地下气化导水裂缝带发育规律与地下水流场数值分析

发布时间：2017-09-02 00:39

  本文关键词：地下气化导水裂缝带发育规律与地下水流场数值分析

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【摘要】：中国的空气质量问题,尤其是PM2.5(Particulate Matter,粒径≤2.5微米),近来一直困扰着居民健康生活。2012年,绿色和平组织的研究报告显示燃煤和粉煤尘为我国PM2.5的主要来源,尤其在煤矿开采和北方以采暖为主的地区,传统的采煤方式严重制约着我国环境的可持续发展。中国应该下大力气,找出雾霾的主要原因,采取高效且具有战略意义的举措治理空气质量问题。煤炭地下气化技术(Underground Coal Gasification,UCG)是一种可以将固体煤气化,将煤炭转换成可燃的清洁气体的化工科技,是国家新型能源战略主要攻克的技术之一,是国家提倡的清洁有效利用煤炭资源的先进技术。将煤炭气化技术推向常态化和产业化方向发展,对我国的煤炭资源的长久开采和可持续利用具有深远的战略意义。中国地下气化技术的正式发展研究是在20世纪八十年代之后,中国矿业大学(北京)在徐州、唐山等地区先后进行了“煤炭气化开采”实验,并试生产成功。后来,形成了一套较为成熟的“长通道-大断面-两阶段”气化开采技术工艺,该工艺可以实现水煤气60%-65%的出氢含量。30多年以来,经过各种学者和工程师们的努力,煤炭气化工艺水平在我国得到了显著的提高。UCG示范基地的成功运行,均建立在气化生产过程中对各种控制因素深入研究的基础之上以及掌握地下水的运动机制与持续稳定、高效安全的产气相关关系之上,为此探究气化炉顶板含水层的水进入气化炉的运移规律已逐渐进入研究者的日程,并有了初步的进展。传统对煤层开采导水裂缝带发育规律的研究手段一般集中在经验公式法、相似模拟法和井下实测法。其中大家最认可的仍然是应用最基本、最简单、最实用的经验公式法来计算导水裂缝带的最大高度,特别是国内气化采煤的煤层大都是缓倾斜、近水平的厚煤层,于是在导水裂缝带的计算方面大都采用较为常见的经验公式法。但是实践证明,气化过程中采用经验公式计算的导水裂缝带高度结果偏差往往过大,尤其是气化煤层顶板为泥岩或页岩时,气化的高温(1000℃或者以上)使得顶板泥岩力学性质发生变化,从而导致实际导水裂缝带高度无法应用现有规范中的导水裂缝带高度经验公式进行计算。随着计算机技术的发展,各研究机构针对导水裂缝带发育规律进行了大量的数值模拟研究工作,但是精确刻画采区温度场分布特征,建立基于温度时变的工程地质概念模型、数值模型的研究仍较少见;另外,国内学者们在建立地下水数值模型研究分析地下水渗流场变化特征方面也做了大量的工作,但是以导水裂缝带发育机理为依据,指导水文模型的各参数设置,建立三维地下水模型,深入分析气化过程中地下水渗流场的动态变化的研究尚缺。基于以上现实需要和研究现状,本文以新奥集团乌兰察布市的玫瑰营子矿区(北区)气化区“导水裂缝带发育规律”及“地下水渗流场时空特征”为研究对象,在深入分析研究区的自然地理、社会经济、工程地质、水文地质资料以及历史研究成果的基础上,首先,以前人研究综述成果为基础,以研究区现场试验结果为依据,综合分析玫瑰营矿无井式地下气化区煤层顶板泥岩以及泥岩组合体重要的物理学参数(弹性模量、泊松比、热传导系数以及抗拉强度等)随温度变化规律;其次,在综合分析研究区燃炉覆岩的破坏在不同阶段(三带温度场)的影响因素(气化深度、气化煤层宽度、气化炉长度等因素)基础上,建立基于采区围岩温度场分布的工程地质概念模型,进而构建了基于flac3d数值模型,研究剖析了导水裂缝带高度在不同温度、不同气化阶段、气化深度、气化开采宽度、气化炉长度影响下的发育机理;再次,采取导水裂缝带高度发育数值模型模拟结果为依据,辅以分析矿区水文地质条件,指导煤层顶板“隔水层”数值模型的渗透系数分区与赋值,进而采用visualmodflow构建了气化不同阶段的三维地下水渗流模型,研究气化炉顶板含水层的水进入气化炉的运移机理,通过建立精确的地下水数值模型模拟地下气化过程中地下水渗流场的变化特征,并计算涌水量;最后,为保证地下水环境的可持续性,同时保证矿井安全开采,论文以地下水数值模型为基础设计研究该区地下水抽注水方案,在保证气化安全生产的同时满足地下水渗流场的平衡。