煤炭地下气化综合电磁法监测技术的应用

煤炭地下气化可以从根本上消除煤炭开采的地下作业工程，充分利用煤炭资源，将煤层所含的能量以洁净气体的形式输出地面，而将灰烬和废渣留于地下，从而大大减轻传统采煤和气化工艺对环境造成的不良影响。为了使地下煤层的燃烧和气化得到有效的控制，使气化工艺有效地发挥作用，及时准确地了解地下气化状态（包括燃烧工作面的位置、移动速度及燃空区的范围等）至关重要。监测试验表明，综合电磁法是进行煤炭地下气化监测的有效方法。     

深部煤炭原位气化开采关键技术及发展前景

我国深部煤炭资源储量丰富。煤炭地下气化可将其转化为燃气输出到地面,是深部煤炭原位流态化开采的重要途径。本文介绍了煤炭地下气化技术(UCG)的发展历程、技术现状以及中深部煤炭地下气化典型案例,基于现代煤炭地下气化技术体系剖析了深部煤炭地下气化的关键技术及技术攻关方向,展望了以天然气生产为目标的深部煤炭气化开采前景。UCG的发展呈现由矿井式向钻井式、由浅部煤层向深部煤层、由单一发电向综合利用的趋势;中深部煤炭地下气化的实践验证了深部煤炭地下气化的技术可行性。深部煤炭地下气化的关键技术主要包括地质评价和科学选址、气化炉构建技术、深部煤层高压点火技术、可控移动注入技术和深部火区地球物理探测技术。深部煤炭气化开采生产天然气,不仅可实现深部煤炭资源的清洁高效利用,还有望解决天然气消费的供需矛盾。     

高温-热学参数耦合效应下地下气化围岩温度场扩展模拟研究

煤炭地下气化过程中产生的高温改变了燃空区围岩的热学参数,从而影响燃空区围岩温度场的传播.目前缺乏针对高温-热学参数耦合效应下的煤炭地下气化围岩温度场扩展规律的研究,造成气化过程中温度场扩展的反演计算相对失真,限制了多场耦合条件下地下气化采场围岩控制技术的发展,亟待开展相关研究.利用Fish语言对FLAC3D自带的热传导...     

煤炭地下气化气化工作面径向扩展探测研究

地球物理方法可以实现燃空区的间接探测,而钻孔探测可以更直接地获得燃空区样品,深入了解地下气化工况及燃空区形貌。依托煤炭地下气化现场试验工程,采用直接钻孔探测及取样,对获取的煤、岩、焦、渣样品进行了元素分析及灰分分析,采用XRD,SEM-EDS对其矿物质组成进行了表征。研究结果表明,高活性褐煤煤层空气气化,气化面的径向扩展宽度小于17 m。在沿主气化通道径向扩展4 m附近,煤层经历了高温气化反应并伴随高温特征矿物质的生成,气化后煤层残炭约为10%,煤层的气化引起了上覆盖岩层的松动与坍塌;距离气化通道径向扩展17 m位置,接近气化传热的边缘,只有上部煤层受到热的影响,煤层顶板未发生变形;在此基础上绘制了燃空区综合形貌图。     

温度因子对深部开采影响的研究现状与展望

我国煤矿正在逐步进入深部开采阶段,温度因子在深部矿井开采中的影响权重较浅部开采时明显增大,因高温带来的问题已经成为深部矿井开采中的主要难题之一。在综合分析深部开采高温问题有关研究成果的基础上,从温度对地下作业环境的影响,温度对岩石的本构关系,岩石强度和岩石变形等深部岩体力学性质的影响,温度对煤层自燃、深部岩石时-温效应的影响几个方面进行了综述,系统分析了温度因子在深部开采中的作用。最后指出了目前深部开采有关温度问题研究中存在的不足。     

