露天煤堆群自燃特性的数值模拟

闫沁阳，刘星魁，常绪华

(1.山西潞安矿业(集团)有限责任公司 通风处，山西 长治 046299； 2.河南工程学院 安全工程系，河南 郑州 451191)

煤炭自燃通常指在矿井开挖过程中诱发的煤炭自发燃烧事故，近20 a事故统计资料显示，煤炭自燃在各类煤矿重大隐患中占比位居前列。近年来随着国家经济政策的宏观调整，煤矿产能有所下降，且煤炭的销量时常发生波动，煤炭储存周转期较以往有所延长，出于成本控制的目的，储煤场地多为简易半封闭式，甚至完全露天堆放，如港口码头、郊外空地等区域，均长期搁置大量煤堆。然而，煤是一种典型的自热自燃物质，露天堆放时煤堆易发生自燃，进而衍生出各类现场安全事故，并且其释放的CO等有毒有害气体会造成持续的空气污染，危及周边作业人员的人身安全，因此有必要对露天煤堆自燃的表征及CO气体弥散规律进行研究。

目前针对单一煤堆自燃现象的模拟和实验研究成果较为丰富，如赵文彬等[1]进行了地面煤堆自然发火的模拟试验, 并依据实验结果分析了煤体自热与自燃进程、温度场等的变化特征；杨永良[2]从模拟和实验两方面验证了加高煤堆底部支撑的防火效果；王国胜[3]基于“三带”的概念对煤堆自燃区域进行了划分；刘星魁[4]、YUAN Liming[5]等模拟了煤堆温度动态分布特征及其影响因素；宋泽阳[6]、刘星魁[7-8]等对煤堆内部漏风分布进行了分析，并模拟了多物理场耦合下煤堆的自燃过程及火点位置;刘向军等[9]利用有限差分方法对二维煤堆自燃模型进行了数值求解，分析了煤堆的不同堆放方式对煤堆传热与燃烧的影响。

上述研究成果均针对某单一煤堆，但实践中露天煤场通常耸立两处以上的煤堆，近距离大型煤堆会对邻近煤堆的漏风强度和趋势造成较大程度的影响，甚至会改变整个煤场的流场分布，进而可能形成与单一煤堆不同的自燃进程，而鲜有研究分析多个煤堆同时自燃时的升温特性，以及煤堆之间由自燃产生的CO分布情况。笔者针对煤堆群自热自燃问题，利用数值模拟分析3种不同堆放方式下露天煤堆群的动态升温过程，并讨论煤堆群自燃特性及CO分布特点，为开展煤场的安全管理工作提供参考。

1 基本假设及数学模型

本次模拟分析的基本假设包括：①煤堆内部气体渗流规律符合Darcy定律；②仅取煤堆某一断面作为分析对象；③空间流场只包括氧气和氮气，且均为理想气体；④煤堆局部区域内流体与固体之间完成热交换后可达到热平衡，二者等温；⑤煤堆物理结构为常量，保持不变。

经过以上5点假设，煤堆自燃等效于二维平面上具有热源的层流多孔区非稳态传热问题。

考虑煤堆内部空气密度随温度变化时的渗流模型可表示为:

(1)

按照Carmen-Kozeny关系：

(2)

式中：ε为孔隙率，参考煤堆典型特征，取0.3；d为煤体颗粒粒径，取10 mm。

煤堆内部的气体扩散模型和升温模型为[10-14]：

(3)

(4)

cwhole=εcair+(1-ε)ccoal

(5)

λwhole=ελair+(1-ε)λcoal

(6)

式中:w为氧气质量分数；t为煤堆氧化时间，s；D为多孔介质内氧气扩散系数，m2/s；r为煤堆消耗氧气能力，是煤自身的物理参数，由实验确定，kg/(m3·s)；ρwhole为煤堆密度，kg/m3；cwhole、cair、ccoal分别为煤堆、空气、煤的比热容，J/(kg·K)；λwhole、λair、λcoal分别为煤堆、空气、煤颗粒导热系数，W/(m·K)；q为放热强度，由实验确定，W/m3。

2 物理模型及计算结果

2.1 物理模型设置

参照煤堆堆放时的形状规模，将煤堆形状设置为梯形，为了分析数座煤堆在不同堆放方式下呈现出的自燃特性差异，分别按“先低后高”“等高”和“先高后低”排列方式设计3种煤堆群，其物理参数和模型布局如图1所示。

