高彤， 張永波*， 柴麗霞, 陳俊興

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院， 太原 030024; 2.山西宏鼎科技有限公司， 太原 030000)

煤矸石是煤炭開(kāi)采和加工過(guò)程中產(chǎn)生的一種低碳、高灰分的工業(yè)廢棄物[1]，含有多種有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物[2]。鑒于煤矸石的利用率較低[3]，大量的煤矸石被堆放在礦區(qū)附近的溝谷之中[4]。截至2017年，中國(guó)煤矸石的總積存量為46 t以上，占地1.2萬(wàn)hm2以上，且總量以1.6億t/年的速度持續(xù)增長(zhǎng)，形成大小不同的煤矸石山約1 600座[5]。由于煤矸石中存在黃鐵礦等引燃物，長(zhǎng)期暴露在空氣中容易發(fā)生氧化和自燃[6]，并釋放出有害物質(zhì)，包括粉塵、CO、SO2、H2S和氮氧化物[7]等有害氣體。同時(shí)，會(huì)析出重金屬[8]、多環(huán)芳烴[9]及硫、砷、汞、氟[10]等多種有害物質(zhì)，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害，影響人類(lèi)生命安全。

目前治理煤矸石山自燃方法主要包括挖除火源法、表面封閉法、注漿法以及多種方法結(jié)合[11]。這些方法治理效果良好，但也存在一定的缺點(diǎn)。直接挖除法僅適用于自燃初期，火源溫度低、火區(qū)范圍小的區(qū)域；表面封閉法可以隔絕氧氣達(dá)到控制燃燒目的，但內(nèi)部熱量仍然存在，一旦封閉材料被破壞，矸石山將繼續(xù)燃燒放熱；注漿法在施工過(guò)程中需要大量燒堿，治理成本高亦存在復(fù)燃現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，開(kāi)發(fā)一種新的治理方法是必要的。

熱管是一種新型高效傳熱元件，通過(guò)工質(zhì)的相變轉(zhuǎn)換進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)移，在工程的散熱、換熱中顯示出極大優(yōu)越性[12]，并在化工、能源和礦山等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。陳繼等[13]在青藏高原鐵路路基凍土保護(hù)研究中，應(yīng)用熱管保持地基溫度穩(wěn)定，并計(jì)算分析得出熱管的影響半徑。李巍等[14]將重力熱管用于油田井筒伴熱， 用于提高產(chǎn)出液溫度， 解決產(chǎn)量遞減問(wèn)題。Schmidt等[15]在烏達(dá)煤田火區(qū)進(jìn)行了單根熱管的降溫試驗(yàn)，6個(gè)月內(nèi)距離熱棒1.5 m處的溫度從270 ℃降到250 ℃。鄧軍等[16]、Li等[17]在室內(nèi)展開(kāi)熱棒對(duì)煤堆自燃降溫的試驗(yàn)研究，得出降溫效果隨距離增加而減小，20 cm處降溫效果最佳，且單根熱管降溫半徑隨時(shí)間推移而擴(kuò)大。王建國(guó)等[18]研究不同翅片熱管對(duì)煤堆內(nèi)部溫度場(chǎng)分布影響，得出彎曲垂直翅片熱管降溫效果最優(yōu)。

目前，中外學(xué)者對(duì)熱管在煤堆滅火防治研究較多，在煤矸石山降溫滅火應(yīng)用研究相對(duì)較少，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)還未開(kāi)展，對(duì)熱管降溫效果、規(guī)律掌握較少。因此，以陽(yáng)煤集團(tuán)三礦大垴梁煤矸石山作為試驗(yàn)基地開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探求熱管對(duì)煤矸石山內(nèi)部溫度影響和控溫規(guī)律，為煤矸石山自燃防治提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 熱管結(jié)構(gòu)及工作原理

