祁東煤礦3.0Mta新井設計含5張CAD圖.zip,祁東,煤礦,3.0,Mta,設計,CAD 煤炭地下氣化開采技術(shù)基礎研究 摘要：本文主要論述了一些煤炭地下氣化技術(shù)進行過程中的一些問題，主要包括開采中的頂板巖層移動特征、半焦孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律、覆巖應力場相關(guān)問題，進行了一些簡單的模型建立和分析，提供了一些工程實例。 關(guān)鍵詞：地下氣化；巖層移動特征；半焦孔隙結(jié)構(gòu)；覆巖應力場 1 緒論 1.1問題的提出與研究意義 煤炭地下氣化(UCG)是一種集建井、采煤、氣化3大工藝為一體煤炭開采方式，其原理是將位于地下的煤炭進行有控制地燃燒，通過對煤的熱作用及化學作用而產(chǎn)生可燃氣體，滿足民用、發(fā)電或化工需求。自20世紀30年代以來，美國、德國、前蘇聯(lián)等主要產(chǎn)煤國均大力投入這一領域的技術(shù)研究，儲備了一些關(guān)鍵性技術(shù)。其中，前蘇聯(lián)是世界上唯一成功的將煤炭地下氣化技術(shù)工業(yè)化應用的國家，~120世紀60年代末，共建設了27座氣化站。隨著石油天然氣等優(yōu)質(zhì)替代能源的發(fā)現(xiàn)和使用，前蘇聯(lián)煤炭地下氣化技術(shù)的研究與應用已基本停頓。 “三次石油危機”爆發(fā)以后，煤炭地下氣化技術(shù)成為應對石油危機的儲備技術(shù)。美國政府資助的“控制后退氣點法”及“急傾斜煤層法”已取得了豐富的經(jīng)驗，美國能源部宣稱，一旦再發(fā)生能源危機，美國將廣泛使用該技術(shù)生產(chǎn)中熱值煤氣。近幾年，澳大利亞、南非、美國、印度、朝鮮等國紛紛重新啟動了煤炭地下氣化技術(shù)的研究。 煤炭地下氣化技術(shù)對于發(fā)揮我國煤炭資源優(yōu)勢、減少礦難事故、多元化保障能源需求等具有重大的探索意義。 我國能源消費結(jié)構(gòu)以煤為主，煤炭占我國化石能源資源總量的90％以上，20l0年，我國煤炭消費超過31.4億噸。探索高效、安全、清潔的煤炭開采利用意義重大。首先，煤炭地下氣化技術(shù)可以有效地開發(fā)利用老礦井遺棄的煤炭資源、井工開采難度較大的深部煤層或者經(jīng)濟性和安全性較差的低品位煤層。據(jù)統(tǒng)計，我國擁有褐煤資源約3700~L噸；已探明埋藏深度在l000米以下的煤炭資源約2．9萬億噸；2020年，將有500多處“報廢”礦井，粗略預測遺棄資源量在500億噸以上；其次，該技術(shù)實現(xiàn)了地下無人生產(chǎn)，避免了瓦斯、火災、粉塵、水災、頂板等礦井事故和人身傷亡；第三，該技術(shù)只提取煤種的含能組分，而將灰渣等固體廢棄物留在地下，減少了因井工開采和露天開采造成對地表生態(tài)環(huán)境和大氣污染；第四，地下氣化煤氣不僅可作為燃氣直接民用和發(fā)電，而且還可為化工產(chǎn)品提供原料，以多元化的煤基產(chǎn)品補充能源供應形式。此外，測控工藝設備研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對于深海資源勘探等領域都有良好的拉動作用。 目前我國已建成具有世界先進水平的煤炭地下氣化綜合模型試驗臺和測控系統(tǒng)，并開展了相關(guān)的理論研究和模型試驗研究，獲取了褐煤、煙煤及無煙煤地下氣化工藝參數(shù)。