一種風障配合煤堆壓實防治煤堆自燃的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及火災科學與消防工程技術領域，具體涉及一種風障配合煤堆壓實防治煤堆自燃的方法。
【背景技術】
[0002]煤堆自燃是一個非常嚴峻的經(jīng)濟和安全問題，同時還會帶來嚴重的環(huán)境污染問題。目前常用的防治煤堆自燃的方法有細煤覆蓋、風障和擋風墻、氈布覆蓋、煤堆壓實、水煤灰漿覆蓋或摻混、高聚物阻化劑、熱棒技術等的方法。工程實踐中使用最多且成本較低是煤堆壓實技術，但是煤堆壓實技術在現(xiàn)場應用時存在著高風速條件下越壓實越易自燃的問題，煤堆壓實的適用風速范圍較窄，在大風速條件下雖然煤堆很難發(fā)生自燃，但是其耗氧反應進程較為劇烈，導致煤的品質(zhì)下降熱值大大降低，因此還需要通過壓實進行氧化進程控制，但是這種情況又會帶來導致自燃的問題，所以必須通過一定的措施將煤堆周圍的風速降低到一定的合理范圍，這就需要采用風障技術進行煤堆防護，風障結合壓實技術可以擴大壓實適用范圍并能降低風障的高度，降低是詬病成本，還能擴大風障與煤堆之間的距離范圍，提高風障施工自由性。因此，需要提出一種風障聯(lián)合壓實進行煤堆自燃防治技術工藝參數(shù)優(yōu)化的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種風障配合煤堆壓實防治煤堆自燃的方法。
[0004]本發(fā)明的技術方案是:
一種風障配合煤堆壓實防治煤堆自燃的方法，包括以下步驟:
步驟1、建立基于風障配合煤堆壓實的防治煤堆自燃的物理模型，用于描述不同風障參數(shù)下進行煤堆壓實過程中煤堆從自熱到自燃的過程；
步驟2、根據(jù)煤堆的實際堆放情況及堆放環(huán)境的風速情況，確定無防治措施下煤堆的自燃進程及煤堆最高溫度、自然發(fā)火期、自燃風速范圍；
步驟3、利用基于風障配合煤堆壓實的防治煤堆自燃的物理模型，確定不同風障參數(shù)下的煤堆最高溫度與無防治措施下的煤堆最高溫度的差異，若某一風障參數(shù)下的煤堆最高溫度低于無防治措施下的煤堆自燃溫度，則確定當前風障參數(shù)為最佳風障參數(shù)，若多種風障參數(shù)下的煤堆最高溫度均低于無防治措施下的煤堆自燃溫度，則將這些風障參數(shù)下的煤堆最高溫度與無防治措施下的煤堆最高溫度比較，降溫幅度最大的風障參數(shù)確定為最佳風障參數(shù)；
步驟4、根據(jù)最佳風障參數(shù)設置風障，并配合煤堆壓實，從而防治煤堆自燃。
[0005]所述步驟I按如下步驟進行:
步驟1-1、建立采用自由介質(zhì)和多孔介質(zhì)流動物理場、多孔介質(zhì)物質(zhì)傳遞與擴散物理場、多孔介質(zhì)傳熱物理場控制的防治煤堆自燃的物理模型，用于描述不同風障參數(shù)下進行煤堆壓實過程中煤堆從自熱到自燃的過程；
步驟1-2、采用多孔介質(zhì)控制物理模型中煤堆在外界風流影響下煤堆內(nèi)外的氣流流動情況、各氣體組分傳遞與擴散、氧氣的消耗反應、煤堆內(nèi)部的產(chǎn)熱與傳熱、煤堆與外界環(huán)境之間的熱量交換，采用自由介質(zhì)流體流動控制物理模型中煤堆以外區(qū)域的氣流流動情況；步驟1-3、在自由介質(zhì)流體流動物理場中設置風障，風障采用內(nèi)置穿孔板或風窗、風網(wǎng)，設置風障參數(shù)和風障透氣率，風障參數(shù)包括風障的高度、風障與煤堆之間的距離。
[0006]有益效果:
