基于熱管群的自燃煤矸石山降溫試驗研究

高 彤，張永波，李 榮，張偉輝，蘇繼光

（1.太原理工大學 水利科學與工程學院，山西 太原 030024；2.華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000；3.山西陽煤九洲節能環保科技有限責任公司，山西 陽泉 040500）

自然堆積的煤矸石山常出現自然發火現象[1]，并釋放出CO、SO2、H2S 和氮氧化物等有害氣體[2]。大量的煤矸石山不僅侵占土地資源，還造成地下水與土壤污染等[3-4]。自燃的煤矸石山內部由于結構變化，在強降雨影響下，容易導致矸石山發生滑坡、爆炸等嚴重災害，影響人類生命安全[5]。陽煤集團每年新增煤矸石900 萬t 左右，累積堆放煤矸石約2.8 億t，堆積量超過千萬噸的大型矸石山共有5 座[6]。

眾所周知，當矸石山滿足含有可燃物、氧氣含量充足、蓄熱環境良好3 個條件時，即可發生自燃。目前已有的治理方法主要包括有黃土覆蓋法、深部注漿法、阻化劑抑制法等[7-9]，這些方法在成功治理中存在成本高、易復燃等局限性。

熱管是一種基于相變傳熱原理進行高效換熱的傳熱元件，具有無能耗、高效傳熱、散熱等特點[10]，在凍土路基保護、機械冷卻和溫差發電等多種領域得到廣泛應用[11-13]。在煤和煤矸石自燃領域研究中，黨逸峰等[14]、張亞平等[15]在熱管煤自燃降溫研究中得出，熱管布置間距、深度、角度等對熱管降溫效果影響顯著，熱管降溫效果隨間距減小而增大；王力偉[16]研究了熱管充液率對降溫效率的影響，結果表明，當熱管充液率為40%時降溫效果最好；吳鵬[17]在環境風速對煤堆移熱的研究中指出，熱管與風流夾角為60°時移熱效率最高；鄧軍等[18]、LI bei 等[19]在室內展開熱棒對煤堆自燃降溫的試驗研究，得出降溫效果隨距離增加而減小，距離熱管20 cm 處降溫效果最佳，且單根熱管降溫半徑隨時間推移而擴大。在不同類型熱管降溫效果研究中；馮乾等[20]、王建國等[21]研究了管型、翅片類型對移熱效率的影響。

現有研究對單管降溫范圍、降溫性能等研究較多，群管布置方式、布置間距對降溫效果影響研究較少，未開展煤矸石山現場試驗。為此，以陽煤集團三礦大垴梁煤矸石山作為試驗基地開展現場群管試驗，探求群管布置間距對矸石山內部溫度影響，為煤矸石山自燃防治提供試驗依據。

1 群管降溫工作原理

熱管是通過相變進行高效傳熱的裝置，其組成包括有蒸發段、冷凝段、絕熱段和內部工作介質（工質）等。蒸發段采用耐高溫、導熱性好的材料制成，通過吸收矸石山內部熱量使工質蒸發，熱量隨工質氣體轉移至冷凝段；冷凝段由外露光管和螺旋翅片組成，通過與空氣接觸進行換熱，使內部工質氣體冷卻回流。內部工質作為傳輸熱量的介質，通過相變轉移熱量[22]。

在實際工程應用中，采用群管能夠實現對矸石山內部溫度的全面控制。群管降溫原理如圖1。水平方向上群管會相互影響，降溫能力隨熱管數量增加而增大；垂直方向上，群管有利于提取矸石山內部熱量，增大淺層與深層間溫度梯度，加快深層高溫向淺層低溫傳熱，提升降溫效果，最終達到破壞蓄熱條件、抑制升溫發火阻止煤矸石山發生自燃的目的。

圖1 群管降溫原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat pipe group cooling

2 試驗地點與方案

現場試驗以陽煤集團三礦大垴梁煤矸石山作為試驗基地。經打孔勘測得矸石山內部溫度在20～750 ℃范圍內，根據煤矸石自燃機理和發展特征，將煤矸石山劃分為低溫氧化區（低溫區）、中溫氧化區（中溫區）、高溫燃燒區（高溫區）[23-24]。根據劃分好的區域進行不同布置方案試驗，分別在矸石山高、中、低溫區布置間距為4、5、6 m 的群管試驗，自2020年11 月21 日開始至2021 年2 月28 日結束，歷時100 d。

