碾压遮盖煤堆氧化升温规律研究

刘国忠

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037)



碾压遮盖煤堆氧化升温规律研究

刘国忠

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037)

通过对碾压覆盖煤堆露天自然环境下氧化升温过程的试验测试，得出了煤堆氧化进程中内部不同区域的升温规律，为煤堆翻烧预警、热值损耗分析以及自燃防治技术提供科学依据。

煤堆 碾压遮盖 氧化升温 升温规律 水分

日常实践表明，将煤堆碾压，然后用篷布遮盖存放是防止煤自燃、减少煤热值损耗的经济有效手段。通过对碾压覆盖煤堆露天自然环境下氧化升温过程的试验测试，探讨了煤堆氧化进程中内部不同区域的升温规律，为煤堆翻烧预警、热值损耗分析以及自燃防治技术提供科学依据。

1 煤堆自燃影响因素分析

煤自燃是一个极其复杂的物理、化学作用过程。煤氧复合作用假说认为煤自燃的主要原因是煤与氧气之间的物理、化学复合作用的结果，即煤对氧的物理吸附、化学吸附和化学反应产生的热量导致煤的自燃。在不同阶段不同的作用分别占据主导地位。物理吸附作用在极低温度下便可发生，其产热对煤自燃的初始氧化升温起着重要的推动作用。当温度继续上升时，化学吸附和化学反应增强，放热量增大，氧化升温速度加快。

煤自燃实质是煤体氧化放热和向环境散热这对矛盾运动的结果。当煤氧化放热量大于向环境的散热量时，煤体热量得以积聚，温度升高，最终导致自燃。煤体自燃不但与煤种、煤岩结构、煤中矿物质等内在氧化放热特性有关，还与煤体空隙率、氧浓度、漏风强度、煤体厚度、环境温湿度、煤的粒度、水分含量等有关。煤自燃是内外因素的有机结合，在实际条件下，煤体自燃是上述诸多因素相互作用的结果。针对特定碾压遮盖煤堆而言，经过碾压后内部空隙率大大减小，遮盖篷布后与外界有着良好的阻隔，极大地减小了漏风供氧，抑制了煤堆内外部的热传导和水分交换，因此，碾压煤堆受外部环境因素影响相对较小。

2 碾压覆盖煤堆现场试验方案

在某个储煤场选取生产过程中实际规模的碾压遮盖煤堆进行现场试验。存煤过程中在煤堆四周不同方位预埋热电阻进行测温，测定得到不同位置点温度大小以及随时间的变化趋势，通过对温度的考察分析煤堆升温进程的推动因素。试验煤样为高挥发分、较低灰分的烟煤，煤中的水分为3.13%，灰份为16.93%，挥发份为35.38%。

现场选取煤堆如图1所示，煤堆处于自然环境状态下，尺寸为26 m×136 m×8 m。煤堆经过多层压实，成型后篷布覆盖。试验设备主要由数据采集系统和铂电阻测温元件组成。在煤堆腰线垂高约2 m位置布置6组测场，每组3个测点，分别深入煤堆内部1 m、3 m、5 m位置，共18个测点，布点平面示意图和实景图分别如图2和图3所示，测点布置完毕后用篷布覆盖煤堆。试验从2015年2月份开始，12月份结束。试验期间，2-7月份温度和降雨量同步上升，现场最高温度和最大降雨量均出现于7、8月份，最高温度为30℃，最大月降雨量为300 mm，8月份之后温度和降雨量又同步下降。

图1 现场煤堆堆放情况

图2 煤堆布点平面示意图

图3 煤堆布点实景图

3 试验结果分析

3.1 煤堆氧化升温进程分析

本次现场试验共采集数据近10万个。根据试验得到的结果，剔除异常值后，以存煤日期为横坐标，以温度为纵坐标在直角坐标系中描点观察煤体温度随时间的变化关系。由测点温度随时间变化关系曲线知，各组测点升温曲线变化近乎保持一致，出现最高温度的时间点同步，本文分别选取第6组、第4组两组有代表性测点进行分析，如图4所示，图中A、B、C分别为埋深1 m、3 m、5 m位置测点。由图4可知：

图4 煤堆不同埋深测点随时间变化曲线

(1)煤堆经过了重车的碾压，边坡进行了拍压，煤体内部空隙率大大减少，堆煤成型后又进行了篷布覆盖，与外界环境有着良好的阻隔，极大地减小了漏风供氧，抑制了煤堆同外部环境的热湿交换，同时也减小了光照的辐射作用。因此，碾压煤堆整体受外部环境因素影响相对较小。

