一种风障配合煤堆压实防治煤堆自燃的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及火灾科学与消防工程技术领域，具体涉及一种风障配合煤堆压实防治煤堆自燃的方法。
【背景技术】
[0002]煤堆自燃是一个非常严峻的经济和安全问题，同时还会带来严重的环境污染问题。目前常用的防治煤堆自燃的方法有细煤覆盖、风障和挡风墙、毡布覆盖、煤堆压实、水煤灰浆覆盖或掺混、高聚物阻化剂、热棒技术等的方法。工程实践中使用最多且成本较低是煤堆压实技术，但是煤堆压实技术在现场应用时存在着高风速条件下越压实越易自燃的问题，煤堆压实的适用风速范围较窄，在大风速条件下虽然煤堆很难发生自燃，但是其耗氧反应进程较为剧烈，导致煤的品质下降热值大大降低，因此还需要通过压实进行氧化进程控制，但是这种情况又会带来导致自燃的问题，所以必须通过一定的措施将煤堆周围的风速降低到一定的合理范围，这就需要采用风障技术进行煤堆防护，风障结合压实技术可以扩大压实适用范围并能降低风障的高度，降低是诟病成本，还能扩大风障与煤堆之间的距离范围，提高风障施工自由性。因此，需要提出一种风障联合压实进行煤堆自燃防治技术工艺参数优化的方法。
【发明内容】
[0003]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种风障配合煤堆压实防治煤堆自燃的方法。
[0004]本发明的技术方案是:
一种风障配合煤堆压实防治煤堆自燃的方法，包括以下步骤:
步骤1、建立基于风障配合煤堆压实的防治煤堆自燃的物理模型，用于描述不同风障参数下进行煤堆压实过程中煤堆从自热到自燃的过程；
步骤2、根据煤堆的实际堆放情况及堆放环境的风速情况，确定无防治措施下煤堆的自燃进程及煤堆最高温度、自然发火期、自燃风速范围；
步骤3、利用基于风障配合煤堆压实的防治煤堆自燃的物理模型，确定不同风障参数下的煤堆最高温度与无防治措施下的煤堆最高温度的差异，若某一风障参数下的煤堆最高温度低于无防治措施下的煤堆自燃温度，则确定当前风障参数为最佳风障参数，若多种风障参数下的煤堆最高温度均低于无防治措施下的煤堆自燃温度，则将这些风障参数下的煤堆最高温度与无防治措施下的煤堆最高温度比较，降温幅度最大的风障参数确定为最佳风障参数；
步骤4、根据最佳风障参数设置风障，并配合煤堆压实，从而防治煤堆自燃。
[0005]所述步骤I按如下步骤进行:
步骤1-1、建立采用自由介质和多孔介质流动物理场、多孔介质物质传递与扩散物理场、多孔介质传热物理场控制的防治煤堆自燃的物理模型，用于描述不同风障参数下进行煤堆压实过程中煤堆从自热到自燃的过程；
步骤1-2、采用多孔介质控制物理模型中煤堆在外界风流影响下煤堆内外的气流流动情况、各气体组分传递与扩散、氧气的消耗反应、煤堆内部的产热与传热、煤堆与外界环境之间的热量交换，采用自由介质流体流动控制物理模型中煤堆以外区域的气流流动情况；步骤1-3、在自由介质流体流动物理场中设置风障，风障采用内置穿孔板或风窗、风网，设置风障参数和风障透气率，风障参数包括风障的高度、风障与煤堆之间的距离。
[0006]有益效果:
本发明采用建立变风速、变煤堆堆放参数和变风障参数条件下耦合自由和多孔介质流动、多孔介质物质传递与扩散、多孔介质传热等3个物理场的防治煤堆自燃的物理模型，通过风障配合煤堆压实的联合措施实施后煤堆最高温度的降低量分析，确定风障联合压实防治煤堆自燃的最优工艺参数，提高煤堆自热-自燃防治的效果。
[0007]风障配合煤堆压实防治煤堆自燃不但可以保证煤堆最高温度降低量显著增加，孔隙率0.3、0.4、0.5时，联合措施下，温度分别降低30.5-55.6,39.5-53.3,43.1-50.7K；联合措施的风障高度对单独使用风障时显著降低，一般7.5?9m高风障配合压实到孔隙率0.2后即能防止煤堆自燃，在原煤堆自燃风速范围内采取风障联合压实防治煤堆自燃的措施，可以保证原孔隙率自燃风速范围内全部不自燃，且风障与煤堆之间的距离可以在10~30m范围内自由选取，联合防治措施既能提扩大煤堆压实的适用范围又能降低风障高度，节约经济成本，且其风障与煤堆之间的距离选取灵活，提高了现场施工的可操作性。
[0008]通过本方法以最高温度降低量为基准可以确定风障联合压实技术防治煤堆自燃的最佳工艺参数组合。该联合工艺经优化后可以显著将风障的高度降低为原来的62.5%?75%;且煤堆与风障之间的间距由原来相对固定值变成一个较宽的范围。该工艺优化结果可以更大程度降低煤堆温度，且能扩大压实的适用范围，降低风障高度，节约经济成本，增加风障现场施工的灵活性。
【附图说明】
[0009]图1是本发明【具体实施方式】的基于风障配合煤堆压实的防治煤堆自燃的物理模型示意图；
图2是本发明【具体实施方式】的煤堆最高温度随风速和孔隙率变化曲线图；
图3是本发明【具体实施方式】的自燃风速范围及发火期随孔隙率变化曲线图；