自1984以來，我國先后在江蘇徐州、河北唐山、山東新汶、山西陽泉等礦區(qū)進行了有井式煤炭地下氣化現(xiàn)場試驗和生產(chǎn)，完成了不同煤種、不同煤層厚度(1．8 m一6 m)、不同煤層傾角(1 5。一7 5。)、不同埋藏深度 (100-450 m)的現(xiàn)場試驗。形成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的有井式“長通道、大斷面、兩階段”煤炭地下氣化新工藝，經(jīng)科研查新，該工藝構(gòu)思新穎，屬國內(nèi)首創(chuàng)。此外，我國科研單位和企業(yè)還聯(lián)合完成了無井式煤炭地下氣化制備空氣煤氣工業(yè)性試驗，該技術(shù)達到了國際領先水平。 煤炭地下氣化是一門融多學科為一體的綜合性能原生產(chǎn)新技術(shù)，屬第二代采煤方法。其任務是將煤炭資源原地轉(zhuǎn)化為可燃氣體。其基本過程為：從地面或井下施工，將地下煤層構(gòu)筑成一個封閉的氣化爐。煤炭點燃后，經(jīng)一系列化學反應，生產(chǎn)出以H2，CO2，CH4為主要可燃組分的煤氣，輸往地面后供人們使用。實現(xiàn)了建井、采煤、氣化三大工藝合而一。主要優(yōu)點是拋棄了常規(guī)采煤方法中的龐大而笨重的采煤設備與地面氣化設備，具有建井規(guī)模大為減小、安全性好、資源利用程度高、投資少、效率高、成本低、見效快、污染相對較少等優(yōu)點?。引起了包括我國在內(nèi)的世界主要采煤國家的關(guān)注。 世界上探明可采石油儲量預計只可開采到2050年；探明可采天然氣儲量也將在60年左右枯竭；而煤炭儲量則比較豐富，未來世界的能源結(jié)構(gòu)將可能再一次以煤炭為主。然而，煤炭開采與利用過程中，會排放出大量有害氣體和導致溫室效應的CO2，對環(huán)境造成重大影響，不得不迫使各國重新審視煤炭的開采與利用。 煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification，簡稱UCG)技術(shù)，從根本上改變了煤炭的開采與利用方式，重新定義了“清潔煤”的概念，既提高了煤的開采與利用效率，又克服了煤炭在開采與應用中給環(huán)境帶來的負面影響。利用這一技術(shù)可以保障在對環(huán)境不造成較大影響的前提下，將煤炭作為能源主題，滿足社會長期的能源需求，引起了全世界的高度關(guān)注。 在新的時代背景下，煤炭地下氣化技術(shù)有著更廣泛的需求，因此研究煤炭地下氣化技術(shù)的相關(guān)問題也是很有意義的。 1.2主要研究內(nèi)容及研究方法 1.2.1研究內(nèi)容 1）煤炭地下氣化過程中頂板巖層移動特征的研究; 2）煤炭地下氣化過程中半焦孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律； 3）煤炭地下氣化過程中覆巖應力場的數(shù)值研究； 1.2.2研究方法 1）理論分析 理以及副巷受采動影響變形規(guī)律等進行研究。 2）數(shù)值模擬試驗 運用數(shù)值模擬軟件和模型研究，覆巖應力場的數(shù)值研究。  2理論分析 2.1氣化采煤原理 氣化采煤也就是煤炭地下氣化技術(shù)。