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摘要：在总结国内外关于煤堆自燃实验研究的基础上，建立煤堆自然发火实验台。根据煤堆自然发火台的实验原型，建立基于能量和氧气守恒的煤堆自燃数学模型。分别对煤堆的自燃升温过程进行实验测量和数值模拟，得到的实验和数值模拟结果具有很好的一致性。利用数学模型模拟不同初始氧浓度、气体流速及空隙率下的煤堆升温、耗氧情况。分析总结这些参数在煤堆自燃过程中的作用和影响效果。
关键词：煤堆;自燃;数值模拟;松散煤体
松散堆积的煤体在其储存及运输过程中容易发生自燃现象[1-2]，。这不仅造成巨大的经济损失，还构成了严重的安全隐患。
关于煤堆自燃的实验研究，世界各国许多专家、学者建立了各种模拟煤堆自燃过程的大型实验台[3-7]。如坎特伯雷大学的长2m的圆筒型煤体绝热容器[3]、土耳其Sakarya大学研制的圆柱型煤堆自燃实验装置[4]，西安交通大学的XK系列煤低温自然发火实验台[5]，张瑞新等人建立的模拟煤堆自燃的梯形实验台[7]等。但大型煤堆自燃实验台存在模拟条件单一，实验周期长，工作量较大等缺点。于是，在实验研究的基础上，建立煤堆低温自燃过程的数学模型，不但可以减轻大型煤堆自燃实验的工作量，还能准确地模拟各种条件下煤堆自燃的传热、传质过程。为煤堆自燃研究提供了有利工具。
本文在煤堆自燃实验的基础上，建立煤堆自燃过程的一维数学模型。利用模型计算煤堆自燃时的升温、耗氧情况。通过数值模拟计算不同参数条件下的煤堆自热升温过程。比较分析这些参数对煤堆自燃过程的影响。为煤堆自燃的预测、预防提供可靠依据。
1煤堆自燃测试实验
煤堆自燃是一个极其复杂的物理化学过程。它主要反映了多孔介质的传热、传质过程。煤堆自燃受煤的种类、破碎程度、堆积方式、漏风强度、氧浓度等各种因素共同作用的影响[1-2，8-9]。
根据煤堆发生自燃的实际情况。当煤堆发生自燃时，煤堆内部可以分为低温窒息区、高温氧化区、低温冷却区[10]。本文煤堆自燃实验选取煤堆高温氧化区及冷却区的一段煤柱为研究对象。考察该段煤堆出現高温区时，煤堆中的温度及氧气浓度变化规律。底部高温区由恒热源加热盘模拟，加热盘以上为松散堆积的煤体柱。实验装置为一直径250mm，高2m的圆筒形容器。容器内壁包裹双层绝热保温材料，以确保圆柱任意一段外部温度与轴线处煤温保持一致。圆柱的底部和顶部与空气相通。新鲜空气可从煤柱底部经过加热盘流入煤柱，流经煤体后由煤柱顶口流出。圆柱容器纵向上每隔10cm设一个测温点和氧气测点，分别设为：1#～10#测温点和测氧点（如图1）。可以多点同时采集煤柱内的温度，并检测该点的氧气浓度。
煤堆自燃实验过程为：固定加热盘的发热功率，利用温度探头和气相色谱仪检测煤堆升温过程中各节点的温度和氧气浓度变化规律。
实验结果见图2和图4。
2煤堆自燃过程的数值模拟
随着计算机技术的发展，计算机模拟技术被广泛应用于科学研究的各个领域。煤堆自燃过程的数值模拟，作为煤堆自燃研究的有利工具逐渐发展成熟[6，11-14]。基于本文煤堆自燃实验的实验模型，建立煤堆自燃过程的一维数学模型。通过计算模拟煤堆自燃的升温、吸氧过程，并与真实实验结果对比，分析各种因素对煤自燃过程的影响。
2.1数学模型
地面堆积的松散煤体可视为由粒度（或块度）不等的煤块堆积而成的多孔介质空间。根据实验模型作如下假设：（1）考察煤堆为一圆形煤柱，忽略煤柱径向温度和氧气浓度变化;（2）煤柱为各向均匀同性的多孔介质;（3）煤堆中由于气体流速较低，当气体流经煤块时即发生充分热交换;（4）煤堆在自燃时，忽略其质量损失;（5）忽略煤堆内部煤块颗粒间的辐射换热，以及水分对煤自燃过程的影响;（6）煤堆周围环境风速很低，近似认为静止;（7）煤柱内松散煤体空隙率为常量，认为煤体导热系数、发热强度、氧气在松散煤体中的扩散系数等参数在自燃过程基本不变。（8）煤堆底部热源发热恒定。
3实验与计算结果的比较分析
采用有限差分法对该一维数学模型进行数值解算[16]。计算模型取用的基本参数与煤堆自燃实验的一致。图2～5是煤堆自燃实验和数值模拟结果图。图2～3为煤柱内部1～4#节点的温度变化，图4～5为1～3#节点的氧气浓度变化。
对比实验和数值模拟结果（如图2～5）可知，数学模型很好地验证了实际煤堆自燃实验。从实验和数值模拟曲线都能看出，距离底部加热盘最近的1#节点开始时候的升温速率较快，随后温度逐渐趋于平缓。而离加热盘较远的2～4#点的升温过程依次减缓。根据实验可知，1#点距离加热盘最近，受到加热盘直接加热而迅速升温，其余节点的升温较慢，主要是由于下部煤体的导热以及煤和空气的对流换热量较少。因此可以认为：发生自燃时，煤堆内部的传热过程较缓慢，煤堆内部热量容易积累。
图4～5为实验测量和数值模拟煤柱1～3#节点的氧气浓度变化。由于1#点开始时候升温较快，煤堆内部各节点氧气浓度开始时候下降较快。随着1#点温度平稳后，各节点氧气浓度也逐渐趋于平缓。可见煤柱底部的耗氧对整体煤堆氧浓度的影响较大。由于1#点靠近煤堆底部，有新鲜空气由底部流入，故该点氧浓度最终较其他两点高。
4煤堆自燃影响因素数值模拟
影响煤堆自燃的因素有许多。如煤堆的漏风、煤堆的空隙率以及煤的自燃倾向性等[1～2，8～9]。用数学模型可以方便地模拟不同参数条件下的煤堆自热升温情况。比较分析各种参数对煤堆自燃过程的影响。
4.1氧气浓度