治煤堆自燃技术 的现场实施提供科学指导，可以杜绝在环境实时风速不适宜进行压实技术的实施情况下盲目 进行煤堆压实，避免由于盲目压实促进或加剧煤堆自燃现象的发生。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的研究区域示意图；

图2是本发明具体实施方式的1号煤堆所能达到的最高温度随孔隙率和风速变化规律；

图3是本发明具体实施方式的2号煤堆所能达到的最高温度随孔隙率和风速变化规律；

图4是本发明具体实施方式的3号煤堆所能达到的最高温度随孔隙率和风速变化规律；

图5是本发明具体实施方式的4号煤堆所能达到的最高温度随孔隙率和风速变化规律；

图6是本发明具体实施方式的5号煤堆所能达到的最高温度随孔隙率和风速变化规律；

图7是本发明具体实施方式的1号煤堆孔隙率0.3、0.4、0.5压实到孔隙率0.2时煤堆的 自然发火期随风速变化情况；

图8是本发明具体实施方式的2号煤堆孔隙率0.3、0.4、0.5、0.6压实到孔隙率0.2时煤 堆的自然发火期随风速变化情况；

图9是本发明具体实施方式的3号煤堆在原孔隙率0.3、0.4、0.5、0.6条件下进行压实到 孔隙率0.2时煤堆的自然发火期变化情况；

图10是本发明具体实施方式的5号煤堆在原孔隙率0.3、0.4、0.5、0.6条件下进行压实 到孔隙率0.2时煤堆的自然发火期变化；

图11是本发明具体实施方式的不同煤堆不同原始孔隙率下不适宜压实煤堆的最低风速；

图12是本发明具体实施方式的不适宜压实煤堆的最低风速；

图13是本发明具体实施方式的风速变化条件下防治煤堆自燃的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

本实施方式中采用COMSOLMultiphysics5.0数值仿真软件，以孔隙率为0.2～0.6的煤堆 为基础，建立风速为0.05～13m/s条件下耦合自由和多孔介质流动、多孔介质物质传递与扩散、 多孔介质传热这3个物理场相互耦合的数值仿真模型，开展不同孔隙率煤堆在不同风速条件 下的自热-自燃数值仿真实验，依据数值仿真结果分析煤堆不同孔隙率时的温度随风速变化和 不同孔隙率下的自燃风速范围变化规律，并通过对大孔隙率(>0.2)煤堆压实后温度与自然 发火期变化规律的分析，讨论煤堆压实适用性及影响因素，为煤堆压实防治自燃提供科学规 划。为提高煤堆压实防治自燃可行性的预判能力。

一种风速变化条件下防治煤堆自燃的方法，如图13所示，包括以下步骤：

步骤1、建立不适宜压实煤堆的最低风速方程，用来描述不适宜压实煤堆的最低风速与 孔隙率间幂函数关系；

本实施方式中，基于煤堆自燃理论使用COMSOLMultiphysics5.0数值仿真软件，建立煤 堆自燃模型，对5个不同堆放规格尺寸煤堆进行压实后温度变化和自然发火期变化进行分析， 从以上两个角度研究不适宜压实煤堆的最低风速，建立不适宜压实煤堆的最低风速方程。

根据A.Ejlali等人的研究，在数值仿真计算中只有研究区域足够大才能消除有限元计算的 影响，并提出总研究区域的高度为煤堆高度的4倍，长度为煤堆高度的10倍便可达到目的， 因此如图1所示，在研究区域内建立煤堆的物理模型，设置研究区域的高60m长200m是合 理的，风流方向为图中左向右，右边界为开放出口，煤堆高度H，煤堆底部宽度为L，煤堆 角度a。由于本实施方式研究的主要内容为变风速条件下，其它因素单独或共同改变时对自 燃的影响，所以每次开展仿真实验都将风速作为其中一个变量。

表1五个物理模型的参数

步骤1.1、确定在不同孔隙率和不同风速条件下煤堆堆放所能达到的最高温度；

研究风速对煤堆自热-自燃过程的影响时开展风速为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、 0.4、0.45、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.4、1.8、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、 7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5、13m/s共计40个不同风速条件下 煤堆堆放180d(day，天)自热-自燃过程数值模拟，分析煤堆在不同风速条件下所能达到的 最高温度、煤堆内部出现超过343K高温区域的风速范围，解释风速对煤堆自热-自燃过程的 影响及不同煤堆压实的适用性。

