煤炭地下气化温度场和裂隙场的演化规律

对国内某煤炭地下气化现场气化煤层的顶底板岩石不同温度下的热力学参数资料进行了收集整理,建立了岩石及煤比热容和导热系数随温度变化的拟合曲线方程,并采用COMSOL模拟了研究区地下气化的温度场分布。根据温度场模拟结果运用FLAC~(3D)软件对研究区的覆岩裂隙场进行了数值模拟,证明了数值计算模型及其结果的合理性。     

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。     

煤炭地下气化燃空区瞬变电磁法测量试验

煤炭地下气化燃空区的测量是一个新的研究领域，文中运用小装置瞬变电磁测量方法对其进行了测量尝试，并取得了较好的结果。     

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...     

通道式煤炭地下气化过程特征场演化规律

我国废弃矿井中遗留煤炭资源量约420亿t,废弃矿井煤炭资源井工复采技术难度大,安全性差,在经济上也不合理,因此必须探索新的回收技术,煤炭地下气化技术则是一条可行的技术路线,其可以依托老矿井原有的井筒和巷道建设地下气化炉,利用人工掘进的煤巷作为气化通道,形成通道式气化。煤炭地下气化发生与发展过程实质上是气化反应区特征场（温度场、体积分数场、应力场）的扩展过程,通过地下气化模型试验研究了通道式气化过程特征场的分布与扩展规律,结果表明,在模型试验条件下温度场沿水平通道（横向）和垂直通道（纵向）平均扩展速度分别为0.089 m/h和0.012 m/h,横纵平均速度比为7.42倍,在注气点附近,横向和纵向扩展速度均达到最大值,分别为0.116 m/h和0.118 m/h;通道式气化以壁面燃烧气化为主,当横向扩展速度大于纵向扩展速度的11.4倍以上时,反应过程将失去稳定性;气化区中部（通道）附近气样中的H₂和CO体积分数高于煤层气样中的H₂和CO体积分数,因此通道壁面的还原反应是H₂和CO的主要来源,CH₄体积...     

下保护层工作面过断层区覆岩裂隙-应力演化规律研究

为深入研究下保护层开采过断层区上覆岩层裂隙发育与应力演化特征,运用相似模拟研究方法,分析下保护层开采过断层过程中裂隙场演化、顶板断层应力变化趋势、上覆岩层运移特征。结果表明:下保护层采动容易引起顶板断层附近煤岩体破碎,形成断层带;覆岩裂隙在顶板断层带内显著增加,其密度曲线呈现"W"形分布;顶板断层底端与顶端随采动工作面接近与远离应力峰值表现出不同变化;覆岩运移具有时空效应,同一层位覆岩随工作面推进位移下沉,呈现"瀑布"状分布。     

高温对煤炭地下气化围岩损伤的影响

煤炭地下气化是煤炭无害化开采技术创新战略方向之一,该技术可以回收老矿井废弃煤炭资源,对传统采煤技术难以开采的煤炭资源进行原位清洁转化。气化过程中燃空区形成带来的结构应力和高温造成的热应力共同作用对岩石造成损伤。以大城勘查区深部煤层为气化对象,得出典型围岩热物性及力学参数随温度变化规律。基于连续损伤力学理论,在平滑Rankine损伤模型的基础上提出高温岩石损伤变量模型,使用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件对深部煤层地下气化过程围岩温度、主应力、损伤变量进行模拟研究。结果表明,5种典型岩石的比热容随温度升高整体呈上升趋势,导热系数随温度升高整体呈下降趋势,抗压强度和弹性模量随温度变化规律差别较大。围岩受温度影响范围随气化时间呈指数变化,气化10 d时,温度影响范围仅为3.27 m;气化50 d时,温度影响范围达到5.73 m;气化100 d时,温度影响范围为8.21 m;气化400 d时,温度影响范围达到18.20 m。结合地下气化过程中普遍采用的控制注气点后退气化法,岩石处于高温区的时间在40 d左右,温度场对围岩的影响范围约为4.7 m。燃空区上方及两端均出现损伤...     

煤炭地下气化过程中温度场及其传热特征研究进展

煤炭地下气化(UCG)技术作为一种环境友好的采煤方法,可被用来开发深部煤层与矿井遗留的煤炭资源.当地下气化时,随着气化时间的推移,煤炭在煤层内部"燃烧"逐渐形成气化炉,炉内温度最高可达1200℃.从UCG过程中的放热反应出发,综述了热量来源、温度场的变化及其传热特征等,总结了研究温度场的重要手段.分析认为,UCG是一个...     

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。     

不整合地层下煤层开采覆岩裂隙场发育特征

以宁夏石嘴山矿西区3号煤层开采为工程背景,采用相似模型试验、数值模拟计算,研究深部不整合覆岩下煤层开采所引起的裂隙发育特征,并对两种方法分别得到的裂隙带形态进行对比分析。由于煤系地层与上覆地层不整合,开采扰动后应力重分布及覆岩裂隙发育具有其特殊性。研究发现：煤层开采过程中,采空区周围出现＂应力拱＂;地层不整合面的存在阻...     