煤炭地下氣化是將處于地下的煤炭進行有控制地燃燒，通過對煤的熱作用及化學作用產(chǎn)生可燃氣體，集建井、采煤、氣化工藝為一體的多學科開發(fā)潔凈能源與化工原料的新技術(shù)，其實質(zhì)是只提取煤中含能組分，變物理采煤為化學采煤。 煤炭地下氣化的原理（如圖2-1）。首先從地表沿煤層開掘兩條傾斜的巷道1和2，然后在煤層中靠下部用一條水平巷道將兩條傾斜巷道連接起來，被巷道所包圍的整個煤體，就是將要氣化的區(qū)域，稱之為氣化盤區(qū)，或稱地下發(fā)生爐。 最初，在水平巷道中用可燃物質(zhì)將煤引燃，并在該巷形成燃煤工作面。這時從鼓風巷道1吹入空氣，在燃燒工作面與煤產(chǎn)生一系列的化學反應后，生成的煤氣從另一條傾斜的巷道即排氣巷道2排出地面。隨著煤層的燃燒，燃燒工作面逐漸向上移動，而工作面下方的采空區(qū)被燒剩的煤灰和頂板垮落的巖石所充填，但塌落的頂板巖石通常不會完全堵死通道而仍會保留一個不大的空間供氣流通過，只需利用鼓風機的風壓就可使氣流順利通過通道。 圖2-1 煤炭地下氣化原理 1— 鼓風巷道；2—排氣巷道；3—灰渣；4—燃燒工作面； I—氧化帶；II—還原帶；III，IV—干餾-干燥帶 地下氣化的基本特征：①煤層不發(fā)生移動，但氣化過程中各氣化反應區(qū)的位置和燃空區(qū)狀態(tài)時刻都在變化；②地下氣化進行到一定程度后，對于較薄煤層，氣化劑只能在與煤壁接觸的單一表面上反應，另外三個表面為頂板，底板及反應完的灰渣和頂板塌陷物，因此沒有地面氣化爐金屬外殼似的密閉層，氣體會在空間中擴散；③由于氣化反應過程和加熱過程的不均勻性及加熱過程范圍擴大，反應過程產(chǎn)生的熱量不僅隨氣流帶向出口方向，同時也通過熱輻射、對流、傳導等過程將熱量傳至煤層縱向的深部，并沿煤層深度形成溫度梯度，煤層溫度不同，其所發(fā)生的反應也不同。因此在煤層縱深方向上可分為：燃控帶，焦化帶，干流帶，干燥帶，煤層自燃帶。 這種有氣流通過的氣化工作面被稱為氣化通道，整個氣化通道因反應溫度不同，一般分為氣化帶、還原帶和干餾-干燥帶三個帶。 2.1.1氣化帶 在氣化通道的起始段長度內(nèi)，煤中的碳和氫與空氣中的氧化合燃燒，生成二氧化碳和水蒸氣：C+O2→CO2；2H2+O2→2H2O。在化學反應過程中同時產(chǎn)生大量熱能，溫度達1200℃到l 400℃，致使附近煤層熾熱。 2.1.2還原帶 氣流沿氣化通道繼續(xù)向前流動，當氣流中的氧已基本耗盡而溫度仍在800～l 000℃以上時，二氧化碳與赤熱的煤相遇，吸熱并還原為一氧化碳CO2+C→2CO。同時空氣中的水蒸氣與煤里的碳起反應，生成一氧化碳和氫氣以及少量的烷族氣體：4C+3H2O→CH4+3CO+ H2，這就是還原區(qū)。 2.1.3干餾-干燥帶 在還原反應過程中，要吸收一部分熱量，因此氣流的溫度就要逐漸降低到700～400℃，以致還原作用停止。此時燃燒中的碳就不再進行氧化，而只進行干餾，放出許多揮發(fā)性的混合氣體，有氫氣、瓦斯和其他碳氫化合物。這段稱為干燥帶的干餾部分。 在干餾之后是脫水干燥?；旌蠚怏w此時仍有很高的溫度可氣化其中的水分，混合氣體干燥后，最后可得到：CO2，CO，O2，H2，CH4，H2S和N2的混合氣體，其中CO，H2，CH4等是可燃氣體，它們的混合物就是煤氣。 