煤炭地下氣化溫度場動態擴展對頂板熱應力場及穩定性的影響

席建奮,梁 杰,王張卿,朱漢青,段永亮,邊嘯林

(1.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京 1 00083;2.新奧氣化采煤技術有限公司,河北廊坊 065001)

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煤炭地下氣化溫度場動態擴展對頂板熱應力場及穩定性的影響

席建奮1,2,梁 杰1,王張卿1,朱漢青1,段永亮1,邊嘯林1

(1.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京 1 00083;2.新奧氣化采煤技術有限公司,河北廊坊 065001)

摘 要:為探索煤炭地下氣化過程中煤層溫度場擴展對頂板應力的熱影響,利用相似材料制作大尺度頂板模擬內蒙古烏蘭察布褐煤層頂板泥質軟巖,對煤層溫度場動態擴展條件下,頂板應力場擴展過程及頂板穩定性進行實驗研究。結果表明,在模型實驗中,頂板熱應力的最大值可達1.5 MPa。在氧化區培育階段和氣化階段,煤層溫度場沿通道軸向平均擴展速率分別為0.018,0.028 9 m/ h,頂板熱應力場沿通道軸向擴展速率分別為0.015和0.027 m/ h。氧化區培育階段煤層溫度場擴展主方向與裂隙方向一致,煤層溫度場動態擴展與頂板熱彌散的雙重作用使頂板應力場的擴展速率逐漸趨近于煤層溫度場擴展速率。同時,泥巖頂板受高溫影響在垂直氣化通道方向形成穩定的拱形結構,可維持頂板在垂直氣化通道方向的區域穩定。

關鍵詞:煤炭地下氣化;溫度場;熱應力場;擴展;穩定性

責任編輯:張曉寧

席建奮,梁 杰,王張卿,等.煤炭地下氣化溫度場動態擴展對頂板熱應力場及穩定性的影響[J].煤炭學報,2015,40(8):1949-1955.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2015.0399

煤炭地下氣化生產的煤氣不僅可直接作為工業和民用燃料,也可用來發電或作為化工原料[1-4]。該技術特別適合于深部、急傾斜、緩傾斜及傳統采煤技術開采不經濟或劣質煤層等資源的開發和利用[5-9],也可用來回收傳統采煤遺留在井下的資源,而褐煤則被認為是最適合利用煤炭地下氣化開采的資源[6]。

煤炭地下氣化形成的燃空區上方巖層頂板溫度高達950~1 000℃[10-11]。高溫作用下,巖層頂板因熱膨脹使礦物顆粒邊界出現大量微裂紋,不僅使含水層水導入地下氣化爐,也造成煤氣的泄露,因而,對氣化過程中巖層頂板高溫條件下熱應力及穩定性的研究具有十分重要的意義。

針對不同巖性的頂板高溫力學性質,研究人員開展了大量的實驗研究和數值模擬研究,Liu等[12]研究了高溫處理后花崗巖和砂巖的力學特性,Ranjith 等[13]利用單軸壓縮實驗研究了25~950℃下砂巖的熱應力特性;Chen等[14]研究了石灰巖在高溫下的膨脹特性,發現層理結構對應力變化有重要影響;陸銀龍等[15]基于巖石損傷理論建立了溫度-應力耦合方程,并對煤炭地下氣化過程頂板受熱導致的拉伸損傷和裂隙演化進行了數值研究; Yang等[16]利用ABAQUS軟件建立了熱-力耦合模型,并分析了煤炭地下氣化燃空區頂板及圍巖的應力分布; Mehdi 等[17]建立了三維熱-力耦合模型,并利用模型預測了煤炭地下氣化燃空區周圍的應力分布;Stuart等[18]利用Eulerian-Godunov法對花崗巖的熱應力致裂進行了數值分析;Wang等[19]利用有限元方法分析了2種不同礦物在短脈沖微波作用下熱應力的演化過程。

然而,無論是實驗研究還是理論研究,研究對象均以堅硬圍巖(花崗巖、石灰巖等)為主,而對于軟弱巖層,如泥質軟巖的研究涉及較少;而且在實驗研究中,均采用小尺寸試件對巖石高溫條件下的力學特性進行研究,而忽略對巖石在大尺度條件下的高溫力學特性分析或探討,且在煤炭地下氣化過程中,煤層燃燒工作面處于動態擴展過程中,在小尺寸的試件中很難反映高溫動態熱作用對巖層頂板的應力影響,尤其無法全面評價頂板高溫條件對氣化過程及穩定性的影響。同時,在煤炭地下氣化過程中很難對巖層頂板熱應力進行監測,須借助對煤層溫度場的擴展研究間接獲得頂板熱應力的變化過程。