论文得到主要研究成果如下:1.研究区地处中纬度内陆,属中温带半干旱大陆性季风气候。气化煤层位于区域侵蚀基准面以下,其顶底板围岩岩性为胶结较好的泥岩、砂质泥岩,含水性较弱。矿床充水水源主要为第四系、新近系孔隙—裂隙水,地下水以静储量为主,含水层富水性中等,水文地质类型划分为第一、二类第二型,即以孔隙—裂隙充水为主的水文地质条件中等的矿床。同时,该区地质构造简单,区内揭露地层主要为第四系及新近系弱胶结的泥岩、砂岩类,分布较广,岩石强度相对较低,属松散软弱岩类岩石,稳定性差;2.在气化开采过程中,燃烧带来的热量其中一部分会散失到围岩中,围岩的热物理学参数决定着散失热量的传导,进而影响着气化采场围岩温度场的分布,同时,在围岩温度的影响下,岩石的变形特征、破坏形式、强度性质以及各种物理学参数(弹性模量、泊松比、抗拉、压强度)会随着温度变化而变化,与气化过程中煤层开采深度、工作面跨度、岩层的组合特征等因素同时对导水裂缝带发育高度产生影响。据研究区导水裂缝带高度数值模拟结果所知,随着开采的进行,裂隙会持续发育,在大约150-200天左右时导水裂缝带高度发育到35m左右,此时,裂隙会导通煤层上部含水层,对气化的安全高效生产造成威胁;当气化开采结束,根据导水裂缝带空间分布得到,导水裂缝带高度较大区域集中分布在开采初始阶段,最大裂缝高度约为65m;3.多情景分时段建立的基于Visual MODFLOW水文数值模型较好地刻画了气化采煤过程中地下水流场因上覆岩层破坏影响带来的动态变化,研究以导水裂缝带高度为依据辅助设置水文参数分区,认为裂隙发育区域渗透系数从层状水平优势分布向垂向优势分布发展,并以此规律对模型进行赋值,突破了传统数值模型水文参数设置的局限性。结果显示:煤层上含水系统在点火之后直至燃烧结束,地下水渗流场特征和点火之前基本保持一致,研究区上含水系统在气化过程中未受到影响;煤层顶板含水层,在被裂隙导通之前由于抽水的原因会在抽水井附近形成明显的降落漏斗,但停止抽水时流场又恢复到和初始流场相似程度。随着开采的继续,顶板含水层会被导通,在导通初始时刻,煤层顶板“隔水层”会在导通区附近形成较明显的“反降落漏斗”,随着时间推移,地下水流场会不断发展趋向与煤层顶板含水层类似流场,导通造成了煤层顶板含水层的水进入到了“隔水层”,出现了较为接近的地下水渗流场空间特征;4.抽水井位置应该布设在导水裂缝带发育区域,从而降低该区域的水位,保证安全开采,由数值模拟结果显示,抽水井的加入对地下水渗流场造成了明显的影响,两处抽水井附近均形成了明显的降落漏斗,并且随着抽水量的增加,漏斗中心水位也不断降低,当抽水量为253m3/d时漏斗中心水位降至安全水位1165m,抽水量大于等于290m3/d时导水裂缝带发育区域形成大面积疏干区,表示地下水已抽干,加大抽水量已经没有意义,考虑经济因素选取253m3/d为最佳抽水速率。为了有效利用抽取的地下水,同时保护地下水渗流场平衡,在抽水综合影响范围之外布设注水井,注水速率的选择结合生产实际要求。根据注水井加入的数值模拟结果可知,注水井的加入均可形成“反降落漏斗”,局部的地下水水位回升,注水井的布设有助于地下水渗流场平衡的保持;另外,注水井的加入对气化区附近地下水水位空间特征影响较小,注水的影响范围没有较明显地波及气化区域流场,注水井位置的选择和160m3/d的注水速率合理可行。本次研究以高温下泥岩或泥岩组合系统在气化不同阶段的改性规律为基础,并综合考虑开采宽度、开采深度、岩层的组合特征的等多因素前提下,构建基于采场围岩温度场分布的工程地质概念模型,进而建立了基于温度时变的FLAC3D数值模型,以弄清楚高温影响下的导水裂缝带高度发育规律为特色;同时,以构建研究区导水裂缝带发育规律指导下的地下水数值模型为创新,分析研究了高温影响下的不同气化阶段的地下水渗流场空间变化特征,丰富发展了气化生产过程中导水裂缝带发育影响下的地下水渗流场动态变化的研究理论和依据。
【关键词】：地下气化 导水裂缝带 高温场分布 地下水渗流场 最优抽注水方案
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD84
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 1 引言14-36