图2为1号煤堆所能达到的最高温度随孔隙率和风速变化规律，环境风速 Vin＝0.05～13m/s，当风速较低时煤堆的孔隙率越小，最高温度越低，当风速较大时煤堆孔隙率 越大内部最高温度越低。孔隙率n＝0.2、0.3、0.4、0.5、0.6最大最高温度对应的风速分别为4、 1.4、0.8、0.4、0.2m/s，最高温度分别为390.4、381.6、377.2、371.5、367.5K。孔隙率为0.2 (即小孔隙率)时在该风速范围内煤堆最高温度持续升高，与孔隙率为0.6、0.5、0.4、0.3的 交点分别在风速为0.7、0.9、1.3、1.9m/s，风速在交点左侧大孔隙率煤堆的最高温度低于孔 隙率0.2的，在此风速范围内进行煤堆压实能保证煤堆最高温度明显降低，风速在交点的右 侧时孔隙率0.2时的最高温度大于对应的大孔隙率煤堆的，因此在交点右侧风速条件下进行 煤堆压实会适得其反，导致煤堆温度升高；因此如果将煤堆孔隙率压实到0.2时随原煤堆孔 隙率的增加，不适宜压实煤堆的最低风速左移即不适用风速降低。

图3为2号煤堆所能达到的最高温度随孔隙率和风速变化规律，Vin＝0.05～13m/s。与1 号煤堆类似，在小风速条件下煤堆孔隙率越小最高温度越低，大风速条件下孔隙率越小煤堆 的最高温度越高。孔隙率0.2、0.3、0.4、0.5、0.6的煤堆最大最高温度出现在风速为3、1.4、 0.6、0.35、0.2m/s时，对应的最大最高温度分别为：537、528、526、528.5、528.5K。孔隙 率0.2的煤堆与孔隙率0.6、0.5、0.4、0.3的交点分别在风速为0.6、0.9、1.3、2m/s处，对于 某一大孔隙率(>0.2)当其处于风速在其与孔隙率0.2的交点左侧时将煤堆压实到0.2后煤堆 所能达到的最高温度会降低，风速在交点右侧时压实则会适得其反。同时随孔隙率增加其与 孔隙率0.2的最高温度交点左移，即孔隙率增加煤堆的不适宜压实煤堆的风速较低，原孔隙 率越大不适宜压实煤堆的风速越小，压实的适用风速范围越窄。

图4为3号煤堆所能达到的最高温度随孔隙率和风速变化规律，Vin＝0.05～13m/s。图中显 示与1-2号煤堆类似，小风速时煤堆最高温度随孔隙率较低而降低，风速较大时随孔隙率较 低而增加。该煤堆达到最大最高温度在孔隙率为0.2-0.6时对应的风速分别为：2.5、1、0.6、 0.35、0.2m/s，对应的最大最高温度分别为：424、418、412、410、406K，孔隙率越大最大 最高温度越小且对应的风速越小，说明孔隙率较大的煤堆在小风速条件下较易自燃。孔隙率 0.2与孔隙率0.6、0.5、0.4、0.3的交点风速分别为：0.5、0.7、1、1.6m/s，与上述煤堆类似， 孔隙率越大其与孔隙率0.2的交点风速向左移动。煤堆孔隙率越大在低风速条件下温度越高， 且孔隙率越大其随风速增加达到最大最高温度的速度越快，孔隙率越小，随风速增加最高温 度升高的风速范围越大。

图5为4号煤堆所能达到的最高温度随孔隙率和风速变化规律，Vin＝0.05～13m/s。与以上 3个煤堆所能达到的最高温度变化具有类似的规律，但是4号煤堆内部最高温度没有出现最 高温度超过343K的情况，即没有发生自燃，这主要与煤堆的堆放尺寸参数有关。4号煤堆孔 隙率为0.6、0.5、0.4、0.3、0.2时出现最高温度的对应风速分别为：2.5、1、0.8、0.45、0.3m/s， 所对应的最高温度分别为340.3、338.2、335.9、333.7、330.6K。4号煤堆孔隙率为0.2时最 高温度变化曲线与孔隙率为0.6、0.5、0.4、0.3时的交点风速分别为0.6、0.8、1.2、1.7m/s， 与以上三个煤堆对比交点风速明显较低。

图6为5号煤堆所能达到的最高温度随孔隙率和风速变化规律，Vin＝0.05～13m/s。5号煤 堆的最高温度变化与以上1～4号煤堆的最高温度变化具有类似的变化规律。5号煤堆在孔隙 率分别为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6时出现最高温度对应的风速分别为2.5、1、0.6、0.35、0.2m/s， 所对应的最高温度分别为483.5、474..3、、474.3、469.3、464.8K。孔隙率0.2的温度变化曲 线与孔隙率0.6、0.5、0.4、0.3的交点风速分别为0.5、0.7、1.1、1.6m/s。