熱管是通過(guò)相變進(jìn)行高效傳熱的裝置，其組成包括有蒸發(fā)段、冷凝段、絕熱段和內(nèi)部工作介質(zhì)(工質(zhì))等。蒸發(fā)段采用耐高溫、導(dǎo)熱性好的材料制成，通過(guò)吸收矸石山內(nèi)部熱量使工質(zhì)蒸發(fā)，熱量隨工質(zhì)氣體轉(zhuǎn)移至冷凝段；冷凝段由外露光管和螺旋翅片組成，通過(guò)與空氣接觸進(jìn)行換熱，使內(nèi)部工質(zhì)氣體冷卻回流；內(nèi)部工質(zhì)作為傳輸熱量的介質(zhì)，通過(guò)相變轉(zhuǎn)移熱量，熱管各部分如圖1所示。

圖1 熱管工作原理

在煤矸石山的降溫應(yīng)用中，將熱管的蒸發(fā)段置于煤矸石山內(nèi)部高溫處，冷凝段置于空氣中。蒸發(fā)段吸收熱量使工質(zhì)蒸發(fā)上移至冷凝段，與管壁接觸放熱冷凝成液體，在重力作用下沿管壁回流至蒸發(fā)段重新吸熱蒸發(fā)，工質(zhì)在熱管內(nèi)部不斷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)煤矸石山內(nèi)部熱量的轉(zhuǎn)移[19]，達(dá)到破壞蓄熱條件阻止煤矸石山發(fā)生自燃的目的。

2 試驗(yàn)地點(diǎn)與方案

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以陽(yáng)煤集團(tuán)三礦大垴梁煤矸石山作為試驗(yàn)基地。矸石山內(nèi)部溫度在50～750 ℃范圍內(nèi)，其中有一半?yún)^(qū)域內(nèi)部已發(fā)生燃燒，其余區(qū)域處于氧化階段，在內(nèi)部蓄熱條件良好、氧氣條件充足情況下容易發(fā)生自燃。

單管試驗(yàn)位置選自燃燒高溫區(qū)域，使用的熱管為帶翅片熱管，長(zhǎng)度7 m、直徑89 mm、翅片管總長(zhǎng)度1.2 m，翅片高度25 mm、翅片厚度1.5 mm、翅片節(jié)距15 mm。試驗(yàn)所用測(cè)溫設(shè)備為鎧裝高溫?zé)犭娕?，測(cè)溫范圍-270～1 170 ℃。監(jiān)測(cè)記錄2020年12月5日—2021年2月2日(歷時(shí)60 d)，期間礦區(qū)附近環(huán)境溫度變化如圖2所示。

圖2 環(huán)境溫度曲線

熱管及測(cè)溫點(diǎn)布置平面圖和剖面圖如圖3所示。熱管安裝在T1位置處，地下5 m、地上2 m，外露空管0.8 m，翅片管1.2 m。在熱管周?chē)贾脙蓷l監(jiān)測(cè)線，分別為T(mén)1～T4監(jiān)測(cè)線與T1～T7監(jiān)測(cè)線，兩條監(jiān)測(cè)線夾角為120°。測(cè)點(diǎn)在水平、垂直方向上間距均為1 m，布置深度為6 m，測(cè)點(diǎn)數(shù)量共35個(gè)。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

3 初始溫度場(chǎng)分布

試驗(yàn)熱管安裝前，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)定初始值，繪制不同水平層初始溫度圖，繪制結(jié)果如圖4所示。初始溫度最大值在T1位置6 m深處，最大值為484 ℃。

圖4 不同水平面初始溫度圖

水平方向上，根據(jù)各深度初始溫度等值線圖可以看出，2～6 m溫度最大值分別出現(xiàn)在T6、T1、T7、T3、T1位置。溫度最大值出現(xiàn)在不同位置，是因?yàn)轫肥皆诙逊e過(guò)程中，堆積不均勻性、矸石成分不同、風(fēng)化特征差異以及傳熱特性不同等造成矸石山內(nèi)部不同位置出現(xiàn)多個(gè)自燃點(diǎn)，并且在矸石發(fā)生自燃后，不同方向的火區(qū)蔓延速度相差較大[20]。

