基于热管群的自燃煤矸石山降温试验研究

为防止矸石山自燃引起空气、土壤污染,避免滑坡、爆炸等灾害,从根本上解决煤矸石山自燃问题,基于热管相变传热原理,通过煤矸石山现场群管试验,研究了群管布置间距、管型组合对降温效果的影响。结果表明：群管在自燃煤矸石山的降温效果显著,100 d内,监测点最大降幅值为91℃,平均降温0.91℃/d;高温区布置间距4 m群管能够控制自燃升温,保持温度稳定下降;中温区布置间距为5 m群管能够抑制氧化升温,在部分较高温度区域还需适当改变布置间距以达到更高效降温;低温区布置间距为6 m群管能够防止温度升高,预防低温区升温自燃;热管蒸发段所在位置为矸石山降温效果最佳深度,长短管交替布置可避免长管移热过程造成浅层温度升高,有利于对煤矸石山温度的全面控制与灭火。     

自燃煤矸石山温度特征研究

依据在山西省阳泉市280自燃煤矸石山的温度测定试验,研究了自燃煤矸石山温度的变化特征。研究结果表明:温度水平分布没有规律性,分布极不均匀;垂直方向温度由表及里先升高后降低,大约在7m左右最高,再向里温度开始下降;浅层温度与气温的变化规律一致,具有明显的日变化和季节性变化,深层变化不明显;煤矸石山土壤导热性较低,温度由最高点随距离增加而急剧降低,一个高温区的影响范围一般为10m。     

自燃煤矸石山内部温度拟合与可视化研究北大核心

分析了煤矸石山的自燃机理,采用土壤温度传感器测量煤矸石山内部不同深度的温度,结合传统测量手段定位温度采样点。通过MATLAB软件对每一层煤矸石温度进行插值分析,有效分析煤矸石山深部温度的分布特征,建立了竖直方向一元三次函数拟合模型,揭示出煤矸石山深部温度的变化趋势。通过相关系数和测量误差理论,确立了煤矸石山深部温度拟合最优模型,实现了自燃煤矸石山的火源定位及温度分布可视化,可为自燃煤矸石山灾害预警及治理提供技术指导。     

基于温度场迭加法解析煤矸石山内部温度场

为了探测自燃煤矸石山内部温度随时间和深度的变化情况,对煤矸石山的自燃深度和时间进行测算及预警。基于热传导理论模型,采用热源温度场迭加法解析自燃煤矸石山内部温度场。通过野外实际实验模拟,采用温度场模型对实验数据进行解析计算,得出结论：该模型适用于自燃煤矸石山内部温度场的解析计算,且计算简单,误差基本控制在10 ℃范围内,最大误差为20 ℃,模型精度较高,对自燃煤矸石山的火源位置探测及预警具有重要的指导意义。     

热管抑制煤自燃的降温效应分析

为了有效扩散煤堆内部积聚的热量从而抑制煤火自燃灾害的出现,基于高效相变的热管深部移热技术实现自动快速转移煤自燃热量,采用实验的方法对比分析了所设计的热管插入煤堆前后煤层内部的降温效应,得到了煤层温度随热管插入间距、深度及角度分布和煤层蓄热量的变化规律,探讨了热管扩散煤堆自燃热量的降温冷却效应传递机理。结果表明所设计的热管可以自动连续实现有效扩散煤堆氧化所蓄存热量,有望利用热管的自动调温特性实现各煤层温度平衡,对于预防煤田自然发火具有一定的参考价值。     

热管转移煤堆自燃热量的影响因素研究

为进一步研究不同充液率热管作用于不同热源条件下煤堆内温度场的变化规律,采用自主搭建的热管-煤堆实验平台,测试热管作用于煤堆的移热效应。实验通过热管对煤堆的降温特性分析以及前后期热管降温速率的对比分析,对整个热管抑制煤自燃系统进行优化,以确定合适的热管充液率。结果表明:充液率为20%的热管能实现对煤堆内蓄热量快速转移的最佳效果;实验发现煤堆高温区的温度大小对于热管移热性能影响较大,同样充液率条件下,热管在高温热源下煤堆降温速率是低温热源下降温速率的2倍;越靠近热源处的煤体,其温度幅度变化受到热源和热管作用双重影响越明显。     

