阳煤集团某煤矿热管治理煤矸石山自燃技术的应用研究.pdf

万方数据 分类号TD7密级公开 UDC单位代码10076 工程硕士学位论文 阳煤集团某煤矿热管治理煤矸石山自燃技术的 应用研究 作者姓名 冯乾 指导教师 王景刚 教授 企业导师 胡兆春 申 请 学 位 级 别 工程硕士 学科专业 建筑与土木工程 所在单位 能源与环境工程学院 授 予 学 位 单 位 河北工程大学 万方数据 A Dissertation ted to Hebei University of Engineering For the Academic Degree of Master of Engineering ApplicationApplication R Researchesearch onon t thehe T Treatmentreatment ofof C Coaloal G Gangueangue M Mountainountain S Spontaneouspontaneous C Combustionombustionbyby H Heateat P Pipeipe T Technologyechnology inin CertainCertain CoalCoal MineMine ofof Y Yangquanangquan C Coaloal IndustryIndustry GroupGroup CandidateFengQian SupervisorProf.Wangjinggang Pluralistic SupervisorHuZhaochun AcademicDegreeAppliedforMasterofEngineering SpecialtyArchitecturalandCivil Engineering College/DepartmentCollegeofEnergyand EnvironmentalEngineering Hebei University of Engineering October, 2019 万方数据 万方数据 摘要 I 摘要 在煤炭的开采与洗选过程中，会产生大量的煤矸石，作为固体废物，绝大部 分煤矸石得不到有效利用， 被就近堆放在煤矿附近， 逐渐累积的煤矸石堆积成山。 煤矸石中的炭质部分与煤成分类似，具有可燃性，其内部碳与硫的化合物与环境 中的氧与水分子发生化合反应，进行放热自燃。自燃会导致煤矸石中的硫化物， 与碳成分以气体的形式释放到环境中去，对人的生命造成严重威胁，对环境造成 巨大的破坏。以往传统的治理煤矸石山自燃的方法主要有灌浆法、喷浆法、挖掘 熄灭法、表面燃烧法等，采用隔热、隔氧、外部散温的方式进行治理。但这些方 法对煤矸石内部热源的治理效果并不显著，一旦外部治理不达标，内部热源依旧 存在并且释放热量。如果能够及时将煤矸石山内部的热量及时转移出，使煤矸石 山内部热源逐渐消减，就可以有效治理煤矸石山的自燃。热管技术已经在传热领 域已经显示了其高效的传热率，在此尝试用重力热管对煤矸石山的热量进行提 取，抑制煤矸石山的温度，达到有效治理煤矸石山自燃的目的。 本文对煤矸石自燃与热管的理论进行了研究，设计了三种不同类型的热管， 在山西省思汗沟煤矸石山上进行了工业实验，并对实验测试记录的数据进行分 析。通过地表下不同热管、不同深度煤矸石温度的变化、地表上热管冷凝段的温 度变化，以及对不同热管传热量的计算分析。结果表明煤矸石山内部温度沿垂直 方向温度逐渐随深度升高，热管插入区域能够降低该区域的温度，热管能够有效 提取插入区域的热量，以地表冷凝段散热量为比较依据，热管散热能力为依次为 翅片管、水套管、双热管，为热管移热治理煤矸石山自燃技术的发展提供有力支 持。 关键词热管；矸石山；自燃；移热。 万方数据 Abstract II Abstract In the process of coal mining and washing, a large amount of coal gangue will be produced. As a solid waste, most of the coal gangue is not effectively utilizedwhich is piled up near the coal mine, and the accumulated coal gangue piles up into mountains. The carbonaceous part of the coal gangue is similar to the coal component and is flammable. The carbon and sulfur compounds therein react with oxygen and water molecules in the environment to cause an exotherm. The spontaneous combustion will cause sulfide in the coal gangue, and the carbon component will be gas. The release of into the environment poses a serious threat to human life and causes enormous damage to the environment. In the past, the traditional s for self-ignition of coal gangue hills mainly include grouting , shotcreting , excavation and extinction , surface burning , etc., which are treated by heat insulation, oxygen barrier and external temperature dissipation. However, the effectiveness of these s on the internal heat source of coal gangue is not significant. Once the external treatment is loose, the internal heat source still exists and releases heat. If the heat inside the coal gangue mountain can be timely transferred out in time, and the heat source inside the coal gangue mountain is gradually reduced, the spontaneous combustion of the coal