引言
煤炭作为我国重要的基础能源，在能源消费结构中占据重要地位。煤场作为煤炭储存与周转的关键场所，其安全稳定运行直接关系到能源供应的连续性和企业的经济效益。传统的露天煤场在长期运营过程中，面临着煤炭损耗大、环境污染严重以及受自然气候条件影响大等诸多问题。例如，在风雨天气下，煤炭易被冲刷流失，造成资源浪费；同时，煤炭扬尘会对周边空气环境产生污染，影响居民生活质量。为解决这些问题，煤场封闭改造逐渐成为行业发展趋势。封闭煤场通过构建封闭式建筑结构，有效减少了煤炭的自然损耗和扬尘污染，改善了周边环境质量。
1煤场封闭改造后温湿度变化特性分析
1.1封闭煤场环境特点
与露天煤场相比，封闭煤场在环境方面存在显著差异。从建筑结构看，封闭煤场采用钢结构或混凝土结构搭建顶棚与围护，形成相对独立且密闭的空间，有效阻挡了外界风雨的直接侵袭，却也限制了空气的自然流通。通风条件上，露天煤场空气自由流动，而封闭煤场需依赖人工通风系统，若通风设计不合理，易导致内部空气滞留。光照方面，露天煤场受自然光照影响大，光照强度和时长随天气变化；封闭煤场则主要依靠人工照明，光照均匀但缺乏自然光照的调节作用。这些独特环境特征使得封闭煤场内热量不易散发、湿度相对稳定且易积聚，进而影响温湿度分布，为煤堆自燃等安全问题埋下隐患。
1.2温湿度变化影响因素
封闭煤场温湿度受多种因素交织影响。煤炭堆存方式不同，如分层堆放与随意堆放，会影响空气在煤堆内的流通路径，进而影响热量和湿气的散发，导致温湿度差异。堆存量和堆存时间也至关重要，大量煤炭长时间堆积，内部氧化反应持续放热，且水分不易排出，会使温湿度升高。通风系统设计是否合理、运行是否良好，直接决定煤场内空气的更新频率和速度，对调节温湿度起关键作用。外界气候条件中，气温升高会提升煤场内基础温度，高湿度空气进入煤场会增加湿度，风速则影响通风效果。各因素相互作用，共同塑造封闭煤场复杂的温湿度变化格局。
1.3温湿度变化规律模拟
借助数值模拟方法构建封闭煤场温湿度变化模型，是深入探究其变化规律的有效手段。通过设定不同的通风模式，如自然通风、机械通风或混合通风，以及调整煤炭堆存参数，如堆高、堆宽、孔隙率等，模拟多种工况下煤场内的温湿度分布情况。在模拟过程中，能够清晰观察到温湿度随时间推移的动态变化过程，以及在不同空间位置的分布差异。例如，可发现通风良好的区域温湿度相对较低且变化较为平缓，而通风死角处温湿度则可能较高且波动较大。这些模拟结果为实际温湿度监测点的合理布局和控制策略的精准制定提供了重要参考依据。
2温湿度对煤堆自燃的影响机制
2.1煤堆自燃的内在机理
煤堆自燃是一个复杂的物理化学过程。起始阶段，煤与空气中的氧气接触，发生缓慢的氧化反应并释放出少量热量。若热量不能及时散发，就会在煤堆内部积聚，导致温度逐渐升高。随着温度上升，氧化反应速率加快，放热量进一步增加，形成恶性循环，直至温度达到煤的燃点而引发自燃。煤的物理化学性质对自燃倾向性影响显著。煤的变质程度越低，其挥发分含量越高，氧化活性越强，自燃倾向性越大；孔隙结构发达的煤，与氧气接触面积大，更易发生氧化反应；而水分含量适中时，能为氧化反应提供必要的反应物，但水分过多或过少都会影响自燃进程，这些性质为理解温湿度在自燃中的作用奠定了基础。
2.2温度对煤堆自燃的影响
温度是影响煤堆自燃的关键因素之一。温度升高会显著增强煤分子的活性，使煤与氧气的化学反应速率大幅提升，氧化放热量急剧增加。在高温环境下，煤堆内部的热传导和对流方式发生改变。热量在煤堆内部的传导速度加快，同时热对流也更为剧烈，但由于煤堆的堆积结构和通风条件限制，热量仍容易在局部积聚，形成温度梯度。温度梯度的存在使得热量难以均匀散发，进一步加剧了局部高温区域的热量积聚，加速了氧化反应的进行，为煤堆自燃创造了有利条件，因此高温是诱发煤堆自燃的重要因素。
2.3湿度对煤堆自燃的影响
湿度对煤堆自燃具有双重作用。适量的水分能促进煤堆自燃，水在煤的氧化过程中参与化学反应，作为反应介质加速了氧化进程，使放热量增加。例如，当煤中水分含量处于一定范围时，水与煤中的活性基团发生反应，生成新的中间产物，这些中间产物进一步与氧气反应，放热更多。然而，当湿度过高时，煤堆内部会形成一层水膜，这层水膜阻碍了氧气向煤内部的扩散，使氧化反应因缺氧而受到抑制。不同湿度条件下，煤堆自燃的发展趋势不同，低湿度时自燃发展较快，高湿度时则相对缓慢。而且湿度与温度存在协同作用，高温高湿环境下，水分蒸发吸热可能暂时降低温度，但随后又会因水分参与反应而加速自燃；低温高湿时，自燃倾向则相对较低。