自燃煤矸石山的遥感识别——基于Landsat 8热红外波段地表温度反演数据

自燃煤矸石山的准确识别和温度影响范围圈定是矿区安全生产、生态修复的关键,煤矸石山自燃过程中表现出的地表温度异常成为其最明显的特征。如何在较大区域尺度快速识别自燃和潜在自燃的煤矸石山,对于自燃煤矸石山治理与防患工作有效开展至关重要。以Landsat 8 TIRS为数据源,利用大气校正法反演获取山西省阳泉市2018年冬季和2019年夏季两天的地表温度,同时利用监督分类法获得的高精度土地利用类型图去除了水体、植被和建筑用地。对得到的包含裸地、煤矸石山的地表温度区域使用阈值分析法,获得了2018年冬季地温异常区域温度范围为11.75~22.12 ℃,2019年夏季地温异常区域温度范围为32.41~43.31 ℃。利用已知的42座自燃矸石山进行验证,结果表明：2018年冬季和2019年夏季分别能够识别出的自燃煤矸石山有32座和27座,精度达到了76.19%和64.28%。基于上述提取结果对自燃煤矸石山的影响边界和范围进行了划定,结果表明:自燃煤矸石山的高温影响范围超过500 m。研究结果可为矿区自燃煤矸石山识别提供参考。     

煤矸石山的自燃规律与综合治理工程措施研究

自燃煤矸石山处在不同发育阶段具有不同的燃烧特点。根据矸石山自燃机理和自燃发展不同时期的特征,划分出矸石山自燃的孕育期、发生期、发展期、衰退期4个阶段,由此确定治理施工的安全区、危险区和高危险区。根据矸石山自燃规律,可以选择覆盖法、注浆法等相应的治理方法,抓住有利的治理时机,以有效预防和整治煤矸石山的自燃。针对不同发育时期的煤矸石山燃烧特点,选择不同的预防和整治措施,可以达到事半功倍的效果。     

煤矸石覆土填沟关键工艺参数确定与应用

煤矸石大规模堆积排放造成的环境问题一直是行业关注的热点和难点。针对某煤矿地表冲沟发育、煤矸石产量大的特征，因地制宜、因企制宜提出采用覆土填沟的处理方法，并建立煤矸石分层覆土填沟模型，通过排矸场地内部温度-渗流场的变化，研究“煤矸石+黄土”不同层厚比例下煤矸石阻燃的效果。研究结果表明：该矿煤矸石中铬、镍、铜、锌等重金属含量符合农用土壤标准，可以用作填沟的材料；随着覆土层厚的增加，煤矸石内部的温度传递速度和空气的渗流速度逐渐降低，结合灰色关联模型，综合考虑阻燃效果和黄土含水率确定最优覆土厚度为50 cm;确定并实施了“300 cm煤矸石+50 cm黄土”的覆土填沟参数及工艺，该工艺参数应用后，煤矸石层温度与表层黄土温度和地表的外界温度相近，煤矸石自燃的防治效果良好，研究成果可为矸石地表规模无害处置方式提供借鉴。     

采煤工作面局部风流雾化降温效果分析

为分析低温雾化喷淋对高温采煤工作面局部风流的降温效果,采用Eulerian-Lagrangian二相流描述方法,通过液滴与湿空气的双向耦合作用,对高温风流的降温效果进行了数值计算,计算结果表明：1次降温后,风流温度约有4℃的急剧降低,1排喷嘴的有效作用距离为10 m,10 m后,风流温度又逐渐升高1.5℃,总体上,回采面风流的温度呈现出阶跃性的上升趋势;拟合得到的风流降温效果随喷嘴流量呈负指数变化;液滴喷射角在70°~90°范围时,降温效果较明显,而细水雾的高压雾化喷嘴能明显提高降温效果。     