垂直方向上，各點(diǎn)溫度隨深度增加溫度升高，6 m為溫度最大值深度。在2 m深位置處溫度在80 ℃以上，矸石山內(nèi)部處于低溫氧化階段，由于溫度較低且受環(huán)境對(duì)流影響溫度保持較低水平；2～4 m溫度在280 ℃以下，此時(shí)矸石山處于高溫氧化階段，隨深度增加蓄熱條件變好，熱量不易散出，溫度逐漸升高并促進(jìn)氧化進(jìn)程加速，若不治理隨時(shí)可能發(fā)生自燃，自燃后治理難度將大大增加。5 m以下深度溫度均已達(dá)到300 ℃以上，矸石山已發(fā)生自燃，并且內(nèi)部蓄熱條件好，溫度持續(xù)升高，火區(qū)會(huì)蔓延至未燃區(qū)域造成煤矸石山全面自燃。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 熱管降溫效果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果可知，熱管能夠有效導(dǎo)熱降溫，除T4、T7測(cè)溫點(diǎn)因距離熱管較遠(yuǎn)溫度升高外其他測(cè)溫點(diǎn)溫度均明顯下降。以T1歷時(shí)60 d觀測(cè)資料為例分析熱管降溫效果，繪制溫度隨時(shí)間變化曲線，結(jié)果見(jiàn)圖5。

如圖5(a)為2 m深60 d溫度變化情況，初始溫度為91 ℃，在15 d時(shí)降至最低溫度88 ℃，60 d時(shí)溫度回升至92 ℃，溫度波動(dòng)頻率高但變化幅度小。2 m深處降溫效果不明顯，其一，是由于埋深淺溫度受環(huán)境影響大，溫度波動(dòng)變化；其二，2 m深處于熱管蒸發(fā)段上部，且溫度較低，相比于高溫?zé)嵩匆茻嵝实蚚18]。

圖5(b)～圖5(d)表示3、4、5 m溫度變化情況，從圖中可以看出溫度持續(xù)下降，伴隨小幅度波動(dòng)。在60 d內(nèi)，溫度下降速度隨時(shí)間逐漸增大，在30 d后逐漸減小，各深度降幅值分別為19、23、19 ℃。因此熱管蒸發(fā)段位置處能夠有效提取矸石山內(nèi)部熱量，控制熱源降溫。

圖5 T1測(cè)溫點(diǎn)不同深度溫度曲線圖

根據(jù)圖5(e)溫度變化可以得出，6 m深溫度隨時(shí)間先下降后上升至平穩(wěn)，60 d時(shí)溫度穩(wěn)定在481 ℃，降溫值為3 ℃，降溫效果不明顯。由于熱管插入深度為5 m且熱源溫度高，單根熱管移熱效率有限，并且環(huán)境溫度在40 d后逐漸上升，使熱管移熱效率降低，溫度回升。因此，單管在6 m深位置僅能抑制熱源溫度升高。

豎直方向上，T1測(cè)點(diǎn)降幅值隨深度增加先增大后減小，最大降值出現(xiàn)在4 m深處，大小為23 ℃，當(dāng)深度超過(guò)5 m時(shí)，降溫效果下降，表明熱管在豎直方向上控制深度有限。綜上，熱管在矸石山表層降溫效果不明顯，是環(huán)境溫度變化和熱管插入位置的影響造成的；在3～5 m深度范圍溫度持續(xù)降低，表現(xiàn)出良好的導(dǎo)熱和降溫性能，是因?yàn)闊峁苷舭l(fā)段所在深度具有較高的移熱效率，能夠提供持續(xù)降溫效果；6 m深位置降幅小，是由于熱管插入深度為5 m，并且6 m深位置熱源溫度較高，致使6 m深位置降溫效果不顯著。因此，在未來(lái)熱管的試驗(yàn)及應(yīng)用中，需結(jié)合熱源溫度大小和位置，改變熱管尺寸和插入深度，以達(dá)到對(duì)煤矸石山自燃的控制與治理。

