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煤矿矸石山自燃导致内部热量积累严重阻碍植被恢复，传统覆土法无法根治问题。研究采用重力热管（GHP）结合物理化学耦合模型，综合考虑透气性、氧化反应与孔隙介质热传导，建立多场耦合优化体系。通过数值模拟与现场实验验证，确定最优参数为坡面插入深度8.5m、散热段1.48m、间距1.4m；内部区域插入深度5.0m，实现地表温度从462K降至303K以下，有效控制自燃并促进生态修复。研究突破单一评价体系，构建包含温度、气体及自由基的三维评估模型，为矸石山综合治理提供理论支撑和技术路径。
张柏林|胡海峰|张兴华|崔慧如|李勇|张润旭
太原理工大学安全与应急管理工程学院，中国太原，030024
摘要
煤矸山自燃产生的内部热量严重阻碍了植被恢复，而传统的控制方法（如表层土壤覆盖）未能解决根本问题。作为高效的热传递组件，重力热管（GHP）为内部冷却提供了一种新方法，但现有研究缺乏针对不同煤矸山区域的参数优化和通用标准。为了填补这一空白，建立了一个物理化学耦合模型，考虑了空气渗透、氧化反应和多孔介质中的热传递，以揭示内部温度分布情况。结合数值模拟和热管热传递模拟，优化了GHP在山坡和内部区域的最佳插入深度、暴露的散热段长度和布局间距。现场应用表明，优化后的GHP系统运行稳定，将煤矸山的平均表面温度从462 K降至303 K以下，局部坡面高温也从512 K降至303 K以下，满足了植被生长的要求，实现了有效的生态恢复。通过理论、模拟和实验的相互验证，为全球范围内自燃煤矸山的综合管理提供了科学依据和工程技术支持。
引言
煤矸山自燃是煤炭开采行业面临的关键环境和安全挑战（Pan等人，2021年）。其特征是内部热量持续积累和氧化反应加剧，进而引发多维生态退化（Jiang等人，2023年）。自燃产生的高温环境不仅破坏土壤结构，降低土壤肥力，阻碍植被恢复（Han等人，2021年），还会释放大量有毒有害气体和含重金属的渗滤液（Bai，2022年）。这些污染物污染空气、地下水和农田，对区域生态安全和人类健康构成威胁（Song等人，2023年）。此外，自燃还可能引发地质灾害，如矸山崩塌和滑坡，进一步扩大生态破坏范围（Wang等人，2020a）。同时，持久性有机污染物（如烷基多环芳烃）的释放比其母体化合物具有更高的毒性，对周围生态系统造成长期潜在危害（Qian等人，2023年）。因此，实现煤矸山的有效冷却、从根本上抑制自燃并促进同步生态恢复已成为矿区综合管理的紧迫任务（Zhang和Wang，2021年；Li和Wang，2019年）。
为了解决煤矸山中的热量积累和自燃问题，全球学者提出了多种冷却和灭火技术，主要分为三类：物理隔离、主动热提取和化学抑制（Deng等人，2018年）。物理隔离技术通过阻止氧气渗透和表面热交换来抑制自燃（Wu等人，2019年）。然而，这些技术仅作用于表层，无法消除内部热量积累，导致处理后燃烧频繁复发（Zhou等人，2023年）。此外，它们难以解决煤矸山内部孔隙差异导致的局部热量富集问题（Li等人，2024年）。主动热提取技术依赖外部能量输入来传递内部热量（Ai等人，2024年）。但由于煤矸山结构松散多孔，可能导致水分渗透不均，进一步引发地下水二次污染（Guo等人，2024年）。通风冷却的深部热提取效率低，空气渗透范围不可控，甚至可能加剧局部氧化燃烧（Jiang等人，2022年）。特别是在煤和矸石共存的采空区，通风可能会加速高活性自由基的生成和反应（Ma和Yang，2023年）。化学抑制技术通过凝胶、泡沫和复合抑制剂等材料抑制氧化反应（Tang和Wang，2018年）。然而，这些技术效果短暂、成本高昂且受环境因素影响较大，难以实现长期稳定管理（Huang等人，2020年）。此外，某些抑制剂可能破坏土壤微生物群落结构，影响后续生态恢复（Jia等人，2020年）。这些传统技术的固有缺点凸显了开发高效、稳定、被动且环保的新型冷却技术的必要性（Zhang等人，2021a）。