煤炭地下气化过程中温度-应力耦合作用下燃空区覆岩裂隙演化规律

进行了高温下泥岩和砂岩的热物理性质实验和单轴压缩实验，获得了不同温度下岩石比热容、导热系数、弹性模量和单轴抗压强度等基本物理力学参数。基于热力学与弹性力学理论，建立了考虑岩石损伤演化的温度-应力耦合作用控制方程，并以某煤炭地下气化现场的工程地质条件为背景，对温度-应力耦合条件下燃空区覆岩温度场和裂隙场的演化规律进行了数值模拟研究。最后，采用现场钻孔观测试验法对燃空区覆岩断裂带发育高度进行了探测。现场探测结果与数值模拟结果基本吻合，证明了数值计算模型及预测结果的合理性。     

开发与研究煤炭地下气化技术的思考

煤炭地下气化是将地下高分子结构煤在原地高温下转变为低分子结构的燃气，并输送到地面的化学采煤方法。它将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，涉及到地质、采煤、岩石力学、热工、煤化工等多门学科、煤炭地下气化技术可以开发采深部煤炭资源，提高资源利用率，减轻工人劳动强度，减少环境破坏和大气污染。     

刊首语

正煤炭地下气化技术作为一种开采地下煤炭资源的新技术,与传统井工开采相比具有明显的优点:一是可以回收矿井遗弃的煤炭资源;二是可以用于开采井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、"三下"压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层;三是地下气化燃烧后的灰渣留在地下,减少了地表下沉,无固体物质排放,煤气可以集中净化,大大减少了煤炭开采和使用过程中对环境的破坏。可见,煤炭地下气化技术可大大提高煤炭资源的利用率,具有较好的经     

辽河油田深部煤炭资源地下气化的探讨

利用钻孔式煤炭地下气化进行深部煤炭资源开采,在我国还是一个空白,故拟利用辽河油田丰富的深层煤炭资源及其先进的钻井设备、完善的泥浆体系、先进的压裂设备解决在煤层中钻进的井眼保护和贯通问题,进行煤炭地下气化先导性试验,开展我国钻孔式煤炭地下气化技术的应用。     

贫瘦煤地下气化模型试验研究

为探索煤炭地下气化技术对贫瘦煤的适用性,在地下煤层模型试验平台上研究了贫瘦煤层的气化特性。结果表明:贫瘦煤层在空气气化下的煤气热值能达到3 404 MJ/m3,优于地下褐煤空气气化所生成煤气的热值;贫瘦煤层在富氧水蒸气气化下,煤气的有效组分和热值随气化剂中氧浓度的增加而增加,氧气体积分数在40%~50%时产生的煤气比较适合用于燃气发电;污染物分析说明煤气冷凝水中部分污染物含量超标。通过对燃空区三维形状及模拟煤层顶板的分析,发现燃空区沿气化通道稳步推进,横向扩展宽度自点火点处的0.86 m缩小至终点的0.43 m;模拟煤层的表土下沉量约占总厚度的6.5%,下沉面积约占煤层总表面积的6.1%左右。     

煤炭地下气化酚污染迁移数值模拟

基于我国西部某煤炭地下气化试验,以气化特征污染物之一--挥发酚为例,建立地下水流运动和污染物迁移数学模型,对气化炉闭炉后的污染物迁移规律进行了数值模拟。结果表明： 20 a 预测期内,挥发酚具有极弱的向煤层隔水顶板上覆咸水含水层的迁移倾向,水动力弥散是其迁移的主要方式;煤层内部挥发酚的迁移只发生在燃空区附近,在气化后20 a,污染晕为以燃空区为中心的椭圆形,长轴方向大约500 m,短轴方向大约300 m,煤层的低渗透性、水力坡度小和介质的吸附作用是阻碍挥发酚在煤层内扩展的主要原因;煤层与含水层之间的水头差、燃空区上下方隔水层的破坏程度和范围以及水动力弥散作用是含水层污染评价的关键因素。地下水污染风险须通过科学选址、气化过程控污、煤层燃空区污染处理等措施进行综合防治。     

