无井式煤炭地下气化导水裂隙带发育规律研究

发布时间：2020-04-07 19:16

【摘要】：煤炭地下气化被誉为第二代采煤方式,是建井、采煤、气化综合为一体的绿色开采技术,可在地下有效提取煤炭中的可燃组分,将传统的物理采煤转变为化学采煤,其工艺具有传统采煤工艺无法企及的安全、效率、清洁。本文通过理论分析、数值模拟和相似材料模拟相结合的方法,对煤炭地下气化围岩温度场的分布规律、燃空区覆岩破环规律以及导水裂隙带发育规律展开了系统的研究,主要取得如下成果:1)燃空区顶板岩层会产生微观上的热破裂破坏。利用扫描电子显微镜对燃空区顶板岩样进行扫描试验,表明煤炭地下气化顶板的破裂不仅仅受应力影响,还受到因为高温导致的热破裂破坏,破坏方式均为岩石受高温后产生膨胀,沿岩石节理破坏形成清晰可见的裂隙。2)煤炭地下气化温度在不同岩性岩层中的传导范围存在差异。通过对乌兰察布矿区的气化过程进行温度传导的模拟,研究表明温度在顶板、煤壁以及底板的影响范围有差异,并且在各岩层中的扩散规律也呈现不同的态势。经过实验对比,温度在顶板中的传导范围最终不超过16.6米,在气化炉两侧煤壁的传导范围最终不超过11.8米,而在底板的传导范围最终不超过13米,温度降低的梯度排列在不同岩层中也呈现较大差异。3)针对煤炭地下气化开采方式提出了改进的数值建模方法。由于煤炭地下气化过程产生较大的热量,温度可达一千多摄氏度。将温度对围岩的影响考虑在内,围岩的力学参数应依照温度在围岩中的分布范围进行分层赋值,使数值模拟结果更趋于准确。通过数值模拟与实测数据进行对比,验证了数值模拟结果的准确性和该建模方式的可行性。4)煤炭地下气化的导水裂隙带发育形态和高度有其独特的发育规律。通过分别建立相同气化炉宽度考虑温度因素和不考虑温度因素的地下开挖数值模型,对比研究了传统井工开采和煤炭地下气化开采时导水裂隙带的发育情况。试验表明,不考虑温度因素的传统井工开采时,导水裂隙带的最终发育高度为15米,顶板的最大下沉值为42厘米,导水裂隙带的发育形态类似“拱形”;而考虑地应力与高温耦合的地下气化的导水裂隙带的发育高度达到了47米,顶板的最大下沉值为37厘米,导水裂隙带形态呈现为向两侧延伸的“蝶翼形”。5)煤炭地下气化开采导水裂隙带发育高度与气化炉设计宽度存在联系。在采宽较小范围时,采宽的增大会导致导水裂隙带高度的增加,当宽度增加到一定值之后,导水裂隙带的高度不再随采宽的变化而变化。在计算煤炭地下气化开采上覆岩层导水裂隙带高度时,应将燃空区宽度和气化煤层厚度两个因素同时考虑,使得导水裂隙带高度的计算更加准确。
【图文】：

示意图,地理位置,示意图,气化工艺

概况及气化工艺介绍eral Situation of Mining Area and Introsification Process主要对乌兰察布地下气化矿工业性试验地区的地质条件、岩层气化工艺和气化炉布置作出介绍，并为后续的研究提供了基及位置介绍（Introduction of Traffic and Locatio区地理位置位于察哈尔右翼前旗政府所在地土贵乌拉镇向北东约 18km 处，该地四通八达交通便利。集宁区西部依靠呼，东部临近北京、天津、唐山经济三角区，地理位置优越，津、晋、冀的南大门，也是我国与蒙古、东欧各国产生经济同时集宁区也是中国北方的重要交通枢纽。该矿区的地理位

示意图,工作面布置,示意图,定向钻孔

图 2-2 气化工作面布置简化示意图Figure 2-2 Simplified schematic diagram of the layout of the gasification face整个气化工作开始之前，需要建立空气注入井和出气井，空气注入井作为后期气体的注入和运输的主要通道，出气井为煤炭地下气化生产的可燃气体从地下运输至地面的主要通道。整个工作过程开始之前，需要利用定向钻孔技术，在气化煤层的中部钻孔形成气体运输通道，并且使之能与空气注入井、出气井形成贯通。同样，利用定向钻孔技术，寻找气化工作面与出气列相交的位置作为初步点火点，点火燃烧开始产生可燃气体，随着煤炭的燃烧形成燃空区，产生的气体通过贯通通道沿着出气井运送至地面，然后对煤层中部的注气管道加以控制，使参与反应的气体和燃烧区向待气化区进行移动，对燃烧形成控制，以此循环逐步推进直至整个气化工作面反应完毕。由于燃烧炉的推进方向是向注气控制管道后退的方向前进的，故将该气化工艺称为气化炉后退式控制注气地下气化采煤工艺。整个气化开采的顺序与条带开采相似，，也称为带状气化。整个采区气化过程安排如下：1）定向钻孔后，首先燃烧形成出气通道，整个阶段经历 60 天，最终形成
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD841

【参考文献】