2.2氣化采煤相關(guān)問題 2.2.1頂板巖層移動特征 煤炭地下氣化過程中，圍巖要經(jīng)受高溫作用，如氧化區(qū)溫度約為2000 ℃，還原區(qū)溫度約為l 200℃，干餾區(qū)溫度約800℃[1]。煤炭地下氣化與煤炭傳統(tǒng)開采一樣，在煤炭轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的過程中，破壞了原有的應力平衡，引起氣化爐圍巖的應力重新分布。在巖層自重應力場和溫度場的共同作用下，隨著燃燒空間的形成，燃空區(qū)上方的巖體會產(chǎn)生彎曲變形，當燃空面積大到一定程度時，頂板可能發(fā)生冒落，如果冒落嚴重，將影響煤炭地下氣化的順利進行。國內(nèi)外對煤炭開采過程中，頂板巖層移動特征進行了大量的研究[2-4]，但是未對煤炭地下氣化過程中頂板巖層的移動特征進行研究。 2.2.2煤炭地下氣化過程中半焦孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律 煤炭氣化過程中，煤的轉(zhuǎn)化要經(jīng)過干燥、熱解以及半焦氣化三個階段，其中熱解過程尤為重要，它關(guān)系到產(chǎn)品煤氣的組成和質(zhì)量，同時，熱解形成半焦孔隙結(jié)構(gòu)等特性也直接影響后續(xù)的氣化過程。半焦的孔結(jié)構(gòu)反映了半焦一個重要的物理特性，包括一定孔結(jié)構(gòu)下的孔隙率以及多孔介質(zhì)獨特的比表面積，孔隙率和比表面積有一定的聯(lián)系。本文主要是對選取的三個不同煤化程度的煤樣及典型條件下熱解半焦樣品的比表面積、孔容積及孔徑分布進行測試，研究它們的變化規(guī)律，對深入了解煤炭地下氣化中的熱解過程有重要的意義。 2.2.3煤炭地下氣化過程中覆巖應力場的數(shù)值研究 現(xiàn)場試驗表明，煤炭地下氣化存在一些問題：如果氣化過程中爐內(nèi)冒頂嚴重將導致供風系統(tǒng)中斷；隨著氣化進行爐內(nèi)頂板懸頂過大，不能保證氣化劑與煤體接觸而產(chǎn)生氣化反應，且生成的煤氣可能在爐內(nèi)二次燃燒等，這些都與煤炭地下氣化過程中，煤層覆巖的應力場分布有關(guān)。所以，煤炭地下氣化過程中，煤層覆巖的應力場分布規(guī)律成為研究的核心問題，對煤炭地下氣化技術(shù)的推廣與應用具有十分重要的作用。 這些問題對于煤炭地下氣化實際利用過程中有很大的影響作用，為此本文在這里進行研究，論述相關(guān)研究成果。  3.模型建立與分析 3.1頂板巖層移動特征 3.1.1熱傳導方程 在直角坐標系下，二維熱傳導的微分方程[5]為： 式中：T為溫度；Q為單位體積的熱生成率； D為密度；f為比熱；t為時間。 3.1.2 煤炭地下氣化模型的建立 3.1.2.1 假定條件 為簡化計算，假定如下： ①巖體和煤層為均質(zhì)各項同性； ②熱源(燃燒的煤層)為恒溫； ③巖體和煤層的質(zhì)量密度、泊松比、粘聚力等不隨溫度而變化。 3.1.2.2 幾何尺寸的確定和網(wǎng)格的劃分 計算模型選用彈塑性平面應變模型，計算平面沿煤層燃燒(開挖)方向布置，煤層呈水平狀態(tài)，煤層氣化長度(開挖)為200 m，煤層厚度為6 m，煤層頂板上方取100 m，底板下方取60 m。在煤層燃燒(開挖)方向上，在煤層燃燒(開采)區(qū)左右兩邊各取300 m，加上燃燒(開采)區(qū)共800 m，其中燃燒(開挖)區(qū)范圍為x=300~500 m，見圖3-1。 