煤炭地下气化炉顶板结构模型及其对气化过程的影响

从煤层顶板岩性及气化空间高温对顶板岩性的影响和燃空区处理角度,分析了煤炭地下气化空间的形成与扩展,提出了倾斜、缓倾斜和近水平煤层气化空间顶板结构模型,并分析了气化空间顶板结构对气化过程的影响。     

基于计算机模拟的煤炭地下气化场覆岩运动规律分析

顶板控制和覆岩破裂规律研究是井下开采支护的理论基础。以张家口蔚州煤矿地下气化场煤层为研究对象,利用计算机仿真技术模拟了"三带"发育、覆岩结构规律、围岩剪应力分布、煤层支撑压力分布、燃空区厚岩层载荷分布以及覆岩垂直位移变化规律。该研究为煤矿井下气化场煤层覆岩支护措施的设计提供了参考。     

煤炭地下气化模型试验研究现状与发展

为探索模型试验在煤炭地下气化研究中的作用,阐述了煤炭地下气化模型试验气化炉的结构特征、燃空区扩展规律及气化工艺.研究结果表明,模型气化炉虽不能完全模拟地下煤层赋存条件,但可在煤层和岩层中设置温度、压力、组分和应力等测点,获得现场难以测得的温度场、压力场、浓度场和应力场等物理场;可对不同赋存条件下煤层的燃空区扩展形状及规律展开直观研究;气化工艺模型试验不仅可获得与现场试验相同的工艺参数,也可开展煤炭地下气化过程中污染物析出与迁移规律的研究,并用于现场生产.最后,提出了模型试验的发展方向.     

深部煤层地下气化选址研究——以东胜气田J148地区为例

从地质构造、水文地质、煤层气化适用性等角度,系统研究了东胜气田J148地区中生界侏罗系中下统延安组延9煤层地下气化的可行性,并探讨了利用深部煤层气化燃空区孔隙层、含水层及该区致密气层进行碳封存的前景。研究结果表明,该区延9煤层埋深1 264～1 285 m、倾角小于1°,煤层稳定性好。气化目标选区内地层断层、节理裂隙不发育,偶有裂隙但断面新鲜、闭合,煤层气化后空腔有较好的密闭性,对煤炭地下气化影响小,有利于气化炉的建设和扩展,可满足规模化煤炭地下气化项目实施。延9煤层顶底板存在连续的隔水层,能阻截地下水对煤层直接充水,有利于地下气化炉布置;顶板隔水层厚度小于导水裂隙带高度,存在垮落导通顶板含水层间接充水的风险,但顶板含水层属弱富水含水层,涌水量小,风险可控;底板隔水层厚度大于隔水层的安全厚度,能有效阻截煤层底板含水层对煤层直接充水的风险。总体而言,延9煤层厚度适中、夹矸少,属低灰、低硫、高热值不黏煤,煤焦反应活性高,具有良好开发前景。针对深部煤层规模化气化开采产生大量的CO₂排放,初步探讨了利用煤层燃空区、顶底板含水层和下部致密天然气层进行CO₂     

煤炭地下气化覆岩温度场和裂隙场变化机制模拟研究

对我国内蒙古地区某煤炭地下气化研究区的气化煤层顶底板岩石试样进行了热物理参数的测定,并建立了各岩性岩石的比热容和导热系数随温度变化的拟合曲线方程,运用COMSOL Multiphysics软件对气化煤层覆岩的温度场情况进行了模拟,根据温度场的分布情况建立了阶段式的地下气化FLAC3D力学模型,通过调节对应温度的泥岩力学参数,实现了对顶板泥岩的温度反演,并得到了气化研究区的覆岩裂隙发育特征.将相应位置的裂隙高度实测值与模拟值进行对比,在5%的置信区间下R2值达到0.91,验证了所建立的力学模型的可靠性.     

