基于热管的自燃煤矸石山降温效应

高彤， 张永波*， 柴丽霞, 陈俊兴

(1.太原理工大学水利科学与工程学院， 太原 030024; 2.山西宏鼎科技有限公司， 太原 030000)

煤矸石是煤炭开采和加工过程中产生的一种低碳、高灰分的工业废弃物[1]，含有多种有机和无机化合物[2]。鉴于煤矸石的利用率较低[3]，大量的煤矸石被堆放在矿区附近的沟谷之中[4]。截至2017年，中国煤矸石的总积存量为46 t以上，占地1.2万hm2以上，且总量以1.6亿t/年的速度持续增长，形成大小不同的煤矸石山约1 600座[5]。由于煤矸石中存在黄铁矿等引燃物，长期暴露在空气中容易发生氧化和自燃[6]，并释放出有害物质，包括粉尘、CO、SO2、H2S和氮氧化物[7]等有害气体。同时，会析出重金属[8]、多环芳烃[9]及硫、砷、汞、氟[10]等多种有害物质，对生态环境造成危害，影响人类生命安全。

目前治理煤矸石山自燃方法主要包括挖除火源法、表面封闭法、注浆法以及多种方法结合[11]。这些方法治理效果良好，但也存在一定的缺点。直接挖除法仅适用于自燃初期，火源温度低、火区范围小的区域；表面封闭法可以隔绝氧气达到控制燃烧目的，但内部热量仍然存在，一旦封闭材料被破坏，矸石山将继续燃烧放热；注浆法在施工过程中需要大量烧碱，治理成本高亦存在复燃现象出现。因此，开发一种新的治理方法是必要的。

热管是一种新型高效传热元件，通过工质的相变转换进行热量转移，在工程的散热、换热中显示出极大优越性[12]，并在化工、能源和矿山等各个领域得到广泛的应用。陈继等[13]在青藏高原铁路路基冻土保护研究中，应用热管保持地基温度稳定，并计算分析得出热管的影响半径。李巍等[14]将重力热管用于油田井筒伴热， 用于提高产出液温度， 解决产量递减问题。Schmidt等[15]在乌达煤田火区进行了单根热管的降温试验，6个月内距离热棒1.5 m处的温度从270 ℃降到250 ℃。邓军等[16]、Li等[17]在室内展开热棒对煤堆自燃降温的试验研究，得出降温效果随距离增加而减小，20 cm处降温效果最佳，且单根热管降温半径随时间推移而扩大。王建国等[18]研究不同翅片热管对煤堆内部温度场分布影响，得出弯曲垂直翅片热管降温效果最优。

目前，中外学者对热管在煤堆灭火防治研究较多，在煤矸石山降温灭火应用研究相对较少，现场试验还未开展，对热管降温效果、规律掌握较少。因此，以阳煤集团三矿大垴梁煤矸石山作为试验基地开展现场试验，探求热管对煤矸石山内部温度影响和控温规律，为煤矸石山自燃防治提供试验依据。

1 热管结构及工作原理

热管是通过相变进行高效传热的装置，其组成包括有蒸发段、冷凝段、绝热段和内部工作介质(工质)等。蒸发段采用耐高温、导热性好的材料制成，通过吸收矸石山内部热量使工质蒸发，热量随工质气体转移至冷凝段；冷凝段由外露光管和螺旋翅片组成，通过与空气接触进行换热，使内部工质气体冷却回流；内部工质作为传输热量的介质，通过相变转移热量，热管各部分如图1所示。

图1 热管工作原理

在煤矸石山的降温应用中，将热管的蒸发段置于煤矸石山内部高温处，冷凝段置于空气中。蒸发段吸收热量使工质蒸发上移至冷凝段，与管壁接触放热冷凝成液体，在重力作用下沿管壁回流至蒸发段重新吸热蒸发，工质在热管内部不断循环，实现煤矸石山内部热量的转移[19]，达到破坏蓄热条件阻止煤矸石山发生自燃的目的。