步骤1.2、确定煤堆在不同孔隙率条件下的自燃风速范围和发火期；

考虑煤堆的压实效果不但要考虑煤堆的温度变化，还应该考虑煤堆压实后是否能完全消 除自燃危险，如果不能完全消除自燃危险时，较大程度上延长煤堆的自然发火期也是可以考 虑的，因此需要进行煤堆压实后自然发火期变化研究。

图7为1号煤堆孔隙率0.3、0.4、0.5压实到孔隙率0.2时煤堆的自然发火期随风速变化 情况。孔隙率0.6的煤堆压实到孔隙率0.2后可以完全消除自燃危险，孔隙率0.3、0.4、0.5 的煤堆在原孔隙率自燃风速范围内进行压实后分别在风速大于2.3、1.4、0.9m/s时出现自然 发火期的缩短，分别缩短了1-78、1-105、1-22d，风速低于以上值时自然发火期分别延长了 1-48、1-54、1-30d，说明孔隙率为0.3、0.4、0.5时从自然发火期角度考虑，不适宜压实煤堆 的最低风速分别为2.3、1.4、0.9m/s。

图8为2号煤堆孔隙率0.3、0.4、0.5、0.6压实到孔隙率0.2时煤堆的自然发火期随风速 变化情况。对于孔隙率0.3压实到0.2时在风速大于3m/s时煤堆的自然发火期与不压实时相 同，因此压实无效，当风速大于该风速时原孔隙率条件下煤堆不会发生自燃，如果进行压实 会导致煤堆自燃因此孔隙率0.3的原煤堆压实到目标孔隙率0.2时的最低不宜压实风速为 3m/s，风速低于3m/s时煤堆的自然发火期延长了1-65d，压实有效；原煤堆孔隙率0.4时压 实到孔隙率0.2时在风速大于1.8m/s至原煤堆最大自燃风速条件下煤堆的自然发火期缩短了 1-4d，因此当风速大于1.8m/s时2号煤堆原孔隙率0.4不宜压实到孔隙率0.2，当风速小于 1.8m/s时煤堆的自然发火期延长了1-75d，压实有效；当原孔隙率为0.5时压实到孔隙率0.2 时，在风速小于1.1m/s时自然发火期缩短了1-17d，压实促进煤堆自燃，不宜进行压实，当 风速低于1.1m/s时煤堆的自然发火期延迟了1-75d，压实可以具有一定的作用；当孔隙率为 0.6时压实到0.2，在原孔隙率自燃风速范围内进行压实会保证煤堆自然发火期延长14-72d， 对煤堆具有一定的保护作用，风速大于0.8m/s时由于原孔隙率下不会发生自燃，压实则会导 致煤堆自燃因此不宜进行压实。因此对2号煤堆，孔隙率为0.3～0.6时不适宜压实煤堆的最低 风速分别为3、1.8、1.1、0.8m/s。

图9为3号煤堆在原孔隙率0.3、0.4、0.5、0.6条件下进行压实到孔隙率0.2时煤堆的自 然发火期变化，压实后发火期变化都在原煤堆自燃风速范围内进行研究。原孔隙率0.3压实 到目标孔隙率0.2时在风速大于2m/s时自然发火期缩短了1-42d，风速小于2m/s时延迟了 1-88d；原孔隙率0.4时，在风速大于1.2m/s时缩短了1-55d，风速小于该值时发火期延长了 1-94d；原孔隙率0.5时，在风速大于0.9m/s时发火期缩短了1-7d，风速小于该值时煤堆的自 然发火期延迟了1-93d；由于原孔隙率0.6的最大自燃风速小于目标孔隙率0.2的最小自燃风 速所以压实后可以完全有效保障不发生自燃；综上所述，对于3号煤堆原孔隙率为0.3、0.4、 0.5时在原孔隙率对应的自燃风速范围内不适宜压实煤堆的最低风速分别为：2、1.2、0.9m/s。

