摘要
随着煤炭资源在全球能源中需求量的增长，煤炭开采的趋势在全国范围内稳步提高，随之带来的是一系列的煤矸石。煤矸石在国内一般以顺沟排放和自然堆积为主，长时间的堆积不仅会导致煤矸石山内部可燃物氧化，严重还会导致煤矸石山发生自燃。尤其是处在干燥多风地区的煤矸石山，由于降雨量少，四季多风，更易引发自燃，对环境产生影响。如果能够以干燥多风矿区的煤矸石山为研究对象，对矸石自燃的影响因素进行研究，充分了解煤矸石山内部的热源分布和温度变化等特征，就能有针对性地对煤矸石山进行治理，为进一步处置煤矸石的方法提供参考。 本文在理论分析的基础上，选取了内蒙古地区典型的干燥多风矿区的某座煤矸石山为研究对象，开展了对煤矸石山斜坡面的粒度分布特征和内部温度场分布等自燃特征的研究。首先借助分形理论研究矸石山斜坡面的粒度分布特征；通过引入相似模拟的概念测量连通孔隙率和渗透率；在此基础上结合传热学等相关理论对矸石山开展数值模拟试验，并结合现场实测数据对矸石山的自燃特征进一步分析，验证模拟的可靠性。主要研究成果如下： （1）矸石粒度分布和分维数之间具有一定的规律性，分维数的大小反应了矸石的粒度组成关系，分维数越小，粒径大的矸石含量越多，矸石堆的平均粒度越大。 （2）矸石粒径越小，多孔介质的连通孔隙率越小，矸石粒径越大，连通孔隙率越大。通过实验可知，随着矸石山高度增加，矸石山的连通孔隙率逐渐较小。矸石山的渗透率与矸石的分布参数和区间内最大矸石粒径之间存在线性关系。 （3）使用不同的孔隙率及风速条件对煤矸石山内部温度分布情况进行模拟，模拟结果显示，在相同的堆积时间内，随着孔隙率逐渐增大，矸石山内部能达到的最高温度呈现先升高，再降低的趋势；随着风速逐渐增大，矸石山内部温度最高点从矸石山迎风侧表面向矸石山中部及背风侧偏上移动。 （4）矸石山的高温区主要集中在矸石山表面向下2.0~3.5m的位置；整个矸石山根据温度高低和自燃倾向可分为3个区域，即低温区、中温区和高温区；矸石山自燃的起点是内部温度最高点；整个矸石山内部燃烧不均匀，属于部分燃烧。 通过以上研究，了解了煤矸石山斜坡面粒度分布规律与分维数之间的关系，分析了连通孔隙率及渗透率的影响因素，探究了不同连通孔隙率及风速条件对煤矸石山自燃特征的影响，明确了可以通过改变煤矸石山的粒径分布，继而改变连通孔隙率，干扰风速对内部温度场的影响，可为今后煤矸石山的处理提供理论依据和参考价值。
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