2 试验地点与方案

本次现场试验以阳煤集团三矿大垴梁煤矸石山作为试验基地。矸石山内部温度在50～750 ℃范围内，其中有一半区域内部已发生燃烧，其余区域处于氧化阶段，在内部蓄热条件良好、氧气条件充足情况下容易发生自燃。

单管试验位置选自燃烧高温区域，使用的热管为带翅片热管，长度7 m、直径89 mm、翅片管总长度1.2 m，翅片高度25 mm、翅片厚度1.5 mm、翅片节距15 mm。试验所用测温设备为铠装高温热电偶，测温范围-270～1 170 ℃。监测记录2020年12月5日—2021年2月2日(历时60 d)，期间矿区附近环境温度变化如图2所示。

图2 环境温度曲线

热管及测温点布置平面图和剖面图如图3所示。热管安装在T1位置处，地下5 m、地上2 m，外露空管0.8 m，翅片管1.2 m。在热管周围布置两条监测线，分别为T1～T4监测线与T1～T7监测线，两条监测线夹角为120°。测点在水平、垂直方向上间距均为1 m，布置深度为6 m，测点数量共35个。

图3 测点布置图

3 初始温度场分布

试验热管安装前，对每个测点测定初始值，绘制不同水平层初始温度图，绘制结果如图4所示。初始温度最大值在T1位置6 m深处，最大值为484 ℃。

图4 不同水平面初始温度图

水平方向上，根据各深度初始温度等值线图可以看出，2～6 m温度最大值分别出现在T6、T1、T7、T3、T1位置。温度最大值出现在不同位置，是因为矸石山在堆积过程中，堆积不均匀性、矸石成分不同、风化特征差异以及传热特性不同等造成矸石山内部不同位置出现多个自燃点，并且在矸石发生自燃后，不同方向的火区蔓延速度相差较大[20]。

垂直方向上，各点温度随深度增加温度升高，6 m为温度最大值深度。在2 m深位置处温度在80 ℃以上，矸石山内部处于低温氧化阶段，由于温度较低且受环境对流影响温度保持较低水平；2～4 m温度在280 ℃以下，此时矸石山处于高温氧化阶段，随深度增加蓄热条件变好，热量不易散出，温度逐渐升高并促进氧化进程加速，若不治理随时可能发生自燃，自燃后治理难度将大大增加。5 m以下深度温度均已达到300 ℃以上，矸石山已发生自燃，并且内部蓄热条件好，温度持续升高，火区会蔓延至未燃区域造成煤矸石山全面自燃。

4 试验结果与讨论

4.1 热管降温效果分析

根据现场观测结果可知，热管能够有效导热降温，除T4、T7测温点因距离热管较远温度升高外其他测温点温度均明显下降。以T1历时60 d观测资料为例分析热管降温效果，绘制温度随时间变化曲线，结果见图5。

如图5(a)为2 m深60 d温度变化情况，初始温度为91 ℃，在15 d时降至最低温度88 ℃，60 d时温度回升至92 ℃，温度波动频率高但变化幅度小。2 m深处降温效果不明显，其一，是由于埋深浅温度受环境影响大，温度波动变化；其二，2 m深处于热管蒸发段上部，且温度较低，相比于高温热源移热效率低[18]。

图5(b)～图5(d)表示3、4、5 m温度变化情况，从图中可以看出温度持续下降，伴随小幅度波动。在60 d内，温度下降速度随时间逐渐增大，在30 d后逐渐减小，各深度降幅值分别为19、23、19 ℃。因此热管蒸发段位置处能够有效提取矸石山内部热量，控制热源降温。

图5 T1测温点不同深度温度曲线图

根据图5(e)温度变化可以得出，6 m深温度随时间先下降后上升至平稳，60 d时温度稳定在481 ℃，降温值为3 ℃，降温效果不明显。由于热管插入深度为5 m且热源温度高，单根热管移热效率有限，并且环境温度在40 d后逐渐上升，使热管移热效率降低，温度回升。因此，单管在6 m深位置仅能抑制热源温度升高。