3封闭煤场温湿度调控技术体系
3.1主动调控技术
（1）通风系统优化
基于CFD（计算流体动力学）模拟的送排风布局设计，可精准分析封闭煤场内气流分布规律。通过建立三维数值模型，模拟不同通风工况下煤堆表面及内部的风速场、压力场和温度场，优化送风口位置（如采用侧送风与顶送风结合）、排风口高度（通常设置在煤堆顶部上方2-3m）及风量配比（送风量与排风量保持1:1.1的微负压状态）。模拟结果显示，优化后的通风系统可使煤堆表面风速均匀性提升40%，内部热点温度降低3-5℃，有效抑制热量积聚，同时避免局部通风死角导致的湿度滞留。
（2）除湿与加湿策略
转轮除湿通过吸附-再生循环实现高效除湿，适用于湿度＞70%的高湿环境。其核心部件为蜂窝状转轮，由硅胶或分子筛等吸附剂涂覆而成，除湿能力可达0.5-1.5g/kg干空气，且能同步去除煤尘中的可溶性盐分，减少导电性粉尘对设备的腐蚀。喷雾加湿则利用高压微雾技术（雾滴直径10-50μm），通过蒸发吸热降低环境温度并增加湿度，适用于干燥季节或高温工况。实验表明，在35℃环境下，喷雾加湿可使煤堆表面温度降低8-10℃，湿度提升至60%-65%，但需控制喷水量以避免煤堆含水率超标（建议≤12%）。
（3）隔热措施
反射涂层通过高反射率材料（如铝箔、陶瓷微珠）反射90%以上的太阳辐射热，降低煤堆表面温度波动幅度。在夏季强日照条件下，涂层可使煤堆表层温度较未处理区域降低15-20℃，减少热应力导致的堆体开裂风险。气凝胶隔热层则利用纳米多孔结构（孔隙率＞99%）阻断热传导，其导热系数低至0.018W/(m·K)，仅为传统隔热材料的1/5。将气凝胶毡（厚度5-10mm）敷设于煤堆顶部或通风管道表面，可显著降低热损失，同时减轻结构负荷，适用于长期存储场景。
3.2被动调控技术
（1）堆体结构改进
分层压实通过“薄层堆积-逐层碾压”工艺（每层厚度1.5-2.0m，压实度≥85%），可减少煤堆孔隙率（从40%降至25%以下），降低氧气渗透速率和水分迁移能力。实验数据显示，分层压实煤堆的氧化放热量较自由堆放降低60%以上，且内部温度梯度减小至≤2℃/m，有效延缓自燃进程。孔隙率控制需结合煤种特性：对于高挥发分煤，建议采用更小的层厚（1.0-1.5m）和更高的压实度（≥90%），以进一步抑制氧化反应。
（2）遮阳与隔热棚设计
遮阳棚通过阻断太阳直射辐射（占比总辐射的50%-70%），可降低煤堆表面温度峰值10-15℃。设计时需考虑棚顶倾角（与当地纬度互补±10°）、高度（距煤堆顶部1.5-2.0m）及透光率（建议≤15%），以平衡遮阳效果与通风需求。隔热棚则采用双层结构（空气层厚度200-300mm），结合反射涂层与气凝胶隔热层，实现“辐射反射+热传导阻断”的复合隔热，可使煤堆内部温度波动幅度减小50%以上，显著降低昼夜温差导致的热应力损伤。
3.3智能监测与反馈系统
（1）多参数传感器网络布局
采用“分层-分区”布设原则，在煤堆内部（深度0.5m、1.5m、3.0m）和表面（距堆顶0.3m）同步部署温湿度、氧气浓度（量程0-25%）、CO浓度（量程0-1000ppm）传感器。传感器间距根据煤堆规模确定（长宽方向每10-15m一个节点），形成三维监测网格。数据采集频率设置为1次/分钟，通过无线传输模块（LoRa或ZigBee）实时上传至监控平台。该布局可实现煤堆热湿场与氧化进程的同步监测，为自燃预警提供多维度数据支撑。
（2）数据驱动的预警模型
基于机器学习算法（如LSTM神经网络、随机森林）构建自燃风险预测模型，输入参数包括温度梯度、湿度变化率、氧气消耗速率和CO生成速率，输出为自燃概率（0-100%）与预警等级（绿/黄/橙/红）。模型训练需集成历史数据（覆盖不同煤种、季节和存储周期）与实时监测数据，通过特征工程提取关键指标（如温度异常指数TAI=ΔT/Δt×RH）。实际应用中，模型可提前24-72小时预测自燃风险，准确率达90%以上，较传统阈值法提升35%，为应急处置争取主动权。
4煤堆自燃综合预防策略
