热棒深部移热技术在预防煤堆自然发火中的应用

[摘 要]热棒是一种利用液汽转换对流和循环来实现热量传输的系统，是无源冷却系统中热量传输效率最高的装置。它具有传热能力大、传热温差小、启动温度低、均温性能好以及单向传热和安全经济等特点。在土木工程领域，尺寸一般较大，称为热棒，如果承受荷载，也称为热桩。

[关键词]热棒 煤堆 矸石山 自然发火

中图分类号：TU5221.+3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）40-0382-01

1、热棒深部移热技术的特点

和传统的方法相比，利用热棒对煤堆（矸石山）自燃高温蓄热区域进行深部移热，强化煤堆（矸石山）散热，破坏蓄热环境，防控煤堆自燃具有如下优势：①热棒具有优良的导热性，传热、导热效率高，其当量导热系数较纯银、纯铜高数百至数千倍，故可快速、稳定将煤堆中的热量转移出来；②传热温差小，热棒的蒸发器与冷凝器仅有0.1～0.5℃温差时，即可启动工作，一般煤堆内部温度均较高，自热氧化带温度比空气高至少50℃，故在煤堆的氧化带热棒完全可以启动工作；③热棒传导热无需外界提供能量，工作稳定、可靠，插入煤堆氧化带后基本不需要维护；④热棒在煤堆中施工时，只需勘查清楚煤堆温度场分布、部位和范围，找出自热高温区域，通过合理设计热棒的分布间距，有效转移煤堆深部热量；⑤矸石堆自燃较严重时，利用热棒技术深部移热协助注浆或者加湿维护防渗等工艺，提高矸石山治理效果，缩短治理工期；⑥通过热棒的散热情况监测煤堆（矸石堆）的内部温度，判断其自燃部位、程度和阶段，热棒可以重复利用，节约成本[13～15]。

2、热棒技术的原理

热棒是由一根密封钢管抽真空后内部充以工质制成。钢管上部有翅片，称之为冷凝段，置于大气中；下部埋入煤体中，称为蒸发段。蒸发段与冷凝段之间的温差为热棒提供动力，热棒内部工质吸热蒸发成气体，在气压差作用下上升至冷凝段，与较冷的管壁接触放出汽化潜热冷凝成液体，在重力作用下，冷凝后的工质沿管壁流回蒸发段再吸热蒸发。如此往复循环，可对煤自然发火蓄热区域深部热源中的热量进行转移并加以利用，从而降低煤体温度，加快高温区域热量散失，破坏蓄热环境，以防止煤炭与空气接触蓄热升温直至自燃，从而达到防火的目的。

目前，热棒主要适用于低温条件下的多年冻土地区的铁路、公路、管线工程、桥梁桩基等工程中的地基冷却，防止发生地基冻胀和融沉变形，保证冻土地基的稳定。并已成功解决青藏铁路路基多年冻土层夏季融沉、冬季冻胀的不稳定问题。但是在中温、高温条件下的煤火防控领域，热棒的应用还有待进一步研究。

煤火灾害领域需要研究热棒在中、高温条件下的散热降温性能以及特殊条件对其的影响。煤炭着火后其温度最高可达上千度，煤堆或矸石山自然发火前期，其内部温度也可高达一二百度，热棒强大的散热能力和诸多优点使得其可以作为煤火防治领域新的技术手段予以研究和开发。

3、存在的难题与解决对策

煤堆自然发火受多方面因素影响，用热棒对其进行移热施工处理，在工程上需要考虑如下工艺及难题，掌握煤堆温度场分布、圈定自然发火蓄热高温区域、确定专用热棒参数、布置合理的热棒插入密度、计算热棒插入煤堆深度、估算移热需要的时间、开发专用施工设备和应用工艺等，这些问题的解决依托于热棒在煤体介质中移热性能的研究。热棒的气液两相对流换热过程十分复杂，其性能不仅取决于气温、风速等气候条件，同时也受煤堆型态、煤堆内部温度场、煤体容重、煤质、煤体粒径、漏风强度和含水量等的影响。在热棒作用下，煤堆散热和产热平衡，热量不再积聚导致温度升高引发自燃，可对煤堆自燃起到有效防控。综上，面临的难题有：

（1）目前国内还未见到类似适用于煤堆自然发火蓄热高温区域移热的专用热棒产品。解决思路：设计煤堆和矸石山自燃防控专用热棒，确定热棒在煤体中散热的最佳设计参数（内部工质、充液率、壁厚、管材、内外径、冷凝段、蒸发段、绝热段长度），对煤堆或者矸石山中自然发火蓄热高温区域实行深部热量转移，并通过实验验证，模拟研究真实煤堆高温区域环境在不同温度梯度下热棒的换热效率、产冷功率，评价热棒在煤自然发火蓄热高温区域中实际散热的工作状态和工作效率。

（2）缺少在煤堆和矸石山等煤体介质移热中基础性能方面的研究。目前国内外学者在寒区和冻土地带对热棒的研究较多，在煤体介质的传导热方面却少有报道。解决思路：研究热棒在不同热流量、迎面风速、温差、含水量，不同煤种、粒度大小、漏风强度和不同倾斜角度条件下对煤自然发火蓄热高温区域的移热能力，并对其移热效果进行科学评估；研究热管表面的温度分布情况，探析煤体升温过程中不同煤温条件下热棒表明的等温性能曲线。

（3）热棒在煤堆自然发火蓄热高温区域的深部移热过程中面临诸多技术难题。煤体导热系数低、煤堆内部温度场分布机理不明确、高温区域部位的判定难度大、自燃程度的界定以及煤堆温度监测局限等原因等，使得热棒的应用面临诸多难题。解决思路：研究热棒在煤堆中的降温（制冷）半径，并确定其有效冷却半径；探究热棒对煤堆内部温度场的影响，数值模拟其降温范围、传热效果，分析热棒在煤体中的冻结指数与冻结半径关系；研究热棒对煤体中不同距离高温区域（热源）的散热效果，定量研究煤自燃高温蓄热区域距离与热棒散热效率之间的关系。

（4）热棒在应用中受煤堆和矸石山的性质、形状、场地以及环境等影响，现场施工难度大。热棒施工要方便，后期便于回收，施工工艺的难度也是影响其推广的重要因素。解决思路：进行施工工艺研究，研究热棒在现场应用过程中的实施装备和实施方法。

4、结束语

从煤自然发火的途径、影响因素、煤堆自燃温度场结构以及防控思路和现有防控方法等方面阐述了煤堆（矸石山）自燃特性，并结合煤堆（矸石山）自燃特性及热棒原理，分析了热棒在煤堆（矸石山）自然发火高温蓄热区域深部移热过程中体现出来的优良的导热性、启动温差小、无需提供动力等优点，提出了专用热棒在煤堆自然发火蓄热高温区域移热实践中面临的设计方法、基础参数、性能、实施装备和工艺等方面的技术难题及解决思路。

参考文献

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