試驗使用的熱管均為帶翅片熱管，根據熱管尺寸、安裝方式劃分共有7 種熱管，熱管尺寸和安裝方式見表1。熱管及監測點布置圖如圖2。

圖2 熱管及監測點布置圖Fig.2 Layout of heat pipes and monitoring points

表1 熱管尺寸與安裝方式表Table 1 Heat pipe size and installation method table

試驗所用測溫設備為鎧裝高溫熱電偶，測溫范圍-270～1 170 ℃。

群管布置一般采用梅花形布置方法，高溫區群管試驗以4 m 為間距進行布置；中溫區群管試驗以5 m 為間距布置，布置方式與高溫區一致；低溫區群管試驗以6 m 為間距布置，熱管編號為H7。

由圖2（a）可以看出：高溫區測點Th1～Th4 分別位于群管不同管型組合的中心位置處，Th1 位于熱管組合1 中心位置處，由2 根H1 型熱管和H2、H3型短管組成；Th2 位于H1 型雙管中間位置，測點距離熱管2 m；Th3 位于熱管組合2 中心位置處，由2根H1 型熱管和1 根H2 型熱管組成；Th4 位于熱管組合3 中心位置處，由2 根H2 型熱管和1 根H1 型熱管組成。中溫區測點布置如圖2（b），各測點位于不同群管中心位置，Tm1、Tm3、Tm4 分別位于群管組合4～組合6 中心位置處，Tm2 位于5 m 雙管中心位置。低溫區測點布置如圖2（c），測點分別位于群管中心位置與雙管中間位置處。

為監測群管試驗降溫效果和不同熱管組合降溫效率，在各溫度區布設不同深度監測點。高溫區與中溫區監測點布設在不同熱管組合中心位置處；低溫區監測點數量少，位于群管中心位置和雙管中心位置，監測點編號及布設深度見表2。

表2 監測點編號表Table 2 Monitoring points numbering table

3 試驗結果

3.1 高溫區群管試驗降溫效果

高溫區群管監測點溫度變化如圖3。安裝熱管后，各測點溫度值隨時間穩定下降，對比Th1～Th4溫度變化得出，熱管組合對降溫效率有明顯影響。

圖3 高溫區監測點溫度變化Fig.3 Temperature changes of monitoring point in high temperature zone

通過對Th1～Th4 測點溫度進行計算分析，進一步說明群管組合對降溫效率的影響，高溫區測點溫度變化表見表3。

表3 高溫區測點溫度變化表Table 3 Temperature change table of measuring points in high temperature zone

1）根據各監測點降溫值可以得出Th2 測點降溫效果最好，由單管試驗得到單管降溫范圍在3 m 以內[25]，最佳冷卻半徑為2 m。Th2 位于4 m 雙管中間位置，在最佳冷卻半徑范圍內，熱管能夠發揮出色的冷卻降溫性能，使溫度持續降低。

2）對比組合1 與組合2 測點溫度變化可以得出，Th1 測溫點溫度降幅均大于Th3，在長管中間增加H3 型短管可以強化淺層降溫，淺層降溫效率提升有助于矸石山深層熱源溫度的提取，隨著淺層溫度降低，深層與淺層間溫度梯度增加，能夠促進熱量向淺層傳遞，加快矸石山深部熱量的移出。

3）圖3 溫度變化顯示：100 d 后，測點Th3 溫度降幅值分別為11、35 ℃；測點Th4 淺層溫度持續降低，降低速度在70 d 后逐漸下降，100 d 降幅值為19 ℃；深層溫度先降低后升高，70 d 后溫度隨時間上升，100 d 降幅值為17 ℃。由熱管組合2、組合3測點溫度變化趨勢與降幅值得出，熱管組合2 深層降溫效率優于組合3，組合3 淺層降溫效率優于組合2；證明了熱管蒸發段為降溫效果最優段，長管對深層移熱效果好。

因此，在應用熱管在煤矸石山自燃高溫區移熱降溫中，熱管布置間距為4 m 較為合適，且熱管控制深度范圍為熱管蒸發段所在深度，采用長短管交替布置更有利于對矸石山高溫區域的全面控制，達到對自燃高溫區的滅火治理。