矿井下高温硐室降温装备降温效果试验研究

针对矿井高温硐室温度难以降低及控制等问题,以某矿井高温硐室为研究对象,分析了矿井高温硐室降温装备及降温原理,对不同降温设备及降温空调对矿井硐室降温效果进行试验研究。研究结果表明,矿井高温硐室的温度都随着降温时间的增加呈现先逐渐降低后保持平稳的趋势,且不同降温设备及降温空调在相同时间内对矿井高温硐室的降温效果不同,为矿井高温硐室降温装备体系选型及优化提供重要的参考。     

煤矿矸石山自燃治理技术研究与实践

为了有效防治煤矿矸石山的自燃,以白芨沟煤矿南四矸石山自燃火区为研究对象,根据矸石山的自燃特点,采用红外成像技术及远程温度监测技术对煤矸石自燃范围和程度进行了探测,根据测定的矸石山深孔及浅孔的温度分布情况,制定并实施了以“黄土覆盖、黄土隔离和灌注泥浆”为主的综合治理技术措施,有效抑制了煤矸石火区的供氧,阻止了火区的进一步发展,并通过降低火区高温直接灭火,且消除了井下影响2521工作面上隅角的CO,有效保证了工作面的安全回采.     

荫营煤矿自燃矸石山温度场分布及深部温度拟合

为明确自燃矸石山内部温度分布特征,建立了温度自动监测系统,利用热电偶实时测试阳泉市荫营煤矿矸石山不同深度的温度,借助统计学方法分析了矸石山内部水平和竖直方向温度分布规律,采用最小二乘法建立了浅深层温度间的拟合模型,并进行拟合优度检验和显著性分析。结果表明,矸石山在水平方向上可分为高温区、中温区和低温区3个分区,高温区主要分布在靠近边坡的一侧,该区域测点温度随着深度的增加先升高后降低,在深度6.0 m处温度达到峰值;平台最高温度667℃,位于地表以下6.0 m水平线与斜坡以下6.0 m平行线的交点处,说明距表面6.0 m处自燃倾向性最高;一元二次模型拟合效果更佳,回归效果显著,可作为浅层温度估算深层温度的经验回归公式。     

煤矿矸石山自燃火区判定技术

在结点红外测温基础上应用改进谢别德插值法,并借助计算机软件对矸石山地表温度进行计算分析,得出地表高温区域分布;以煤矸石自燃标志性气体浓度为指标,利用多参数气体检测仪对地表高浓度区域进行判定;最后采用"先疏后密"的方式施工探测钻孔,逐步锁定矸石山内部火区,从而形成一套完善的矸石山自燃火区判定技术并应用于山西盂县玉泉煤矿。     

煤矸石人工热储的建造及自燃热能潜力分析

针对山西省阳泉市荫营煤矿矸石山自燃造成的环境污染和能源浪费问题，提出了以煤矸石为原材料建造人工热储并利用内部自燃热能的方案；研究了煤矸石自燃耗氧速率、放热速率和可燃物剩余量的动态变化规律；建立了温度场、渗流场、氧气浓度和可燃物剩余量分布的多物理场数学模型；评价了煤矸石热储的供热潜力。研究结果表明：人工热储内空间分布不均匀的温度场会产生烟囱效应，使渗流速度增大、对流换热增强；高温区的煤矸石氧化反应较快，可燃物剩余量较少和氧气浓度衰减幅度较大。连续取热720 d后，“U”形管进出口温度差超过10℃,出风口流出的空气温度超过55℃;同时可燃物剩余量超过60%的煤矸石体积占比依旧超过94%。研究认为，利用煤矸石建造的人工热储可以长时间提供优质热量。     

热管充液率对高温煤堆内部温度场的影响分析

为了研究热管充液率对热管散热性能及高温煤堆内部温度场的影响,采用实验的方法研究热管插入高温煤堆后煤堆内部的温度场变化,在75～25℃内分析了热管不同充液率条件下煤堆内部高温点的降温速率,研究了热管对煤堆内部温度场的影响。研究结果表明:热管可以有效地破坏煤堆内部蓄热环境,其作用效果可分为3个阶段,分别为大幅降温阶段、过渡阶段、稳定阶段;充液率对热管的传热性能有明显影响,热管充液率为40%时,煤堆内部高温点的降温速率最大为9.92℃/h,充液率为10%、30%时热管传热能力次之,充液率为20%时热管传热能力最差;热管对煤堆内部3个水平面温度场的影响有显著差异,在上水平面和中水平面主要依靠热管管壁传热,在下水平面主要依靠热管工质相变传热。     