4.1源头控制策略
（1）煤种选择与预处理
优先存储低挥发分煤种是降低自燃风险的关键源头控制措施。低挥发分煤氧化活性较弱，在相同温湿度条件下，其氧化放热速率显著低于高挥发分煤，可有效延缓自燃进程。同时，需严格调控入场煤炭水分含量：水分过高会堵塞煤堆孔隙，阻碍热量散失，且水分蒸发吸热后的冷凝过程可能加剧局部湿热循环；水分过低则会导致煤尘飞扬，增加煤与氧气的接触面积，加速氧化反应。建议通过干燥或喷淋等方式，将入场煤水分控制在8%-12%的适宜范围，从存储介质特性层面削弱自燃条件。
（2）堆放方式优化
不同堆放方式对煤堆散热性能影响显著。梯形堆通过控制底角坡度（通常为40°-50°），可增强煤堆稳定性并扩大表面积，促进空气对流与热量散发，但其内部仍存在热量积聚风险。分层堆采用“薄层堆积、逐层压实”工艺，每层厚度控制在1.5-2.0m，通过减少单层厚度缩短热量纵向传导路径，配合层间压实降低孔隙率，可显著抑制氧气渗透。实验表明，分层堆内部温度较梯形堆低3-5℃，且温度波动幅度减小20%以上，更利于维持煤堆热稳定性。
4.2过程抑制策略
（1）化学抑制剂应用
化学抑制剂通过阻断煤氧化反应链实现自燃抑制。常用阻化剂包括氯化钙、氯化镁等无机盐类，以及磷酸铵、硼酸铵等有机复合物。无机盐类通过吸水降温和形成隔绝层阻碍氧气扩散；有机复合物则通过捕捉自由基中断链式反应。喷洒周期需结合煤种氧化活性与环境温湿度确定：高活性煤在高温季节需每7-10天喷洒一次，低活性煤可延长至15-20天。喷洒量以覆盖煤堆表面且形成2-3mm液膜为宜，过量可能导致煤堆含水率超标。
（2）惰性气体保护
氮气注入通过稀释氧气浓度抑制氧化反应。当煤堆氧气浓度降至8%以下时，氧化反应速率可降低90%以上。氮气保护系统需具备智能调控功能：通过氧气浓度传感器实时监测，当氧浓度超过10%时自动启动注氮装置，维持煤堆内部氧气浓度在5%-8%的安全范围。注氮方式包括埋管法与表面覆盖法，前者适用于深部煤堆，后者用于表层防护。需注意氮气泄漏监测，避免因气体逸散导致保护失效。
4.3应急管理策略
（1）自燃早期识别
基于多参数融合的分级预警体系可实现自燃早期精准识别。温度梯度监测采用分布式光纤测温技术，当煤堆内部出现垂直温差＞5℃/m或水平温差＞3℃/10m时触发黄色预警；气体异常监测聚焦CO浓度变化，当CO浓度连续2小时＞24ppm或增长速率＞5ppm/h时升级为橙色预警；当温度梯度与气体异常同时超标时，启动红色预警并立即采取处置措施。该体系可将自燃发现时间提前至潜伏期中期，为应急处置争取宝贵时间。
（2）快速处置技术
局部注水通过快速降温与隔绝氧气实现初期火情控制，适用于深度＜3m的浅层自燃，注水压力需控制在0.5-1.0MPa以避免煤堆塌陷。挖除法针对深度＞3m的深层自燃，需先剥离表层煤体，暴露着火区域后进行注水或覆土处理，施工时需建立防火隔离带防止火势蔓延。覆土法通过覆盖50-100cm厚黏土层隔绝氧气，适用于大面积自燃区域，但需注意覆土前需彻底熄灭明火并排除可燃气体。三种技术需根据自燃位置、深度及规模组合应用，形成“注水-挖除-覆土”的梯度处置方案。
结语
综上所述，本次探讨或实践围绕特定主题展开，历经深入分析、多维度研究以及切实行动，收获了诸多宝贵成果与深刻见解。不仅在理论层面厘清了关键概念、揭示了内在规律，为后续研究筑牢根基；于实践方面，也提出切实可行的策略与方案，有效解决了部分现实问题，推动相关领域朝着积极方向发展。
参考文献
[1]陈静，王强.智能监测系统在煤场自燃预警中的实践与优化[J].工矿自动化，2020，46(12):45-50.
[2]王海峰，李明.封闭式煤场通风系统优化设计与数值模拟研究[J].煤炭工程，2023，55(8):134-139.
[3]张伟，陈磊.基于CFD的煤堆自燃热环境模拟及通风策略分析[J].安全与环境学报，2022，22(5):2107-2114.
[4]李华，刘洋.惰性气体保护技术在煤堆自燃防治中的应用进展[J].矿业安全与环保，2021，48(6):102-107.
个人简介：康海龙（出生1977年10月31日），性别男，民族汉，籍贯是省份河北省张家口市下花园区，单位张家口沙岭子发电厂，职称助理工程师，学历大专，研究方向 煤场封闭改造。