gangue mountain can be effectively controlled. Heat pipe technology has already shown its high heat transfer rate in the field of heat transfer. At this point, the heat of coal gangue mountain is extracted by gravity heat pipe to suppress the temperature of coal gangue mountain, and the purpose of effectively controlling coal gangue mountain spontaneous combustion is achieved. In this paper, the theory of coal smear spontaneous combustion and heat pipe is analyzed. Three different types of heat pipes are designed. Industrial experiments are carried out on specific coal gangue hills. The experimental results are analyzed. Through the different heat pipes around the evaporation section of the subsurface heat pipe, the temperature variation of coal gangue at different depths, the temperature change of the condensation section of the heat pipe on the surface, and the calculation and analysis of the heat transfer of different heat pipes. The results show that thetemperature of the internal temperature of coal gangue increases with depth in the 万方数据 Abstract III vertical direction. The heat pipe insertion area can reduce the temperature of the area. The heat pipe can effectively extract the heat of the inserted area. Based on the heat dissipation of the surface condensation section, the heat dissipation capacity of the heat pipe is In turn, it is a finned tube, a water tube, and a double heat pipe，provide strong support for the development of heat pipe transfer heat treatment technology for coal gangue mountain spontaneous combustion. Keywordheat pipe；Coal gangue mountain；self-ignition；heat transfert. 万方数据 目录 目录 摘要Ⅰ AbstractⅡ 第 1 章 绪论..................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义...........................................................................................1 1.2 煤矸石山自燃机理研究...................................................................................2 1.3 煤矸石自燃治理的研究现状...........................................................................3 1.4 热管技术在热量提取方面的研究现状...........................................................5 1.5 研究内容与技术路线.......................................................................................7 1.5.1 研究内容................................................................................................7 1.5.2 技术路线................................................................................................8 第 2 章 热管传热理论分析..........................................................................................9 2.1 热管及其工作原理...........................................................................................9 2.1.1 重力热管工作原理...............................................................................10 2.1.2 普通热管工作原理...............................................................................10 2.1.3 热管的分类...........................................................................................11 2.2 