图10为5号煤堆在原孔隙率0.3、0.4、0.5、0.6条件下进行压实到孔隙率0.2时煤堆的 自然发火期变化。由于原孔隙率0.6的最大自燃风速小于目标孔隙率的最小自燃风速因此进 行煤堆压实后不会发生自燃，可以有效保护煤堆；原孔隙率为0.3时，风速大于2m/s时煤堆 的自然发火期缩短了1-51d，风速小于2m/s时延长了1-52d；原孔隙率0.4时，风速大于1.4m/s 时发火期缩短了1-46d，风速小于1.4m/s时自然发火期延长了1-58d；原孔隙率0.5时，风速 大于0.9m/s时煤堆的自然发火期缩短了1-16d，小于该风速时延长了1-57d。因此对于5号煤 堆从发火期变化角度考虑，原孔隙率在0.3-0.5时不适宜压实煤堆的最低风速为2、1.4、0.9m/s。

步骤1.3、判断在同一风速条件下大孔隙率下煤堆堆放所能达到的最高温度是否高于小孔 隙率下煤堆堆放所能达到的最高温度，是，则当前风速适宜进行压实煤堆，否则，当前风速 不适宜进行压实煤堆；

步骤1.4、判断在同一风速条件下大孔隙率下煤堆堆放时间内的发火期是否小于小孔隙率 下煤堆堆放时间内的发火期或者在堆放时间内不发生自燃，是，则当前风速适宜进行压实煤 堆，否则，当前风速不适宜进行压实煤堆；

步骤1.5、取步骤1.3、步骤1.4中不适宜进行压实煤堆的风速中的较小值为安全值，并 将其确定为不适宜压实煤堆的最低风速；

综合以上煤堆压实后煤堆最高温度及自然发火期的变化，得出如表2所示的不适宜压实 煤堆的最低风速。根据表2，综合考虑煤堆压实前后温度及自然发火期变化，从安全角度考 虑，取两者对应的相对较低的风速作为不适宜压实煤堆的最低风速进行煤堆压实较为安全， 如表3所示。

表2压实到孔隙率0.2的不适宜压实煤堆的最低风速

根据表2，同一煤堆原孔隙率不同时不适宜压实煤堆的最低风速差别较大，孔隙率越大 不适宜压实煤堆的最低风速越低，相同原始孔隙率条件下因煤堆不同差异较小，如图11所示， 不适宜压实煤堆的最低风速只收原始孔隙率影响显著，受煤堆堆放规格尺寸影响明显。因此 取相同孔隙率下不同不适宜压实煤堆的最低风速的平均值进行曲线拟合，如图12所示。

表3最低压实不适宜风速

步骤1.6、根据不适宜压实煤堆的最低风速及其对应孔隙率，建立不适宜压实煤堆的最低 风速方程；

图12显示，不适宜压实煤堆的最低风速与煤堆孔隙率之间具有较好的幂函数关系如下 式，该方程的回归系数为0.9688，拟合相关性较好，可以满足煤堆压实现场工程实践需要。

不适宜压实煤堆的最低风速方程：

v＝An^B

其中，v为不适宜压实煤堆的最低风速，n为孔隙率，A、B为不适宜压实煤堆的最低风 速方程回归系数，A＝0.266，B＝-1.651；

步骤2、根据当前煤堆的孔隙率确定其对应的不适宜压实煤堆的最低风速；

步骤3、若不适宜压实煤堆的最低风速高于煤堆所在环境当前风速，则进行压实煤堆， 防治煤堆自燃；否则，不适宜压实煤堆。

因不同煤堆和不同孔隙率下煤堆的自燃风速范围和最高温度不同，压实的适用风速范围 存在明显差异，5种完全不同规格尺寸的煤堆对于原孔隙率为0.3～0.6条件下如果将其压实到 孔隙率0.2时会在一定的风速条件下出现温度的升高现象，不适宜压实煤堆的最低风速因孔 隙率差异明显，当压实的目标孔隙率为0.2时，不适宜压实煤堆的最低风速在原孔隙率为0.3、 0.4、0.5、0.6时一般为1.8～2、1.4、0.8-1、0.6～0.7m/s。

从自然发火期角度分析，4个自燃煤堆原始孔隙率0.6时压实到孔隙率0.2一般其可以避 免在180d内发生自燃；1、2、3、5号煤堆孔隙率0.3、0.4、0.5压实到孔隙率0.2时的不适 宜压实煤堆的最低风速分别为：2.3、1.4、0.9m/s；3、1.8、1.1m/s；2、1.2、0.9m/s；2、1.4、 0.9m/s；从自然发火期角度考虑的最低压实不适用风速高于从温度角度考虑的最低风速。

原孔隙率0.3～0.6的煤堆压实到目标孔隙0.2时的最低不适宜风速因原始孔隙率不同存在 较大差异，而煤堆堆放规格参数对其影响不明显。