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.     

潘一东矿近距离煤层上行开采围岩裂隙演化规律模拟研究

结合潘一东矿深部煤层开采的具体工程地质条件,运用相似模拟、数值模拟相结合的方法,分析研究了深部煤层上行开采过程中,岩层破坏断裂、裂隙演化及下沉变形特征,进一步分析了岩层下沉变形曲线与岩层断裂、裂隙发育和受力状态的关系。研究表明:下煤层和上煤层开采过程中,岩层裂隙富集区主要分布在切眼向采空区内一定距离斜向上一定距离范围内和煤壁向采空区内一定距离斜向上一定距离范围内的岩层中;采空区正上方岩层经历一个裂隙产生、扩展、闭合的演变过程;下煤层开采时,煤壁处岩层断裂角小于切眼处;上煤层开采时,煤壁处岩层断裂角随两煤层工作面位置不同,经历一个先增大后减小的过程;岩层整体下沉曲线斜率不同区域与岩层裂隙发育情况及受力破坏状态是有密切联系的。     

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。     

A remining technology of underground coal gasification at Zhongliangshan Coal Mine

The field trail used a mixture of steam and air with various levels of oxygen enrichment. Steady conditions were achieved in the field trail which produced high quality hydrogen-enriched syngas. To understand and optimize the UCG process, a simplified heat and mass transfer model was presented, providing a predictive tool for temperature and the major constituents of the syngas production. The model is compared with the field trail measurements for air and two levels of oxygen enrichment, showing reasonable agreement for the channel temperature and product syngas concentration profile. Supported by the Cultivation Fund of the Key Scientific and Technical Innovation Project, Ministry of Education of Chinese (02019); Anhui Province Science and Technology Tackling Key Project(08010202058)     

涌水条件下富氧煤炭地下气化温度场扩展的模型试验

借助模型实验系统进行了一定涌水条件下的富氧空气煤炭地下气化试验,研究了不同氧气浓度下炉内的最大升温速率、燃烧前沿的移动速率、以及量化的三带分布与煤气组分的对应关系。试验结果表明,在一定涌水条件下,富氧浓度在21%～80%的煤炭地下气化,煤层的最大升温速率在3.7～9.0 ℃/min,而且氧气浓度在45%左右时,升温效果较好;燃烧前沿沿气化通道的移动速率在0.07～0.11 m/h之间;温度场的三带分布情况对煤气组分有较大影响;当煤炭地下气化温度场的温度梯度比较小时,煤气的组分比较好。     

煤炭地下气化温度场动态扩展对顶板热应力场及稳定性的影响

为探索煤炭地下气化过程中煤层温度场扩展对顶板应力的热影响,利用相似材料制作大尺度顶板模拟内蒙古乌兰察布褐煤层顶板泥质软岩,对煤层温度场动态扩展条件下,顶板应力场扩展过程及顶板稳定性进行实验研究。结果表明,在模型实验中,顶板热应力的最大值可达1.5 MPa。在氧化区培育阶段和气化阶段,煤层温度场沿通道轴向平均扩展速率分别为0.018,0.028 9 m/h,顶板热应力场沿通道轴向扩展速率分别为0.015和0.027 m/h。氧化区培育阶段煤层温度场扩展主方向与裂隙方向一致,煤层温度场动态扩展与顶板热弥散的双重作用使顶板应力场的扩展速率逐渐趋近于煤层温度场扩展速率。同时,泥岩顶板受高温影响在垂直气化通道方向形成稳定的拱形结构,可维持顶板在垂直气化通道方向的区域稳定。     

综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化特征

综放开采顶煤及覆岩非连续结构体系中力链形成机制及其演化规律,是采场支架载荷计算、优化采放工艺和矿压控制的重要基础。借助颗粒体双轴加载双向流动光弹实验,拍摄到综放开采过程中顶煤与覆岩中的力链分布,并基于拓扑学理论对力链网络结构进行了研究。研究表明:初始状态下,顶煤与覆岩中力链分布均匀;开采后在放煤口附近形成拱形力链,并随着工作面的推进向工作面前方和上部延伸。顶煤与覆岩力链主要有3种构型,即链状,环状和链-环耦合,分别分布在工作面前方,未受扰动的覆岩区和受扰动的覆岩区,可用Betti数作为表征力链构型的参数。通过对综放采场力链分布特征分析,揭示了工作面前方支撑压力形成机理和工作面支架受载荷作用的力学本质。对力链强度、力链方位角和接触力频率的统计分析,发现上部覆岩中未受开采扰动区域的强力链分布均匀,而受扰动区域的强力链沿着拱迹线发育,工作面前方的强力链始终以竖直方向的链状力链为主。