热管基本理论基础.........................................................................................12 2.2.1 热传导理论基础...................................................................................12 2.2.2 热对流理论基础...................................................................................15 2.3 多孔介质传热理论基础.................................................................................17 2.4 本章小节.........................................................................................................20 第 3 章 煤矸石山热管设计........................................................................................21 3.1 工程概况.........................................................................................................21 3.2 煤矸石山热管传热数学模型.........................................................................21 3.2.1 煤矸石传热数学方程描述...................................................................23 3.2.2 热管换热数学方程描述.......................................................................24 3.3 热管参数设计.................................................................................................28 3.3.1 热管壳体设计.......................................................................................28 3.3.2 热管内腔设计.......................................................................................31 3.3.3 热管散热段的设计...............................................................................32 万方数据 目录 3.4 本章小结.........................................................................................................36 第 4 章 煤矸石热管的工业实验................................................................................37 4.1 实验目的与原理.............................................................................................37 4.1.1 实验目的...............................................................................................37 4.1.2 实验原理...............................................................................................38 4.2 实验方案.........................................................................................................38 4.2.1 实验地点...............................................................................................38 4.2.2 实验设备与装置...................................................................................39 4.2.3 实验布置...............................................................................................42 4.3 实验过程.........................................................................................................42 4.3.1 工厂阶段...............................................................................................42 4.3.2 工程现场实验.......................................................................................44 4.4 本章小结.........................................................................................................46 第五章 实验数据分析................................................................................................47 5.1 