本發(fā)明采用建立變風速、變煤堆堆放參數(shù)和變風障參數(shù)條件下耦合自由和多孔介質(zhì)流動、多孔介質(zhì)物質(zhì)傳遞與擴散、多孔介質(zhì)傳熱等3個物理場的防治煤堆自燃的物理模型，通過風障配合煤堆壓實的聯(lián)合措施實施后煤堆最高溫度的降低量分析，確定風障聯(lián)合壓實防治煤堆自燃的最優(yōu)工藝參數(shù)，提高煤堆自熱-自燃防治的效果。
[0007]風障配合煤堆壓實防治煤堆自燃不但可以保證煤堆最高溫度降低量顯著增加，孔隙率0.3、0.4、0.5時，聯(lián)合措施下，溫度分別降低30.5-55.6,39.5-53.3,43.1-50.7K；聯(lián)合措施的風障高度對單獨使用風障時顯著降低，一般7.5?9m高風障配合壓實到孔隙率0.2后即能防止煤堆自燃，在原煤堆自燃風速范圍內(nèi)采取風障聯(lián)合壓實防治煤堆自燃的措施，可以保證原孔隙率自燃風速范圍內(nèi)全部不自燃，且風障與煤堆之間的距離可以在10~30m范圍內(nèi)自由選取，聯(lián)合防治措施既能提擴大煤堆壓實的適用范圍又能降低風障高度，節(jié)約經(jīng)濟成本，且其風障與煤堆之間的距離選取靈活，提高了現(xiàn)場施工的可操作性。
[0008]通過本方法以最高溫度降低量為基準可以確定風障聯(lián)合壓實技術防治煤堆自燃的最佳工藝參數(shù)組合。該聯(lián)合工藝經(jīng)優(yōu)化后可以顯著將風障的高度降低為原來的62.5%?75%;且煤堆與風障之間的間距由原來相對固定值變成一個較寬的范圍。該工藝優(yōu)化結果可以更大程度降低煤堆溫度，且能擴大壓實的適用范圍，降低風障高度，節(jié)約經(jīng)濟成本，增加風障現(xiàn)場施工的靈活性。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明【具體實施方式】的基于風障配合煤堆壓實的防治煤堆自燃的物理模型示意圖；
圖2是本發(fā)明【具體實施方式】的煤堆最高溫度隨風速和孔隙率變化曲線圖；
圖3是本發(fā)明【具體實施方式】的自燃風速范圍及發(fā)火期隨孔隙率變化曲線圖；
圖4是本發(fā)明【具體實施方式】的孔隙率為0.3時單獨使用風障后煤堆最高溫度變化曲線圖；
圖5是本發(fā)明【具體實施方式】的孔隙率為0.4時單獨使用風障后煤堆最高溫度變化曲線圖；
圖6是本發(fā)明【具體實施方式】的孔隙率為0.5時單獨使用風障后煤堆最高溫度變化曲線圖；
圖7是本發(fā)明【具體實施方式】的孔隙率為0.3時風障配合煤堆壓實防治措施下煤堆最高溫度變化曲線圖；
圖8是本發(fā)明【具體實施方式】的孔隙率為0.4時風障配合煤堆壓實防治措施下煤堆最高溫度變化曲線圖； 圖9是本發(fā)明【具體實施方式】的孔隙率為0.5時風障配合煤堆壓實防治措施下煤堆最高溫度變化曲線圖；
圖10是本發(fā)明【具體實施方式】的風障配合煤堆壓實防治煤堆自燃的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細說明。
[0011]—種風障配合煤堆壓實防治煤堆自燃的方法，如圖10所示，包括以下步驟:
步驟1、采用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立基于風障配合煤堆壓實的防治煤堆自燃的物理模型，用于描述不同風障參數(shù)下進行煤堆壓實過程中煤堆從自熱到自燃的過程；步驟1-1、建立采用自由介質(zhì)和多孔介質(zhì)流動物理場、多孔介質(zhì)物質(zhì)傳遞與擴散物理場、多孔介質(zhì)傳熱物理場控制的防治煤堆自燃的物理模型，用于描述不同風障參數(shù)下進行煤堆壓實過程中煤堆從自熱到自燃的過程；