图4是本发明【具体实施方式】的孔隙率为0.3时单独使用风障后煤堆最高温度变化曲线图；
图5是本发明【具体实施方式】的孔隙率为0.4时单独使用风障后煤堆最高温度变化曲线图；
图6是本发明【具体实施方式】的孔隙率为0.5时单独使用风障后煤堆最高温度变化曲线图；
图7是本发明【具体实施方式】的孔隙率为0.3时风障配合煤堆压实防治措施下煤堆最高温度变化曲线图；
图8是本发明【具体实施方式】的孔隙率为0.4时风障配合煤堆压实防治措施下煤堆最高温度变化曲线图； 图9是本发明【具体实施方式】的孔隙率为0.5时风障配合煤堆压实防治措施下煤堆最高温度变化曲线图；
图10是本发明【具体实施方式】的风障配合煤堆压实防治煤堆自燃的方法流程图。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细说明。
[0011]—种风障配合煤堆压实防治煤堆自燃的方法，如图10所示，包括以下步骤:
步骤1、采用COMSOL Multiphysics仿真软件建立基于风障配合煤堆压实的防治煤堆自燃的物理模型，用于描述不同风障参数下进行煤堆压实过程中煤堆从自热到自燃的过程；步骤1-1、建立采用自由介质和多孔介质流动物理场、多孔介质物质传递与扩散物理场、多孔介质传热物理场控制的防治煤堆自燃的物理模型，用于描述不同风障参数下进行煤堆压实过程中煤堆从自热到自燃的过程；
如图1所示的防治煤堆自燃的物理模型中，煤堆高H=6 m，煤堆底部宽度Lx=20 m，煤堆顶部宽度Ls=10m，煤堆堆放角度α=45°，煤堆底部中心点位于物理模型的中间位置10m处；物理模型的整个计算区域长度L=200 m;h为模型整个计算区域的高度，m;Vin为环境风速，m/s;迎风坡底角在距离计算区域入口90m处，LF为风障距离计算区域入口的长度，风障与煤堆间距为90-LF;HF为风障的高度，m;
步骤1-2、采用多孔介质控制物理模型中煤堆在外界风流影响下煤堆内外的气流流动情况、各气体组分传递与扩散、氧气的消耗反应、煤堆内部的产热与传热、煤堆与外界环境之间的热量交换，采用自由介质流体流动控制物理模型中煤堆以外区域的气流流动情况；步骤1-3、在自由介质流体流动物理场中设置风障，风障采用内置穿孔板或风窗、风网，设置风障参数和风障透气率，风障参数包括风障的高度、风障与煤堆之间的距离。
[0012]自由设置风障的高度、风障与煤堆之间的距离、风障的透气率等参数，风障的透气率应设置为低于30%，本实施方式将风障的透气率设置为25%。计算时时间步长设置为ld(l天)，采用COMSOL Multiphysics仿真软件内置的细化方法自动控制网格划分，计算方法为瞬态方法，同时采用迭代步数进行控制，并采用Anderson加速进行控制。
[0013]本实施方式的风障高度HF分别设置为6m、7.5m、9m、10.5m、12m，风障与煤堆之间的距离即风障位置LF分别为60、65m、70m、75m、80m、85m，即距离煤堆迎风坡底30m、25m、20m、15m、10m、5mo
[0014]步骤2、根据煤堆的实际堆放情况及堆放环境的风速情况，确定无防治措施下煤堆的自燃进程及煤堆最高温度、自然发火期、自燃风速范围；
图2为孔隙率n=0.2-0.6时，堆放于风速0.05?13m/s的环境中180d时的煤堆最高温度Tmax随环境风速Vin和孔隙率η变化的曲线，低风速阶段随着风速增加煤堆最高温度指数式升高，达到煤堆最高温度最大值后，随着风速增加煤堆最高温度指数式下降，即煤堆最高温度与风速之间具有先正后负双指数关系。
[0015]在图2中，孔隙率为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6时所达到的煤堆最高温度对应的风速分别为:3 m/s、1.4 m/s、0.8 m/s、0.4 m/s、0.2 m/s，煤堆最高温度最大值分别为:385 K、382K,377 K,371 Κ、367Κ，孔隙率越大达到煤堆最高温度最大值及对应的风速越小。
[0016]图3为煤堆孔隙率0.2?0.6时的自燃风速范围(可以导致煤堆自燃的环境风速范围)及自然发火期随孔隙率变化规律，煤堆的孔隙率不同其自燃风速范围不同，自然发火期其差异也较大。
[0017]综上所述，煤堆孔隙率0.2、0.3、0.4、0.5、0.6时最高温度最大值分别为:385 K、382 K,377 K,371 K、367K，孔隙率越大达到煤堆最高温度最大值及对应的风速越小；自燃风速范围分别为: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，最易自燃风速(每条曲线的最低点对应的风速即为最小风速)分别为:4 m/s、1.8 m/s、0.8 m/s、0.45 m/s、0.25 m/s，自然发火期分别为:150?43、133?4