重力热管（GHP）是一种基于相变传热的被动高效热传递组件（Kumar等人，2021年）。它们具有高传热效率、结构简单、无需额外能量输入和运行稳定的优点，在废热回收和被动冷却领域受到广泛关注（Peng和Jia，2022年）。近年来，多项研究尝试将GHP应用于煤矸山冷却（Ren等人，2022年）。然而，现有研究仍存在明显局限性。首先，大多数先前工作仅验证了热管应用的可行性（Zhao等人，2022年），缺乏针对煤矸山自燃特性的关键参数系统优化。GHP核心参数与煤矸山内部温度和渗流场之间的适应性关系尚不清楚（Zhang等人，2025年）。其次，缺乏考虑煤矸山内部火源形成特性的针对性设计（Liu等人，2021年）。第三，现有研究未考虑火源形成特性和孔隙差异对煤矸山内热传递路径的影响（Liang和Wang，2017年），也未考虑颗粒分离引起的非线性渗透率分布（Zheng等人，2021年）。第四，尚未建立热管冷却与生态恢复之间的有效联系，冷却效果如何改善植被生长条件和抑制自燃的逻辑尚不明确（Zhang等人，2011年），忽略了冷却后土壤温度范围与微生物群落结构变化之间的相关性。第五，现有研究未系统分析热管工作流体与煤矸山氧化活性的适应性，也未明确不同流体的相变特性对冷却效率的影响（Naruka等人，2020年），导致技术方案针对性不足。第五，大多数现有研究采用单一监测指标评估冷却效果（Chen等人，2021年），缺乏多指标协同评估系统，难以全面反映自燃抑制效果。
为解决上述研究空白，本研究旨在实现自燃煤矸山的有效冷却和管理，重点优化GHP参数并发挥多效协同作用。通过耦合煤矸山内部温度场、渗流场和氧化活性差异，构建了优化关键GHP参数的模型。现场测试验证了冷却效果和稳定性，并明确了植被生长改善及其与冷却抑制自燃的相关性。本研究的核心创新包括：首先提出了一种多场耦合参数协同优化方法，实现GHP参数与煤矸山自燃特性的精确匹配；其次突破了均匀布局模式，根据火源特性和区域氧化差异设计了分层目标方案，充分考虑了植被生长所需的温度阈值；第三建立了整合温度、气体和自由基的多指标评估系统，全面量化处理效果。预期结果将填补GHP用于煤矸山冷却的系统参数优化研究空白，为自燃煤矸山的综合管理和矿区生态恢复提供新的技术途径。
章节摘录
煤矸山自燃的理论模型
煤矸山自燃是一个复杂的物理化学耦合过程，其中煤矸石中的残留可燃成分（主要是煤残渣和硫化物）（Zhang等人，2021b）与空气发生氧化反应，伴随热量生成、传递和积累，最终导致自燃。开发的模型包括两个核心模块：氧化反应动力学和热传递，阐明了它们之间的定量关系
数值模型的建立和边界条件的设定
以中国山西新智煤矿的煤矸山为原型（Bailin等人，2025年），基于现场测量数据，使用COMSOL Multiphysics软件建立了两种类型的数值模型：
(1)煤矸山温度场的基本模型
为了研究煤矸山的内温度场，选择了中国山西新智煤矿的煤矸山作为测试地点。根据现场测量数据，
煤矸山坡面的温度分布规律
可以通过图3初步判断煤矸山坡面的温度分布规律。为了定量研究煤矸山的内温度分布，在煤矸山坡面附近布置了9个温度测量点。测量点与左侧坡面的距离为10 m，前柱与测量点之间的距离为2 m，测量点之间的间距为20 mGHP和温度传感器的现场布置
为了验证理论研究的准确性，在中国山西新智煤矿的煤矸山上进行了现场实验。实验中使用的传感器和其他组件如表2所示。GHP和各种传感器根据优化参数精确安装：坡面区域的插入深度为8.5 m，暴露的散热段长度为1.48 m，布局间距为1.4 m；内部区域的插入深度为5.0 m
结论
针对自燃煤矸山内部热量积累阻碍植被恢复的问题，应用了重力热管（GHP），并建立了针对性的研究框架，以填补GHP关键参数系统优化在煤矸山冷却和生态恢复集成方面的空白。
现场实验验证表明，优化后的GHP系统能够稳定提取内部积累的热量，降低了表面温度
资助
本研究得到了山西省青年研究院基础研究计划[项目编号202203021212219]和山西省科技成果转化引导专项[项目编号202304021301039]的资助。CRediT作者贡献声明
张兴华：资源获取、调查。崔慧如：调查、资金筹集。张柏林：撰写——初稿、软件开发、调查、资金筹集、正式分析。胡海峰：资源获取、方法论。李勇：监督、软件开发。张润旭：验证、资源获取、项目管理。
致谢
作者衷心感谢山西省青年研究院基础研究计划[项目编号202203021212219]和山西省科技成果转化引导专项[项目编号202304021301039]的财政支持