(2)同一层位腰线不同埋深测点随时间的变化曲线和顶部不同垂直深度的测点随时间的变化趋势一致。

(3)前期B、C两点升温速率较大，煤堆温度持续上升至8月上旬，约180 d后C点温度先达到存煤周期温度最大值40℃，又历经约20 d后B点温度达到最大值40℃。随后，B、C测点煤堆温度值开始下降，下降趋势和测点的埋深存在一定的相关性，C点下降速度明显大于B点，而浅表A点温度在存煤周期内保持缓慢上升趋势。

(4)堆煤初始外界环境温度为4.2～11.5℃，煤堆起始温度值约为12℃，略微高于环境温度，原因为堆煤过程中有少量降雨导致煤体产生润湿热引起温度上升。

3.2 煤堆氧化升温规律

根据煤堆氧化进程的分析，总结得出碾压遮盖煤堆氧化升温规律。

(1)从碾压遮盖煤堆升温进程来看，各测点均处于40℃以下，根据煤氧复合反应过程判断，煤未发生剧烈化学反应，主要的煤氧复合作用为物理吸附，伴有少量化学吸附和化学反应。

(2)初期储运期间未加篷布，由于降雨产生的润湿热使得煤体的温度有了一定程度的上升；后期加盖了篷布，雨水不能浸入煤体，对煤体的温度没有大的影响。

(3)煤堆升温的必要条件为内部空隙持续供应一定浓度的氧气，具有良好的蓄热环境。存煤过程中，煤体获得氧气的途径主要为扩散流动，因煤堆的密实性较好，在煤氧复合的不断作用下，进入煤堆内部的氧气存在浓度梯度，越深入煤堆内部，氧气含量越低。5 m处C点相较3 m处B点有更好的蓄热环境，表现为存煤前期升温速率较大，温度值较高。随着氧化反应进程的不断发生，煤体温度不断升高，煤体粒度减小，表面积不断增大，煤的吸氧和耗氧量增大，A、B、C 3点形成需氧的竞争关系，表现为深部测点温度迅速下降。A点由于靠近煤堆表面，散热条件较好，升温比较平缓，同时获得氧气能力最强，温度衰减最慢。

(4)随着煤升温高，水分蒸发造成内部蒸汽压变大，从煤堆内部向外传质传热，抑制了氧气的传输作用，延缓了煤温的上升，同时煤堆浅表温度相对较低，一部分水蒸气冷凝于浅表煤体和篷布之上形成少量润湿热和汽化潜热，对煤温的降低进行少量的补偿。试验期间选取煤堆浅表不同时间点煤样进行水分含量分析，作出碾压煤堆浅表水分含量随时间变化趋势图如图5所示。由图5可知，水分含量随时间的推移而不断增大，由此也验证了煤堆内部水分传质传热的过程。

图5 碾压煤堆浅表水分含量随时间变化趋势图

综上所述，碾压煤堆升温为多因素相互作用的结果，是产热和散热不断平衡的产物。研究发现碾压遮盖煤堆深部煤体受氧浓度限制不易自燃，浅表煤体1～3 m受外界环境干扰相对较大，较易产生自燃现象。

4 结语

(1)对碾压遮盖煤堆进行了热电阻布点监测，根据所测数据得出了煤堆的氧化升温规律。

(2)经过充分碾压、篷布覆盖后的煤堆具有良好的隔氧能力，能显著地抑制煤体的氧化进程，防止煤自燃的发生。

(3)考察煤堆不同测点均显示出以40℃为反应拐点，40℃以后碾压煤堆由于良好的密实性，加之内部水分蒸发作用，使得煤堆获得外界氧气能力持续减弱，难以向化学吸附、化学反应快速升温阶段转变，由此温度逐步降低。

(4)水分在煤堆氧化升温进程中表现出了重要的作用，既有抑制作用又有促进作用。在初始阶段，不同煤堆由于水分的润湿放热作用，使得煤堆起始温度值较高；在存煤期间，又由于水分蒸发造成内部蒸汽压变大，抑制了内部煤体获得氧气的能力。

(5)通过本次研究表明，碾压遮盖煤堆1～3 m深度的煤体更易自燃，随着深度的增加，虽然蓄热环境好，但供氧量较小；随着温度的升高，水分蒸发，温度逐步回落，降温速率较大，深部煤体升温具有自限性；而浅表煤体与外界环境接触相对较好，供氧较为充足，易于向快速氧化阶段转变。

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(责任编辑 张艳华)

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

刘国忠.碾压遮盖煤堆氧化升温规律研究[J].中国煤炭，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

刘国忠(1982-)，山东青州人，助理研究员，硕士，2008年毕业于中国矿业大学，主要从事煤自燃防治技术研究。