本文設計了大尺度巖層頂板實驗,對高溫動態作用下的泥巖頂板熱應力變化及穩定性隨煤層溫度場的動態擴展變化過程進行研究,以獲得煤層溫度場動態擴展對頂板熱應力場及穩定性的影響過程。

1 實驗材料

1.1 氣化煤層

實驗所用褐煤取自內蒙古,原煤露天開采后加工成邊長400 mm立方體煤塊,之后立即將煤密封包裝并運送到實驗室,褐煤的工業和元素分析見表1。

表1　褐煤工業分析與元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of lignite sample　%

1.2 氣化煤層頂板

模型實驗原型煤層頂板的主要成分為泥巖,原型泥巖與相似頂板實測值的單軸抗壓強度和容重分別為9.27, 0.17 MPa和22.25, 15.15 kN/ m3。根據現場氣化爐尺寸與實驗室模型氣化爐尺寸確定模型實驗的幾何尺寸相似比Cl= 33.7,河砂與黏土以質量比3∶1制成相似材料頂板。

2 實驗過程

2.1 模型氣化爐

氣化爐內部尺寸為4 450 mm×1 170 mm× 1 570 mm(長×寬×高),氣化爐外設耐火層、保溫層、鋼板密封層和承壓層,配置4個進/出氣孔,測量孔可提供190個溫度測點、19個壓力測點,實驗系統如圖1所示。

圖1　模型實驗系統Fig.1 Model experiment system

2.2 測點布置

煤層和頂板層內溫度采集利用K型熱電偶,煤層1/2高度處布置一層熱電偶,以5行15列排列分布,共計75個測點。頂板共布置3層熱電偶,第1層位于煤層與頂板的交界面處,第2層距第1層200 mm,第3層距第1層400 mm,每層32個,呈4行8列布置(圖2(a))。頂板內應力采集點共設置12個測點,其中11個布置在距煤層頂部200 mm處,在氣化通道正上方布置5個應力傳感器,通道兩側各布置3個應力傳感器(圖2(b)),另有1個布置在液壓平臺與頂板的接觸面處,監測液壓平臺的壓力值。

圖2　氣化爐測點布置Fig.2 Layout of data acquisition in gasifier

2.3 實驗步驟

首先,在氣化爐底部鋪設一層利用相似材料制作的底板,底板厚度為50 mm,干燥48 h。鋪設煤層,在煤塊中間位置距離底部80 mm處鉆直徑為6 mm的氣化通道,該氣化通道垂直于煤層層理裂隙方向,將鉆有通道的煤塊依次布置在氣化爐中軸線位置處,在2塊煤之間利用可燃燒的管子連接氣化通道。在氣化爐點火側預置點火器。氣化爐軸線煤塊鋪設完成后,開始在兩側裝入煤塊,兩側實體煤的裂隙方向與軸線上實體煤的裂隙方向一致,實體煤接觸面之間利用同煤質的煤泥黏連確保密封,按照5×15排列在煤層布置75個熱電偶。熱電偶布置完成后,在煤層上方鋪設利用相似材料制作的頂板,頂板厚度為700 mm,頂板內布置3層熱電偶,每層按照4×8排列布置32個熱電偶,層與層之間相隔200 mm,第1層熱電偶布置在煤層與頂板的交界面。其次,對氣化爐進行冷態密封實驗,最后,在冷態密封實驗合格之后實施氣化爐點火,氣化爐經歷氧化區培育階段和氣化反應階段。

2.4 熱膨脹與比表面積、孔容測試

將褐煤切割成50 mm的標準立方體試塊,相似材料頂板制成50 mm標準立方體的試塊。以25℃為起始溫度,在不同終溫條件下(100,200,300,400, 500,600,700,800,900℃)通入氮氣加熱,測試試塊加熱前后的尺寸變化,計算試塊的熱膨脹率。并利用TM3000(Hitachi,日本)和3H-2000PS2(貝士德,中國)儀器分別測試不同終溫下的樣品,獲得樣品的掃描電子顯微圖(SEM)和比表面積、孔容數據。