矸石山自燃危险性评价及治理技术

为简便快捷地评价矸石山的自燃危险性并实施有效的防治措施,以煤矸石的自燃倾向性、漏风供氧、聚热散热和外界条件为指标建立了矸石山自燃危险性评价指标体系,运用该指标体系对白家庄矿矸石山的自燃危险性进行了评价.结果表明,该矸石山自燃危险性高,为易自燃矸石山,采用红外热成像技术和钻孔测温相结合的方法对矸石山进行了火源探测,进而采取覆盖剥离、注浆灭火和注浆封堵相结合的措施对其进行治理.通过治理,矸石山内部温度从390℃降到80℃以下,达到了相关规范的要求.     

无人机遥感支持下的煤矸石山自燃监测与预警

复垦后煤矸石山的复燃问题是矿区土地复垦与生态环境保护中的巨大挑战。超前和及时的自燃监测和预警对治理至关重要，同时也一直是研究和治理中的难题。研究基于无人机遥感技术，提出了一种在复垦后利用植被紫花苜蓿评估煤矸石山自燃风险的方法，并对该方法在自燃监测和预警中的可行性进行评估。以中国山西省某复垦后自燃煤矸石山为例，利用无人机搭载可见光、热红外相机获取了某复垦后煤矸石山的无人机影像，并基于无人机影像提取的图像特征估算了紫花苜蓿地上生物量、株高和植被水分信息；在此基础上提出了自燃风险评估方法，在已发生自燃的研究区A1开展预警可行性探究；同时，利用上述方法对一未知(潜在)自燃研究区A2的自燃风险进行评估。研究结果表明：(1)无人机是煤矸石山植被监测的有效工具，基于无人机遥感图像特征能够实现紫花苜蓿长势参数的精准估算。基于随机森林的紫花苜蓿生物量和植被水分估算模型在验证集上的决定系数R²分别为0.92和0.78，均方根误差RMSE分别90.58 g/cm2和4.29%；基于作物高度模型的株高预测结果的R²为0.92,RMSE为7.58 cm。(2)3种紫花...     

孔隙率和风速对煤矸石山自燃的影响

煤矸石山一般以顺沟排放和自然堆积为主,长期堆积会导致其自燃。为减小煤矸石山自燃的风险,采用Fluent软件探究孔隙率和外界风速对矸石山内部温度场分布的影响。数值模拟表明,煤矸石山自燃的孔隙率范围为0.20～0.40;孔隙率为0.20时,对应的风速是0.5 m/s,高温危险区域与斜坡面垂直距离为4.0 m;孔隙率为0.35时,对应的风速是0.01～1.8 m/s,高温危险区域与斜坡面垂直距离为2.8～7.5 m;孔隙率不变时,风速的提高会导致矸石山高温区与斜坡面的垂直距离增大;风速不变时,孔隙率的提高会导致矸石山高温区温度先升高,后降低。     

热泵与动力热管复合的深井热害控制试验研究

随着矿井开采深度的日趋增加,井下高温热害越来越严重,现阶段应用于矿井中的降温措施主要有非机械式制冷技术和机械式制冷技术,部分方法简单易操作但是降温效果不佳,部分方法降温效果良好但是受地势影响较大且安装成本高。提出并研究了高效制冷和远距离传热的热泵与动力热管复合系统。通过搭建试验平台,模拟井下工作环境,在不同热管长度条件下进行试验和测量,研究了不同长度对系统换热性能的影响。结合实际情况,分析了热泵与动力型分离式热管复合系统用于井下降温时在设计上和性能上的优势,明确了该系统在矿井中应用的可行性。研究表明:系统换热量随着蒸发段温度的升高或冷凝段温度的降低而增加;系统驱动温差越大,换热效率越高,同时所提出的试验系统可以在驱动温差为0或者蒸发段温度低于冷凝段温度时正常使用;工质循环动力泵流量增大,系统换热量先增大后保持不变,系统管路越长到达稳定值需要的动力泵流量越大,管路沿程损失对系统性能有一定的影响。