(a)先低后高排列

(b)等高排列

(c)先高后低排列图1 3种排列方式煤堆群物理模型示意图

设置速度3 m/s的大气风流依次从左边掠过3座煤堆，风流中氧气质量分数为23%；煤堆内部初始温度与环境温度等同为300 K；煤堆下边界与地面相连，此处气体速度梯度应为0，但可与地面进行热交换，上边界和侧边界分别具有透气性质，与大气相连。其边界上第三类传热条件可表示为：

(7)

式中：h为煤堆漏风边界与大气之间的换热系数，由速度和温度的计算结果耦合决定，W/(m2·K)；Ts为大气温度，K。

将上述数学及物理模型导入FLUENT求解器中，利用基于压力与速度耦合的非稳态方法对煤堆自燃过程中的温度与流场分布进行计算。

2.2 煤堆群自燃升温趋势模拟

3种排列方式下堆放18 d时煤堆群温度分布模拟结果如图2所示。

(a)先低后高排列

(c)先高后低排列图2 3种排列方式煤堆群18 d时温度分布

从图2中横向看，无论何种排列方式均是首座煤堆温度最高，其高温范围也最大，第二座煤堆次之，第三座煤堆温度最低，高温范围也最小。各个煤堆内部高温区均位于煤堆内深部区域，与迎风边界存在1～2 m的距离，这种现象可依据“自燃三带”的理论进行解释[15]。靠近迎风面漏风强度较大，热量不易积聚，靠近背风面氧气含量不足以支撑自燃发生，高温区处于漏风强度适中、氧气充足的中部。漏风强度越大，高温区顺迎风方向越深入煤堆内部，首座煤堆前方没有障碍物，漏风强度最大，这种“自燃三带”的分布越明显。

从图2中纵向看，3种排列方式下，首座煤堆所处位置的漏风强度一致，先低后高排列时首座煤堆温度低于其他两种排列方式时的温度，这是因为煤堆越低，单位时间释放出的总热量越少，且平坦的迎风面利于降低风流掠过煤堆产生的压降，减少外界向煤堆内部的漏风强度；第二座煤堆温度分布也存在明显差异，先低后高排列时其温度大面积超过350 K，高温面积位于煤堆中部大片区域内，而等高排列时第二座煤堆高温面积大幅缩小，只存在于迎风边界附近，先高后低排列时高温范围逐渐减小，大部分区域温度在340 K以下，这与之前形成反差；第三座煤堆温度分布在3种排列方式下相差不大，均处于相对低温阶段。

3种排列方式下堆放18 d时煤堆群漏风速度分布模拟结果如图3所示。

(a)先低后高排列

(c)先高后低排列图3 3种排列方式煤堆群18 d时漏风速度分布

从图3中横向看，在风流依次掠过3座煤堆时，由于煤堆空隙对空气来流的抵御，无论何种排列方式，3座煤堆内漏风速度均会依次逐渐减小，规律较为一致。

从图3中纵向看，先低后高排列时，首座煤堆由于迎风角最为平缓，因此其漏风强度较其他两种排列方式最小，但由于首座煤堆没有对来流起到“拦截”作用，先低后高排列的第二座煤堆漏风强度较大，大面积区域漏风速度超过0.001 m/s，这一速度是引起煤自燃的漏风下限，因此对应图2，此种排列方式下第二座煤堆温度最高，具有自燃危险性；先高后低排列虽然首座煤堆温度最高，但第二座煤堆温度及高温分布范围显著低于其他两种排列方式的煤堆群，当选取惰性煤组成首座煤堆，或定期进行压实，筛选粒径后，控制其自燃发展趋势后，将取得整个煤堆群的最佳的防火效果；第三座煤堆呈相似的趋势，先低后高排列时第三座煤堆漏风强度最高，等高排列时次之，而先高后低排列时风流掠过第三座煤堆后由于动能大幅减弱，漏风强度几乎不足以支撑煤堆温度上升，基本不具危险性。

接下来进一步比较不同排列方式煤堆群之间风流场走势的差异，如图4所示。可以看出，风流经过第一座煤堆后流势大致分为3部分：一部分在第一座煤堆背风面形成涡流；另一部分从煤堆上部掠过，还有一小部分从第一座煤堆内部穿过与背风面涡流汇合，随着涡流的强度越来越大，空气开始进入第二座煤堆。图4(a)显示先低后高排列时第一座煤堆背风面涡流强度很高，使得这部分风流极易进入第二座煤堆，除此之外，还有相当部分风流掠过第一座煤堆后直接进入第二座煤堆，第二座煤堆内部漏风强度较大(与图3结果吻合)，这为煤堆自燃提供了物质基础。而由图4(b)可以看出，先高后低排列时，第一座煤堆背风处涡流风速较低，使得空气不易进入第二座煤堆，而掠过第一座煤堆的大部空气直接飞离煤堆，或在煤堆上方形成第二涡流，最终进入第二座煤堆的空气大幅减少，煤堆高度越高，起到的“截流”效果越好。