3.2 中溫區群管試驗降溫效果

中溫區群管監測點Tm1～Tm4 溫度變化如圖4。除Tm4-6 測點由于長管數量少溫度升高以外，其余測點溫度均有不同程度降低。與高溫區溫度變化一致，不同群管組合降溫效率不同。中溫區測點Tm1～Tm4 溫度變化見表4。

圖4 中溫區監測點溫度變化Fig.4 Temperature changes of monitoring points in high temperature zone

表4 中溫區測點溫度變化表Table 4 Temperature change table of measuring points in middle temperature zone

1）根據降幅值可得Tm1 監測點降溫值最大，在群管高效移熱降溫下，測點溫度降至90 ℃以下，矸石山氧化被抑制，升溫速率降低，自燃風險降低。對比群管組合4 測點Tm1 與群管組合5 測點Tm3 溫度變化可得：增加H6 型短管對群管在矸石山內部降溫效果有明顯加強；一方面，短管蒸發段位置為主要降溫深度；另一方面，增加短管會加快淺層降溫，進而加大深層與淺層的溫度梯度，提高移熱效率。

2）Tm2 測點降溫效果明顯，測點Tm2 位于雙管冷卻范圍內，根據單管試驗得出，當與熱管距離超過2 m 后，降溫效果明顯下降。因此，中溫區最大降幅值出現在Tm1 測點位置處，雙管布置間距對冷卻效率影響顯著。

3）Tm3 測點降溫值較小，并且降溫速率緩慢，隨著與熱管的距離增加，測點位置在水平方向上受熱管影響強度弱，移熱效率低。Tm4 測點深層溫度不降反升，一方面，是由于群管組合6 為2 根短管與1 根長管組成，群管在深層僅有長管能影響到該位置；另一方面，該測點位置深層溫度較高，氧化發熱和熱量補給充足。組合5 長管多，在深層降溫效率較高，組合6 短管多，淺層降溫更優。

群管在中溫區應用中，需根據矸石山內部溫度進行間距的調整，熱管布置間距應在5 m 內，在溫度較高區域群管布置間距為4 m 降溫效果更好。短管與長管交替使用有利于對矸石山各層進行控制。

3.3 低溫區群管試驗降溫效果

低溫區群管監測點TL1-TL2 溫度變化如圖5。低溫區各測點降溫值分別為TL1-2、9 ℃、TL2-11、4 ℃。低溫區溫度在熱管影響下能保持在較低水平，有效抑制氧化速度，破壞蓄熱環境。低溫區內部初始溫度較低，熱管主要作用為預防高、中溫區蔓延至低溫區，防止氧化速率加快造成溫度升高。因此，低溫區6 m 群管間距有利于對低溫區的防控。

圖5 低溫區溫度變化Fig.5 Temperature changes of monitoring points in low temperature zone

4 結 語

1）群管在自燃矸石山降溫效果顯著，有利于矸石山深處的降溫。100 d 內，高溫區降溫最大值為91 ℃，平均降溫0.91 ℃/d，群管能夠高效提取熱量，持續降溫；中溫區降溫最大值為48 ℃，平均降溫0.48 ℃/d，熱管能夠降溫抑制氧化速率，防止自燃；低溫區熱源溫度低，熱管能夠破壞蓄熱環境，防止氧化升溫。2）高溫區采用4 m 布置間距能夠持續穩定降溫，實現降溫滅火的目的；中溫區采用5 m 布置間距降溫效果明顯，對于部分溫度較高區域還需要適當減小熱管布置間距；低溫區采用6 m 布置間距能夠實現對矸石山預防的作用。3）熱管管型和布置方式對降溫效率影響顯著，熱管長度主要影響垂直方向上的降溫效果，蒸發段所在位置為熱管降溫效果最佳深度。降溫應用中，采用長、短管交替布置，有利于對矸石山的全面控制。

4）群管試驗取得良好的降溫效果，在自燃矸石山高、中、低溫區均能夠實現對矸石山熱量的提取釋放，抑制氧化和升溫。但此次試驗時間較短，外界環境對熱管移熱效率影響較大，還需長時間監測進行年度溫度變化分析。熱管型號對降溫范圍的影響與群管布置密度、布置方式還需在未來進一步研究，以形成更高效的應用布置方案。