实验数据分析方法.........................................................................................47 5.2 实验数据分析内容.........................................................................................47 5.3 热管实验数据分析.........................................................................................47 5.4 实验结论.........................................................................................................53 5.5 本章小结........................................................................................................53 结论与展望..................................................................................................................55 本文结论..............................................................................................................55 展望......................................................................................................................56 参考文献......................................................................................................................57 致谢..............................................................................................................................61 作者简介......................................................................................................................63 攻读硕士期间研究成果..............................................................................................63 万方数据 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及意义 矸石，全称煤矸石，表示为在煤矿生产过程中产生的无用固体废物，一般认 为矸石包括煤矿生产过程中的岩石与煤层伴生物。按来源进行分类主要包括“白 矸”和“黑矸”。白矸指在矿井掘进过程中产生的大量岩石碎块。黑矸指煤在进 行洗选过程中分离出来的夹矸以及碎石。 煤矸石是我国现存排放量和累计存储量 最大的工业废物[1]。目前煤矸石尚无完整有效，可以形成完整产业的利用途径， 社会上一些企业将煤矸石制成建筑材料，用于建筑施工领域，或作为回填材料重 新用于煤矿。但由于煤矸石本身性质，与其较大的产出量，通常会被就近堆放。 煤矿远在深山，交通的限制在一定程度上阻碍了矸石在其他领域的利用。煤矸石 的利用渠道狭窄，且作为固体有害废料不可随意弃置。所以大量的煤矸石堆放聚 积在煤矿附近，逐渐堆积成山。据有关资料显示在煤矿开采过程中，每生产 1 吨煤，就会产生 0.15 吨的煤矸石，我国近年来平均年产煤约 30 亿吨，每年产生 煤矸石的约 4.5 亿吨，如此巨大数量的煤矸式堆积成一座座小山堆放在我国煤矿 周围，给矿区环境带来巨大的威胁[2]。在这千余座矸石山中，有近 30存在矸石 自燃倾向，需要进行治理。 矸石的大量堆积带来的不仅仅是占地区域浪费，固体废物排放这么简单。矸 石由于其含碳类煤的性质，能够在自然环境下自发的进行复杂的物理化学反应， 导致热量不断堆积，达到一定的条件后进行燃烧。矸石的燃烧会释放有害气体。 给周围民众的生产生活带来巨大的影响，更有甚者会危及当地民众的生命安全 [3]。 大量煤矸石前期粗放的排矸方式，后期没有经过科学有效的治理，致使煤矸 石山造成严重的环境灾难，带来巨大的损失。积极探索科学有效的矸石山自燃综 合治理方法对改善矿区生产，保护煤矿生态环境，造就绿水青山具有重要的实际 意义。 本文根据煤矸石山自燃的特性，按照实际情况，选择合适的防治技术，从降 温、隔绝氧气以及减少可燃物成分出发，进行综合性防治工程实施。特别是降低 矸石山内部的温度，从根本上消除自燃热源。所以，本文在以往的矸石山治理的 经验基础上，研究自燃矸石山的深部热移技术，降低矸石山内部的温度，从根本 上彻底解决矸石山自燃现象，同时，为利用矸石山在自燃的过程中热量资源奠定 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 2 基础。 1.2 煤矸石山自燃机理研究 煤矸石石化程度大，有机成分与含碳量较低，比煤的硬度大。矸石的化学成 分复杂，不同地区的地质条件对矸石所含元素影响很大。矸石的矿物成分主要是 高岭土、石英、蒙脱石、长石、伊利石、石灰石、等成分，主要包括硅、铝、钙、 镁、铁、硫的氧化物以及钛、钴等稀有金属元素[4]。煤矸石山堆放比较容易产生 自燃，但也并非绝对，总结起来矸石自燃主要有以下三个方面。 （1）矸石本身自燃倾向煤矸石中的可燃物主要为硫铁矿、碳质沉积物、 油页岩和残存煤质，硫铁矿还原性较强，容易被空气中的氧气氧化，在水的作用 下，发生氧化还原反应，产生热量[5]。氧化产生的热量不断堆积，当达到某一温 度时引起其他成分燃烧，从而引发整个山体的燃烧。研究表明当矸石中硫铁矿超 过 2时，煤矸石山比较容易自燃[6]。这就是目前主流的硫铁矿氧化理论。还有 一种主流的煤矸石自燃理论是煤氧复合理论。 这种理论认为煤矸石山自燃主要是 矸石中煤炭质多孔表面与氧分子物理吸附与化学吸附共同作用的结果。 氧分子进 入矸石首先与碳质接触，发生物理吸附伴随发热，由于煤矸石导热系数较低，热 量不易散出，致使温度升高，达到某一温度时发生化学吸附，继续放热，当温度 不断升高，开始发生干馏，从而产生可燃气体，气体燃烧达到煤矸石燃点时，山 体开始燃烧[7]。 （2）矸石山温度根据新出台的煤矸石堆场生态恢复治理技术规范， 矸石山自燃防治过程中将温度检测＜70℃的矸石集中堆放区域划分为自燃煤矸 石堆放防控区， 温度检测＜90℃， 且≥70℃矸石集中堆放区域划分为自燃煤矸石 堆放临界区，温度检测＜230℃，且≥90℃的矸石集中堆放区域划分为自燃煤矸 石堆蓄热区，温度检测＞230℃的矸石集中堆放区域划分为自燃煤矸石发火区。 温度是煤矸石自燃的重要因素，矸石在未达到特定温度之前，只是进行简单的热 量堆积，当达到某一温度时，矸石山就会着火燃烧，高温将矸石山内部的蒸汽加 热，在有限的矸石山内部空间将可能引发更严重的爆炸。 （3）空隙渗透空隙渗透主要是氧的渗透，初始状态的氧化放热阶段、热 量堆积状态、后期的燃烧状态都离不开氧气参与。氧元素渗透主要通过颗粒缝隙 与雨水渗透。煤矸石颗粒分析主要与排矸方式有关，早期的煤矿管理粗放，对煤 矸石治理并不严格，煤矿多采用倒坡式的翻头排矸，直接将煤矸石倾倒，煤矸石 自由散落堆积。颗粒缝隙较大，堆积成锥形煤矸石山，通风条件良好。后期大雨 降水，矸石土壤松软，增大矸石颗粒表面积，增加矸石与空气表面积。提高矸石 对氧的吸附率，同时矸石内部出现的水增加内部成分的反应，使得物理化学反应 万方数据 第 1 章 绪论 3 更加强烈。研究表明煤矸石的颗粒平均有效直径为 6 ～ 13 mm 时，煤矸石山 的氧化升温和蓄热条件达到最好，产生自燃的可能性也最大[8]。.所以现在煤矿企 业都设计了新的排矸方式，夯实矸石，降低空隙率。并且在治理过程中注浆来封 闭隔绝空气的渗透。 1.3 煤矸石自燃治理的研究现状 目前为止， 国内外关于煤矸石山自燃治理方面的研究主要侧重在煤矸石自燃 临界温度的测定与治理煤矸石自燃的新型灭火材料上[9]。随着国家对环境的逐渐 重视， 相关政策的陆续出台，煤矿企业与专家学者开始探索更加有效的综合治理 方案。 治理煤矸石山自燃的技术很多， 主要集中在两个方面， 一是预防、 二是治理。 我国现在治理煤矸石自燃的主要方针是以预防为主， 对于已经开始自燃的煤矸石 山大力治理，减少危害。预防煤矸石山自燃的工作主要集中在前期排矸阶段，不 合理的排矸方式将直接导致后期煤矸石山的自燃，我国早期排矸方式比较直接， 采用堆积锥形，平面铺摊，或者直接排放到山沟之中，导致煤矸石间缝隙充足， 接触面积大，比较容易引起自燃。煤矸石山自燃的治理过程比较漫长，对于不断 有新的矸石排入的煤矸石山治理更是如此， 治理煤矸石山自燃的方法主要有注浆 法、挖掘法、覆盖法等[10]。 （1）注浆法将灭火浆液注入煤矸石山的缝隙之中，这些灭火浆液或者通 过覆盖隔氧的原理隔绝氧气，抑制燃烧，或者通过本身的物理性质进行反应带走 热量，使煤矸石的温度降低，从而达到灭火的目的。具体包括注胶法、注水法 等。注浆法灭火的效果主要取决于灭火浆液材料降温与隔氧的性能。 （2）覆盖法 通过在燃烧区域表面覆盖一层惰性物质达到隔绝氧气的目的， 如压实的黄土、黏土、凝胶泡沫等材料。覆盖法简单实用，对施工要求比较低， 但对于大型的煤矸石山，整体覆盖的综合难度较大。 （3）挖掘法挖掘法主要包括两类，一是直接挖出着火区域的煤矸石，将 热源移出，避免大范围的燃烧。二是通过挖掘沟渠的方法将温度高的区域尽量暴 露环境中，同时辅以沟渠通水的方法加快散热。 在治理方法中，以注浆法的应用范围最广，注浆法简单来说是将一些灭火材 料注入到煤矸石山缝隙之中，通过阻隔空气，创造无氧环境或者通过材料的物理 化学变化带走煤矸石热量，使其抑制在着火点以下。关于注浆法，国内外对注入 工艺、注浆原料的研究都各有不同。 目前，国外的煤矸石山治理主要以俄罗斯与美国等产煤大国的研究较为领 先， 西方有国家矿业公司以石灰乳为原料进行稀释，加压后喷入煤矸石山下高温 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 4 区进行灭火治理[11]。 东欧地区，有专家提出抽空负压配合注浆的方法，将注浆灭火产生的蒸汽抽 空， 使煤矸石山内部着火区域形成负压， 从促进浆液充分流动与挤占缝隙空间[12]。 中欧地区，则有矿区尝试，通过抬高下水平钻孔的高度，减少坡面注浆时通 过钻孔与施工缝隙进入煤矸石山内部的空气量从而促进隔绝部分空气， 达到更有 效治理灭火的目的[13]。 而在美国地区，主要以不同形式的覆盖法为主，以表面封闭的方法使用粉煤 灰、黏土等材料配合挖掘火源法、注浆法进行综合治理[14]。 我国的煤矸石山治理研究起步较晚，开始于 20 世纪 80 年代早期， 由煤炭科 学院与各个煤炭院校为主进行煤矸石山的灭火研究，最早以注浆法灭火为主，结 合当时煤炭生产情况，设计研发了一整套灭火流程工艺。 西安科技大学的张建通过东荣二矿煤矸石发火规律的研究， 总结出了利用电 厂粉煤灰辅以胶体作为注入材料，采用固定式灌注的方法进行注入，取得良好的 灭火效果。 王涛等人采用现场实验的方法， 研究了固体二氧化碳对煤矿高温地区降温的 效果。对煤矸石干冰降温治理研究提出了指导意义。 张成梁等人从就地取材， 自然治理的角度出发， 通过现场实验与大量的测试， 提出了利用新土与渣土以不同混比进行覆盖材料进行灭火治理。 在煤矸石山的生 态恢复治理与坡体稳定等方面具有重要研究意义[15]。 随着现代化工业进程，国家对能源需求与环境保护并行的政策下，国内外专 家学者也探索一些新的煤矸石山灭火方法， 如注入液氮、 干冰、 以及爆破等方法。 通过注入新型的灭火材料依靠相变带走煤矸石的热量， 以及通过高温爆破通过压 力的变化与煤矸石山结构的变化使温度在短时间内降低[16-20]。 矿区治理煤矸石山自燃的主要的目的恢复矿区生态环境、 保护煤矸石山周围 生活环境安全。 所以在此基础上直接进行煤矸石山的复垦绿化是进行治理的最后 目标。由于煤矸石山内部热量源源不断从内部散出，地表温度高于环境，这样使 大部分植物无法成活。如何将热量移出，是地表环境温度降低至生物活动温度， 称为综合彻底治理煤矸石山自燃研究考虑的问题。 本文采用热管技术，利用热管内部工质液、汽两相的变化时热量的吸收释放 特性将煤矸石山内部的热量转移至环境中， 通过工质的特性改变热管的工作启动 温度，进而控制煤矸石山的最终温度，从而达到地表降温、持续降温，最终治理 的目的。 1.4 热管技术在热量提取方面的研究现状 万方数据 第 1 章 绪论 5 1942 年美国人 Gaugler 设想制造冷冻机而提出热管[21]。热管是一种具有气 液两相对流循环高效传热元件，60 年代发明出来用于解决宇宙航天对传热提出 的特殊要求[22-25]。因其在能源节约方面的巨大作用，使得其理论研究和工程应用 在均温、控温、余热回收、新能源开发等方面取得巨大成果，并在化工、能源、 动力和矿山等各个领域得到广泛的应用[26-28]。 我国热管技术的研究始于 1970 年， 1972 年中国科学院力学研究所成功的进 行了多次以金属钠为工质的热管实验。20 世纪 80 年代，我国开始将热管技术 研