3 結果與分析

3.1 煤層溫度場擴展

褐煤層豐富的層理裂隙,使其在常溫下的滲透系數和比表面積分別為28.8×10-15m2[20]和28.51 m2/ g(圖3)。褐煤層理深度貫穿到煤層內部,為氣化劑與煤發生化學反應提供了良好的反應場所,使煤層內燃燒可沿著煤層層理裂隙方向擴展,宏觀表現為煤層點火燃燒初期,溫度場向氣化通道側向(層理裂隙方向)擴展速率為0.056 m/ h,高于沿氣化通道軸向的擴展速率0.018 m/ h(圖4(a)),兩方向擴展速率比為3.11∶1。

圖3　比表面積及孔體積隨溫度的變化規律Fig.3 Variation of specific surface area and pore volume with temperature

氣化劑流量增大,單位時間內從氧化區攜帶走更多熱量,并在沿氣化通道流動過程中以對流傳熱方式加熱氣化通道四周煤層,氧化區下游煤層溫度升高,煤的各向異性以及含有多種礦物質的特性,使煤層內部在高溫作用下產生熱膨脹變形并形成熱應力,引起煤內部固體骨架破裂或塌陷形成大量裂隙(圖5),同時煤層水分及揮發分高溫析出也導致煤層孔隙內壓逐漸升高,使煤層內孔破裂,與裂隙貫通,并產生大量的微孔隙,導致煤層孔容與比表面積均增加(圖3),為氣化反應提供了豐富的反應空間,使擴展速率沿氣化通道軸向逐漸高于側向的擴展速率(圖4(b)),氣化通道軸向由1.78 m擴展到4.01 m,平均擴展速率為0.028 9 m/ h,氣化通道側向擴展寬度(最大一側)擴展到0.58 m,平均擴展速率為0.007 53 m/ h,擴展速率比為3.64∶1。

圖4　不同時刻的煤層溫度場Fig.4 Temperature field in coal seam at different times

圖5　不同溫度下煤層的SEM圖Fig.5 SEM images at different temperatures

3.2 頂板溫度場擴展

頂板溫度場的擴展影響頂板應力場的變化,點火20 h后,距離煤層200 mm處頂板溫度場出現明顯變化,溫度場前沿擴展到0.5 m(圖6(a)),58 h后,頂板溫度場前沿擴展到0.6 m,頂板溫度場軸向平均擴展速率為0.003 6 m/ h,且向2個方向擴展速率近似相等(圖6(b))。頂板溫度場的平均擴展速率滯后于煤層溫度場的平均擴展速率0.028 9 m/ h,主要是因為煤層溫度場擴展是熱力雙向影響的過程,即煤層在燃燒氣化過程中,受高溫熱應力作用在煤層內部產生新裂隙,不僅為氣化劑提供反應場所,也強化了氣化劑在煤層中的對流傳熱,對流傳熱又促進煤層裂隙的產生。

圖6　不同時刻頂板的溫度場Fig.6 Temperature field in the roof at different times

3.3 頂板熱應力變化

3.3.1 頂板軸向熱應力變化

煤層與頂板受熱之后,因材料的各向異性及所含有不同礦物質的熱膨脹系數差異,在內部發生熱膨脹變形(圖7),由于氣化爐壁及氣化爐上方液壓平臺的位移約束可在頂板內產生熱應力。氣化20 h,煤層溫度場最高值為644℃,頂板溫度場的溫度最高值為529℃,頂板內熱應力達到最大值1.5 MPa(圖8(a))。當溫度持續升高時,煤體熱應力超過煤層固體骨架的抗拉強度,煤孔結構坍塌,煤層熱應力消失,同時,由于煤層的燃燒消耗導致其體積收縮,在煤層與頂板連接處形成空隙,出現卸壓空間使頂板內的熱應力釋放,直至為0。

圖7　褐煤和相似材料頂板熱膨脹率隨溫度的變化Fig.7 Thermal swelling ratio of lignite and roof made by similar materials with temperature increasing

當氣化進行到58 h,氣化通道上方第2個應力測點S3監測到最大應力(圖8(b))。可獲知氧化區培育階段頂板熱應力場沿氣化通道軸向的擴展速率為0.015 m/ h,與煤層軸向溫度場擴展速率0.018 m/ h相當,頂板熱應力場受頂板溫度場的影響,滯后煤層溫度場擴展速率16.7%。