煤炭地下气化场覆岩运动规律的数值模拟研究

 根据煤炭地下气化场实际地质结构,考虑高温对燃空区上覆岩层物理力学特性的影响,采用RFPA建立模型分析燃空区覆岩结构运动及“三带”分布规律,结果表明：（1）燃空区上覆岩层出现明显的“三带”特征,冒落带高度约为8m,裂隙带高度发育到煤层顶板上方约25m处,裂隙带之上至地表之间的岩层为弯曲下沉带。燃空区老顶关键层初次来压步距约为42m,周期来压步距约为12m。（2）随着燃空区扩展,燃烧煤壁前方形成剪应力集中区,由下向上发展成拱形分布;煤壁前方形成应力增高区,煤层支承压力增高系数为2.0~2.3;厚覆岩层支承压力集中系数亦逐渐增大,当燃空区扩展到厚顶板的极限破断跨距时,厚顶板上的载荷发生跳跃式变化,超前支承压力快速增大,后因冒落矸石的支撑作用,关键层上的载荷在燃空区范围内有所降低。（3）随着燃空区扩展,上覆岩层的移动范围及下沉量逐步增大;老顶关键层出现初次破断及周期来压后,厚硬岩层下沉量明显增大;同一时刻距离煤层越近的顶板,其垂直位移越大;上覆岩层位移下沉曲线基本呈对称分布。     

高温对煤层瓦斯抽采钻孔围岩稳定性的影响分析#br#

为了研究高温对煤层钻孔稳定性的影响，利用电热鼓风恒温试件箱和万能材料试验机对不同温度影响后标准煤样的力学参数进行测定，分析了煤的平均抗压强度和弹性模量随温度的变化规律；利用FLAC3D数值模拟软件，建立了煤层钻孔及围岩模型，研究了不考虑温度影响和考虑煤层高温劣化2种工况下钻孔围岩破坏特征。研究结果表明，高温对煤岩的力学特性产生不利影响，随温度的增加，煤样的抗压强度和弹性模量总体呈下降趋势;钻孔内煤炭自燃产生的高温对钻孔围岩稳定性产生显著的劣化影响，使其变形情况加剧，卸压范围增加，导致钻孔破坏严重而失效，且这种影响不会因火的及时熄灭而完全消失。结果对煤层瓦斯抽采钻孔施工具有指导作用。     

乌兰察布煤炭地下气化导水裂隙带高度发育的影响因素

根据乌兰察布研究区实测资料所获得的数据,分析在无井式煤炭地下气化过程中,导水裂隙带发育高度的影响因素;根据钻孔资料,进一步完善在无井式煤炭地下气化中,煤层厚度、顶板岩层结构类型、采深以及高温条件下岩石的物理力学特性变化所影响导水裂隙带发育高度的指标体系。     

煤炭地下气化多场耦合数值模拟程序开发及多场演化规律

开发了一种多场耦合作用下煤炭地下气化的数值模拟程序和方法，基于ABAQUS软件中DFLUX、HETVAL、USDFLD三个子程序同时进行了热-力-化学-位移的多场耦合计算。以贵州省盘州市山脚树煤矿12号煤层第1气化工作面为工程背景，通过该数值模拟方法实现了煤炭地下气化初期点火装置对煤体加热的模拟；实现了注入点不断后退移动下，煤体自燃引发的化学热变化的模拟；实现了煤气化反应后空腔形成的模拟。最后分析了山脚树煤12号煤层气化反应后温度场-应力场-位移场的演化规律。结果表明，温度场演化趋势整体先增后减，随气化点的后退移动依次达到温度峰值，上覆岩层在热传导影响下温度传导范围逐渐扩大，气化120 d后，温度整体传导范围近似泪滴形状，且随着高度的增加，上覆岩层的温度变化略微延迟，温度也逐渐降低；上覆岩层在高温环境下应力重分布，气化120 d后，上覆岩层的拉应力区近似呈现为“凹”形，下伏岩层的拉应力区近似呈现为“T”形，不同高度处岩层的应力演化规律差异较大，燃空区与直接顶交界面处岩层受空腔形成的影响，应力集中现象随着气化工作面的推移逐步发生；上覆岩层整体下沉，沉降量先增再减后趋向稳定，岩层的变形程度...