• 1.1 研究背景及研究意义14-17
• 1.1.1 研究背景14-16
• 1.1.2 研究意义16
• 1.1.3 课题来源16-17
• 1.2 国内外研究现状17-28
• 1.2.1 煤炭地下气化的国内外研究现状17-19
• 1.2.2 导水裂缝带发育规律的国内外研究现状19-24
• 1.2.3 地下水数值模拟的国内外研究现状24-28
• 1.3 存在的问题28
• 1.4 研究内容28-29
• 1.5 研究目标29-30
• 1.6 研究体系以及技术路线30-33
• 1.6.1 研究体系及框架30-31
• 1.6.2 技术路线31-33
• 1.7 创新点33-34
• 1.8 本章小结34-36
• 2 研究区地质背景及概况36-50
• 2.1 乌兰察布气化研究区交通与位置36-37
• 2.2 自然地理及社会经济概况37-39
• 2.2.1 地形37
• 2.2.2 气象37
• 2.2.3 社会经济概况37-38
• 2.2.4 地震38
• 2.2.5 环境地质38-39
• 2.3 区域地质概况39-42
• 2.3.1 地层39-40
• 2.3.2 构造40-42
• 2.3.3 岩浆岩42
• 2.4 矿区地质概述42-43
• 2.4.1 矿区构造42-43
• 2.4.2 矿区岩浆岩43
• 2.5 水文地质概况43-48
• 2.5.1 区域水文地质分析43-44
• 2.5.2 研究区水文地质概述44-47
• 2.5.3 研究区工程地质特征47-48
• 2.6 本章小结48-50
• 3 无井式地下气化导水裂缝带发育规律50-72
• 3.1 研究区气化炉布置方式50-51
• 3.2 基于FLAC3D三维数值模拟51-53
• 3.2.1 FLAC3D软解介绍和数学模型应用51-53
• 3.2.2 模型设计和基本假设53
• 3.3 高温下气化围岩应力场计算模型53-59
• 3.3.1 基于温度场差异分布的概念模型54-56
• 3.3.2 岩石力学参数的处理与输入56-59
• 3.4 气化模拟计算过程59-68
• 3.4.1 气化开始前研究区的初始状态59-61
• 3.4.2 气化后的结果分析61-68
• 3.5 高温下无井式煤炭地下气化导水裂缝带发育规律68-69
• 3.6 本章小结69-72
• 4 无井式地下气化地下水渗流场时空变化特征72-98
• 4.1 无井气化过程中导水裂缝带对地下水的危害分析72
• 4.2 无井式煤炭地下气化地下水环境概况72-73
• 4.2.1 乌兰察布煤炭气化的燃空区含（隔）水层特征分析72-73
• 4.2.2 乌兰察布煤炭气化研究区构造分析73
• 4.3 气化点火前地下水流场特征分析73-74
• 4.3.1 上含水系统流场特征分析73
• 4.3.2 燃空区顶板含水系统流场特征分析73-74
• 4.4 无井式煤炭地下气化地下水渗流场数值模拟74-93
• 4.4.1 研究区水文地质概念模型74-76
• 4.4.2 数学模型的建立与求解76-79
• 4.4.3 基于多情景分时段的气化区地下水渗流场数值模型79-93
• 4.5 涌水量的预测93-96
• 4.5.1 数值法计算涌水量94
• 4.5.2 解析法计算涌水量94-96
• 4.6 本章小结96-98
• 5 气化区最优的抽注水方案98-110
• 5.1 抽注水方案设计98-106
• 5.1.1 抽水井和注水井的设计原则98-99
• 5.1.2 不同抽注水方案下的地下水渗流场变化特征99-106
• 5.2 无井气化防治水建议106-107
• 5.3 本章小节107-110
• 6 结论与展望110-114
• 6.1 论文的主要结论110-112
• 6.2 研究特色112
• 6.3 论文的不足与限制112-113
• 6.4 研究展望113-114
• 参考文献114-122
• 致谢122-124
• 作者简介124
• 在学期间发表的学术论文124-125
• 在学期间出版著作125
• 在学期间参加科研项目125
• 主要获奖125

【参考文献】

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本文编号：775398