氧化區培育階段完成后,提高氣化劑流量,煤層的溫度場擴展速率相應提高,頂板應力場的平均擴展速率為0.027 m/ h,擴展速率最高為0.034 m/ h,煤層溫度場平均擴展速率為0.028 9 m/ h,頂板應力場的擴展速率趨近于煤層溫度場擴展速率。主要由于隨著煤層燃燒面積的擴大,單位時間釋放的熱量大大提高,擴大了頂板高溫區面積,使頂板溫度場趨于動態穩定,產生了熱彌散現場,在熱彌散作用下,熱應力場的擴展速率逐漸提高,趨于與煤層的擴展速率一致。氣化爐的出口處附近匯集大量的熱氣體,實體煤受熱氣體的長時間作用使煤層發生蠕變作用,同樣導致應力增加(圖8(e))。

圖8　沿氣化通道軸向頂板應力隨時間的變化過程Fig.8 Variation of thermal stress in the roof along the direction of the gasification channel at different times

3.3.2 頂板垂直軸向應力變化

僅對氣化通道正上方的S9以及兩側的S8,S10測點進行分析,S8應力傳感器和S10應力傳感器對稱分布于S9應力傳感器的兩側,頂板相似材料在制作過程中,形成了近乎各向同性的材料,煤層溫度場與頂板溫度場均呈“?”軸對稱擴展,即溫度場沿通道軸向的擴展速率高于沿通道側向的擴展速率,受煤層溫度場動態擴展影響,頂板熱應力出現最大值時間也不同,使S8和S10兩點幾乎在同一時刻產生最大熱應力。而位于通道正上方的煤層頂板里的S9測點首先達到高溫(圖9),表明頂板熱應力擴展速率受煤層溫度場的動態擴展速率影響。從S9的熱應力最大值擴展到兩側S8和S10的熱應力最大值經歷了30 h,可獲知頂板應力向通道兩側方向的擴展速率為0.01 m/ h,而此時頂板應力場沿氣化通道軸向的擴展速率為0.02 m/ h,應力場向通道兩側的擴展速率小于通道軸向的擴展速率,主要是由于此時煤層溫度場擴展主方向是沿氣化通道軸向方向,表明頂板應力場的擴展方向受煤層溫度場的動態擴展影響。

圖9　垂直氣化通道方向頂板熱應力隨時間的變化Fig.9 Variation of thermal stress at different times in the roof perpendicular the direction of the gasification channel

由以上實驗結果可知,頂板的溫度直接受煤層溫度場擴展速率的影響,進而影響頂板熱應力場的擴展。在氣化初期,為了使氣化過程實現穩定運行,形成較大面積的氧化區,利用氧化區釋放的大量燃燒熱來維持還原區的反應穩定,氧化區采用滲流燃燒的方式,使該階段煤層溫度場擴展速率較慢,頂板熱應力場的擴展速率也緩慢增加,導致熱應力場在氧化區培育階段的擴展速率滯后煤層溫度場的擴展速率。隨著氧化區培育階段的完成,煤層內已形成較大面積的溫度場,且煤層溫度場的擴展速率也提高,受煤層溫度場動態擴展及頂板熱彌散的影響,頂板熱應力場的擴展速率也隨之提高,直至與煤層溫度場擴展速率一致。由此可知,隨著煤層溫度場擴展速率的提高,頂板熱應力場的擴展速率也提高,但不會超過煤層溫度場的擴展速率。而且,由S8,S9和S10三點熱應力的變化規律可知,結合煤層溫度場以“?”擴展方式沿氣化通道向氣化爐出口方向移動(圖4(b)),氣化通道正上方處溫度最高,兩則溫度較低,而S9位于氣化通道的正上方,故而S9首先達到熱應力的最大值,隨著煤層溫度場的擴展,兩側S8和S10也隨后同時達到熱應力最大值。

綜上頂板熱應力場在煤層溫度場尚未穩定建立之前,其擴展速率滯后煤層溫度場的擴展速率;當煤層溫度場穩定建立后,頂板熱應力場的擴展速率開始趨向于與煤層溫度場擴展速率一致,但不會超過煤層溫度場擴展速率,且當煤層溫度場溫度降低時(模型實驗中進行了短暫的涌水模擬實驗,導致煤層溫度下降),頂板熱應力值也隨之下降,由最大值1.5 MPa下降到1.25 MPa(圖8(c))。