如圖1所示的防治煤堆自燃的物理模型中，煤堆高H=6 m，煤堆底部寬度Lx=20 m，煤堆頂部寬度Ls=10m，煤堆堆放角度α=45°，煤堆底部中心點位于物理模型的中間位置10m處；物理模型的整個計算區(qū)域長度L=200 m;h為模型整個計算區(qū)域的高度，m;Vin為環(huán)境風速，m/s;迎風坡底角在距離計算區(qū)域入口90m處，LF為風障距離計算區(qū)域入口的長度，風障與煤堆間距為90-LF;HF為風障的高度，m;
步驟1-2、采用多孔介質(zhì)控制物理模型中煤堆在外界風流影響下煤堆內(nèi)外的氣流流動情況、各氣體組分傳遞與擴散、氧氣的消耗反應、煤堆內(nèi)部的產(chǎn)熱與傳熱、煤堆與外界環(huán)境之間的熱量交換，采用自由介質(zhì)流體流動控制物理模型中煤堆以外區(qū)域的氣流流動情況；步驟1-3、在自由介質(zhì)流體流動物理場中設置風障，風障采用內(nèi)置穿孔板或風窗、風網(wǎng)，設置風障參數(shù)和風障透氣率，風障參數(shù)包括風障的高度、風障與煤堆之間的距離。
[0012]自由設置風障的高度、風障與煤堆之間的距離、風障的透氣率等參數(shù)，風障的透氣率應設置為低于30%，本實施方式將風障的透氣率設置為25%。計算時時間步長設置為ld(l天)，采用COMSOL Multiphysics仿真軟件內(nèi)置的細化方法自動控制網(wǎng)格劃分，計算方法為瞬態(tài)方法，同時采用迭代步數(shù)進行控制，并采用Anderson加速進行控制。
[0013]本實施方式的風障高度HF分別設置為6m、7.5m、9m、10.5m、12m，風障與煤堆之間的距離即風障位置LF分別為60、65m、70m、75m、80m、85m，即距離煤堆迎風坡底30m、25m、20m、15m、10m、5mo
[0014]步驟2、根據(jù)煤堆的實際堆放情況及堆放環(huán)境的風速情況，確定無防治措施下煤堆的自燃進程及煤堆最高溫度、自然發(fā)火期、自燃風速范圍；
圖2為孔隙率n=0.2-0.6時，堆放于風速0.05?13m/s的環(huán)境中180d時的煤堆最高溫度Tmax隨環(huán)境風速Vin和孔隙率η變化的曲線，低風速階段隨著風速增加煤堆最高溫度指數(shù)式升高，達到煤堆最高溫度最大值后，隨著風速增加煤堆最高溫度指數(shù)式下降，即煤堆最高溫度與風速之間具有先正后負雙指數(shù)關系。
[0015]在圖2中，孔隙率為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6時所達到的煤堆最高溫度對應的風速分別為:3 m/s、1.4 m/s、0.8 m/s、0.4 m/s、0.2 m/s，煤堆最高溫度最大值分別為:385 K、382K,377 K,371 Κ、367Κ，孔隙率越大達到煤堆最高溫度最大值及對應的風速越小。
[0016]圖3為煤堆孔隙率0.2?0.6時的自燃風速范圍(可以導致煤堆自燃的環(huán)境風速范圍)及自然發(fā)火期隨孔隙率變化規(guī)律，煤堆的孔隙率不同其自燃風速范圍不同，自然發(fā)火期其差異也較大。
[0017]綜上所述，煤堆孔隙率0.2、0.3、0.4、0.5、0.6時最高溫度最大值分別為:385 K、382 K,377 K,371 K、367K，孔隙率越大達到煤堆最高溫度最大值及對應的風速越小；自燃風速范圍分別為:0.9?9.5 m/s、0.4?4 m/s、0.25?2 m/s、0.15?I m/s、0.1?0.5 m/s，最易自燃風速(每條曲線的最低點對應的風速即為最小風速)分別為:4 m/s、1.8 m/s、0.8 m/s、0.45 m/s、0.25 m/s，自然發(fā)火期分別為:150?43、133?4