竖直方向上，T1测点降幅值随深度增加先增大后减小，最大降值出现在4 m深处，大小为23 ℃，当深度超过5 m时，降温效果下降，表明热管在竖直方向上控制深度有限。综上，热管在矸石山表层降温效果不明显，是环境温度变化和热管插入位置的影响造成的；在3～5 m深度范围温度持续降低，表现出良好的导热和降温性能，是因为热管蒸发段所在深度具有较高的移热效率，能够提供持续降温效果；6 m深位置降幅小，是由于热管插入深度为5 m，并且6 m深位置热源温度较高，致使6 m深位置降温效果不显著。因此，在未来热管的试验及应用中，需结合热源温度大小和位置，改变热管尺寸和插入深度，以达到对煤矸石山自燃的控制与治理。

4.2 热管控温半径分析

各测点60 d降温幅度如表1所示。水平方向上，根据两条监测线上不同距离测点降温值得出，随着测点与热管距离增加降温值减小，说明距离热管越近降温效果越好，在T4、T7位置处温度不降反升，表明热管在水平方向上控温范围有限。因此，为进一步确定热管的控温范围，选取降温效果最佳深度范围3～5 m，进行单管控温半径分析。

图6～图8为安装热管后不同时间温度分布图与初始温度对比所得，其中深色区域为随时间增长温度升高区域，浅色为温度随时间增长降低区域。

从图6各时间降温区域和半径在不断变化，且在两条监测线方向上半径变化不相同。在T1～T4监测线上控温半径随时间增加而减小，在60 d时稳定在2.22 m。在T1～T7监测线上，控温半径随时间增加先增大后减小并逐渐稳定，60 d时控温半径为2.24 m。控温范围变化是由于热管降温能力随环境温度变化造成的，图2显示在40 d前环境温度处于较低水平，有利于热管移热降温，所以在T1～T7监测线上控温半径随时间先增加后减小。通过以上分析得出，热管在3 m深水平面内控温半径为2.2 m。

图6 3 m深不同时段温度变化

4、5 m深度温度随时间变化与3 m深相同，在60 d时控温范围达到稳定状态。通过图7可以得出，在4 m深水平面内，T1～T4监测线上控温半径稳定在2.5 m，T1～T7监测线上控温半径稳定在2.6 m。由图8可以看出，60 d时，T1～T4监测线上控温半径为2.11 m，T1～T7监测线上控温半径为2.89 m。

图7 4 m深初始温度与60 d温度对比

图8 5 m深初始温度与60 d温度对比

根据不同深度平面内控温半径分析可以得出，热管在热源温度为200～500 ℃，热管插入深度为5 m深情况下，控温半径最大可达3 m，最佳控温半径为2 m。

5 结论与建议

综上，通过对单管降温效果与控温半径分析可以得出以下结论。

(1)热管在自燃煤矸石山降温过程中表现出出色的冷却性能，安装热管后各测温点温度值随时间逐渐降低，在60 d内最大降温值为27 ℃，平均降温0.45 ℃/d，能够发挥其导热、降温性能，治理煤矸石山自燃问题。

(2)竖直方向上，热管蒸发段所在深度为降温效果最佳深度范围，热管能够提供持续的降温性能。实际应用中还需结合矸石山热源温度大小和位置改变热管尺寸和插入深度。

(3)水平方向上，单管的降温效果随距离增加而减小，控温范围有限，单管控温半径最大可达3 m，最佳控温半径为2 m。

本次试验热管型号、插入深度和热源温度固定，且试验时间较短，试验结果存在一定局限性。因此，热管尺寸、插入深度、热源温度等对降温效果和控温半径的影响还需要进一步研究，并且在矸石山实际应用时需要结合群管降温，以达到更好的降温效果。