(a)先低后高排列

(b)先高后低排列图4 两煤堆之间风流走势对比图

2.3 煤堆群间CO分布趋势模拟

煤堆群间的CO分布情况如图5所示。

(a)先低后高排列

(b)等高排列

(c)先高后低排列图5 堆放18 d时3种排列方式2 m间距煤堆群间CO分布

根据图5，横向分析，无论何种排列方式，CO最易积聚的地点在两座煤堆之间区域。这是由于风流掠过煤堆后会在后方形成涡流，风速显著降低，且出现循环往复所致，如图6所示。

(a)先低后高排列

(b)等高排列

(c)先高后低排列图6 3种排列方式煤堆群间风速矢量分布

大量CO经漏风携带从煤堆流出后与涡流混合，致使CO长期滞留在煤堆之间，形成CO积聚。结合图5和图6，纵向看，由于涡流分布不同，先低后高排列煤堆群在第二、第三座煤堆之间形成大面积低速涡流，此处易发生CO积聚，先高后低排列的煤堆群更易在第一、第二座煤堆之间形成大面积低速涡流，造成CO质量分数增大，而等高煤堆群并未明显出现CO富集区。

从防止CO在煤堆间积聚的角度分析，煤堆的高低不等易造成流场分布不均，形成大面积低速循环涡流，积存CO，危及作业人员安全。以本文提供的算例，结合图2和图5分析，煤堆群等高排列时，升温速度略快于先高后低排列时，但显著慢于先低后高排列时，同时CO并未出现明显积聚，应优先采取。

进一步在等高排列方式的基础上，通过增加煤堆间距继续模拟CO分布的变化情况，如图7所示。

(a)5 m间距

(b)8 m间距图7 2种煤堆间距下煤堆群间CO分布情况

由图7可见，将煤堆间距从2 m增加到5 m后，对比图5可知，CO质量分数整体显著降低，间距增加不利于煤堆间涡流的形成，更有利于CO随风排放；继续将煤堆间距增加到8 m，CO质量分数进一步降低，煤堆间小部分区域CO质量分数甚至趋于0。分别在两座煤堆之间设置两组监测点A和B，整理模拟数据可得监测点上CO质量分数同自燃时间的关系，如图8所示。

图8 2种煤堆间距下监测点CO质量分数与时间的关系

由图8可知，2个监测点上CO质量分数变化规律相似，初期12 d内，CO非常稳定，此时煤堆释放CO与CO随风流排放量大致保持平衡；12 d后随着煤自燃进程加快，CO释放量增加，监测点上CO质量分数快速增高，随后达到顶点。此时煤堆温度较高，热风压作用开始彰显，使流场发生改变，导致CO随漏风从煤堆顶部进入大气，因此监测点上CO质量分数自16 d后开始下降。与5 m间距时相比，无论在何时间点上，8 m间距煤堆测点的CO质量分数均相对较低，说明煤堆间距越大，CO越不易积聚，但增大煤堆间距会增加煤场占地成本，而且必定降低首座煤堆对后方煤堆的“漏风遮掩保护”效果，不利于防止煤堆自燃。因此，煤堆间距需结合企业经济成本和煤自燃情况合理确定。

3 结论

1)煤场整体流场分布比较复杂，煤堆群中每座煤堆体现出不同的自燃趋势，日常安全管理应考虑煤场中每座煤堆自燃特性，合理制订防火措施。

2)自迎风向首座煤堆的形状规模和自身的渗透率会显著影响进入后方煤堆的漏风强度，在本文算例中，先高后低排列的煤堆群后方高温区面积较先低后高排列时缩小50%以上，首座煤堆可选为惰性煤煤堆，适当将首座煤堆加高，定期对其进行压实，并筛选粒径合理堆放，以取得最佳效果。

3)CO易在两座煤堆之间产生积聚，煤堆高低不均会在煤堆之间形成大范围低速涡流，风流循环往复，增加CO积聚程度，等高排列煤堆群流场有利于加快CO随风扩散。通过比较2、5、8 m煤堆间距CO分布云图发现，8 m间距煤堆间CO质量分数最低，但加大间距会增加煤场占地成本，并降低首座煤堆的“遮挡效果”，煤堆间距需综合考虑经济和安全技术因素合理确定。

4)首座煤堆高度与煤堆间距共同决定了煤堆群自燃活跃性和煤堆间CO分布情况，自燃活跃性和CO分布情况均与安全管理措施制订息息相关，其中组合量化机制还需要进一步研究。