3.4 頂板高溫拱形結構

頂板內熱應力最大值為1.5 MPa(圖8(a)),超過相似材料頂板的抗壓強度0.17 MPa,可在頂板內產生裂隙,但泥質巖石在超過900℃高溫作用發生燒結[21](圖10(a)),形成玻璃結晶體,封堵了頂板裂隙,使頂板維持對氣化爐的密封性。氣化爐解剖后在頂板可看到明顯的玻璃晶體,玻璃化作用使煤層泥巖類頂板產生穩定的拱形結構(圖10(b)),維持頂板在氣化通道兩側的穩定。

圖10　頂板高溫結構Fig.10 High temperature structure of the roof

4 結 論

(1)煤層溫度場擴展主方向受煤層裂隙方向與氣化劑流量雙重影響,在氧化區培育階段主要受煤層裂隙影響。氣化劑流量提高,煤層溫度場擴展主方向由沿通道側向變為沿通道軸向。氣化劑流量為何值時,煤層溫度場擴展主方向開始發生明顯改變,因本模型實驗的局限,尚無法準確確定。對于該氣化劑流量值的確定,課題組已開始實驗裝置與方案的設計。

(2)頂板應力場的擴展速率在煤層溫度場尚未穩定建立的氧化區培育階段滯后于煤層溫度場擴展速率,隨氣化過程進行,煤層溫度場穩定建立,在煤層溫度場作用下,頂板內產生熱彌散現象,在煤層溫度場及熱彌散雙重作用下頂板應力場的擴展速率趨于與煤層溫度場擴展速率一致,但不會超過煤層溫度場擴展速率。因此,現場無法獲知頂板熱應力的情況下可通過煤層溫度場的擴展速率判斷頂板的熱應力。

(3)泥巖頂板在高溫作用下,在泥質頂板內部不僅產生穩定的拱形結構,也會使泥質頂板形成玻璃結晶體,玻璃化作用使拱形結構的強度進一步增強,提高了頂板垂直氣化通道方向的結構穩定,使頂板不易塌落。

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Xi Jianfen,Liang Jie,Wang Zhangqing,et al.Effect of temperature field dynamic expansion of underground coal gasification on thermal stress field and stability of roof[J].Journal of China Coal Society,2015,40(8):1949-1955.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2015.0399

Effect of temperature field dynamic expansion of underground coal gasification on thermal stress field and stability of roof

XI Jian-fen1,2,LIANG Jie1,WANG Zhang-qing1,ZHU Han-qing1,DUAN Yong-liang1,BIAN Xiao-lin1

(1.School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 1 00083,China;2.ENN Coal Gasification Mining Co.,Ltd.,Langfang 065001,China)

Abstract:To explore the thermal effect induced by expansion of temperature field in coal seam on the stress characteristic of roof above the coal seam in underground coal gasification (UCG),some similar materials were used for making a large scale roof to model the soft roof above the lignite coal seam located in Ulanqab,Inner Mongolia,China.The model test was carried out to investigate the effect of the dynamic expansion of temperature field in coal seam on the thermal stress and stability of roof in underground coal gasification (UCG).The results show that the maximum value of the thermal stress of the roof made by similar materials is 1.5 MPa in the model test.At the two stages of oxidation zone formation and gasification,the average expansion rate of temperature field in coal seam along the axis of the gasification channel are 0.018 m/ h and 0.028 9 m/ h,respectively,and the expansion rate of thermal stress on roof along the gasification channel are 0.015 m/ h and 0.027 m/ h,respectively.The expansion direction of temperature field is in consistent with the orientation of the cracks in coal seam at cultivation stage.The phenomenon of heat dispersion of roof induced by the temperature field dynamic expansion of coal seam,that occurs in UCG process,makes the expan-book=1950,ebook=245sion rate of thermal stress of roof gradually approach that of temperature field of coal seam,in the same time,the high temperature can form a regional stable arch structure that maintains the stability of clay roof in a direction perpendicular to the gasification channel.

Key words:underground coal gasification;temperature field;thermal stress field;expansion;stability

通訊作者:梁 杰(1964—),男,江蘇寶應人,教授。Tel:010-62331601,E-mail:ucgrc@ vip.sohu.com

作者簡介:席建奮(1981—),男,山西陽高人,博士研究生。Tel:010-62339209,E-mail:xijianfen@ yeah.net。

基金項目:國家高技術研究發展計劃(863)基金資助項目(2011AA050106,2011AA050103)

收稿日期:2015-03-26

中圖分類號:TD84

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2015)08-1949-07