4.2 熱管控溫半徑分析

各測(cè)點(diǎn)60 d降溫幅度如表1所示。水平方向上，根據(jù)兩條監(jiān)測(cè)線上不同距離測(cè)點(diǎn)降溫值得出，隨著測(cè)點(diǎn)與熱管距離增加降溫值減小，說(shuō)明距離熱管越近降溫效果越好，在T4、T7位置處溫度不降反升，表明熱管在水平方向上控溫范圍有限。因此，為進(jìn)一步確定熱管的控溫范圍，選取降溫效果最佳深度范圍3～5 m，進(jìn)行單管控溫半徑分析。

圖6～圖8為安裝熱管后不同時(shí)間溫度分布圖與初始溫度對(duì)比所得，其中深色區(qū)域?yàn)殡S時(shí)間增長(zhǎng)溫度升高區(qū)域，淺色為溫度隨時(shí)間增長(zhǎng)降低區(qū)域。

從圖6各時(shí)間降溫區(qū)域和半徑在不斷變化，且在兩條監(jiān)測(cè)線方向上半徑變化不相同。在T1～T4監(jiān)測(cè)線上控溫半徑隨時(shí)間增加而減小，在60 d時(shí)穩(wěn)定在2.22 m。在T1～T7監(jiān)測(cè)線上，控溫半徑隨時(shí)間增加先增大后減小并逐漸穩(wěn)定，60 d時(shí)控溫半徑為2.24 m?？販胤秶兓怯捎跓峁芙禍啬芰﹄S環(huán)境溫度變化造成的，圖2顯示在40 d前環(huán)境溫度處于較低水平，有利于熱管移熱降溫，所以在T1～T7監(jiān)測(cè)線上控溫半徑隨時(shí)間先增加后減小。通過(guò)以上分析得出，熱管在3 m深水平面內(nèi)控溫半徑為2.2 m。

圖6 3 m深不同時(shí)段溫度變化

4、5 m深度溫度隨時(shí)間變化與3 m深相同，在60 d時(shí)控溫范圍達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)圖7可以得出，在4 m深水平面內(nèi)，T1～T4監(jiān)測(cè)線上控溫半徑穩(wěn)定在2.5 m，T1～T7監(jiān)測(cè)線上控溫半徑穩(wěn)定在2.6 m。由圖8可以看出，60 d時(shí)，T1～T4監(jiān)測(cè)線上控溫半徑為2.11 m，T1～T7監(jiān)測(cè)線上控溫半徑為2.89 m。

圖7 4 m深初始溫度與60 d溫度對(duì)比

圖8 5 m深初始溫度與60 d溫度對(duì)比

根據(jù)不同深度平面內(nèi)控溫半徑分析可以得出，熱管在熱源溫度為200～500 ℃，熱管插入深度為5 m深情況下，控溫半徑最大可達(dá)3 m，最佳控溫半徑為2 m。

5 結(jié)論與建議

綜上，通過(guò)對(duì)單管降溫效果與控溫半徑分析可以得出以下結(jié)論。

(1)熱管在自燃煤矸石山降溫過(guò)程中表現(xiàn)出出色的冷卻性能，安裝熱管后各測(cè)溫點(diǎn)溫度值隨時(shí)間逐漸降低，在60 d內(nèi)最大降溫值為27 ℃，平均降溫0.45 ℃/d，能夠發(fā)揮其導(dǎo)熱、降溫性能，治理煤矸石山自燃問(wèn)題。

(2)豎直方向上，熱管蒸發(fā)段所在深度為降溫效果最佳深度范圍，熱管能夠提供持續(xù)的降溫性能。實(shí)際應(yīng)用中還需結(jié)合矸石山熱源溫度大小和位置改變熱管尺寸和插入深度。

(3)水平方向上，單管的降溫效果隨距離增加而減小，控溫范圍有限，單管控溫半徑最大可達(dá)3 m，最佳控溫半徑為2 m。

本次試驗(yàn)熱管型號(hào)、插入深度和熱源溫度固定，且試驗(yàn)時(shí)間較短，試驗(yàn)結(jié)果存在一定局限性。因此，熱管尺寸、插入深度、熱源溫度等對(duì)降溫效果和控溫半徑的影響還需要進(jìn)一步研究，并且在矸石山實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要結(jié)合群管降溫，以達(dá)到更好的降溫效果。