圖3-1力邊界條件和物理模型 模型總體上分六層：煤層、頂板1、頂板2、頂板3和底板1、底板2，厚度和巖性見表3-1。 為了更精確地分析煤層頂、底板的變形規(guī)律，將煤層頂板1、頂板2、底板1網(wǎng)格劃分的比較細，而頂板3，底板2的網(wǎng)格劃分的比較稀疏。 3.1.2.3 邊界條件 模型底部取為固定端；模型左右兩側(cè)節(jié)點的Z方向位移為零，允許有Y方向的位移；由于模型尺寸的限制，不能模擬到地表，所以模型以上的巖層重力以外載荷代替(均布載荷，大小為5．4 MPa)；模型內(nèi)的各單元均考慮了其自重的作用，即在Y的負方向加上重力加速度9．8 m／s ，見圖3-l。在本模型中，采用第一類熱邊界條件，將燃燒的煤層設置為恒定溫度l200℃，初始溫度取為25℃。 3.1.2.4 施工步驟 根據(jù)文獻[6]，取煤炭地下氣化火焰移動速度為0．5 m／c。工作面自點火眼(開切眼)沿z方向推進， 見圖l，每個施工步為4m，即8天，共50個施工步，燃燒后的煤層運用死單元。 1.2.5 模型各巖層計算參數(shù) 模型各巖層熱學參數(shù)見表3-1，力學參數(shù)見表3-2，頂板l和底板1的彈性模量和熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系見表3-3。 表3-1 模型各巖層熱學參數(shù) 表3-2 模型各巖層力學參數(shù) 注：表1、表2中頂板1和底板1的熱傳導率、比熱、彈性模量和熱膨脹系數(shù)為常溫下的數(shù)值，頂板l和底板1的熱傳導率和比熱數(shù)值大小和發(fā)展趨勢參考文獻[7]，煤的熱傳導率和比熱參考文獻[8] 表3-1 頂板l和底板1的彈性模量和熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系 3.1.3 煤炭開采模型的建立 為了比較煤炭地下氣化和煤炭開采過程中，兩者頂板巖層的移動特征的不同，在建立煤炭開采模型時，將其幾何尺寸、網(wǎng)格化分、力學邊界條件和煤炭地下氣化一樣，力學參數(shù)見表3-2，工作面推進的速度同煤炭地下氣化，即一個施工步開采l，共50個施步。 圖3-2 上覆巖層垂直位移曲線對比圖 3.1.4 煤炭地下氣化和傳統(tǒng)煤炭開采結(jié)果分析與對比 3.1.4.1 頂板上覆巖體移動特征的數(shù)值模擬分析 在煤炭地下氣化和傳統(tǒng)煤炭開采中，上覆巖體離煤層頂板不同距離h處將不同程度地發(fā)生移動[10]，見圖3-3。圖中工作面位置為煤炭氣化200I"13．時的位置，負號表示在燃空(采空)區(qū)。由圖3-3可知，煤炭地下氣化和煤炭工作面開采后，上覆巖體移動曲線符合負指數(shù)函數(shù)關(guān)系l9 ；存在A、B、C區(qū)域，在A區(qū)域巖層越向上位度越小，在B區(qū)域位移速度越向上越大；煤炭氣化上覆巖層位移速度相對煤炭開采位移速度較大，位移值也較大。 由上面的分析可知，最大位移值基本在燃空(采空)區(qū)中軸線上，氣化和開采完畢后，燃空(采空)區(qū)中軸線上距煤層頂板不同高度的垂直位移圖見圖3-3。由此可知，離煤層頂板越近，垂直位移越來越大，特別是直接頂位移急劇增大，說明此時，直接頂已冒落。 圖3-3 燃空區(qū)中軸線上垂直位移對比圖 3.1.4.2頂板上覆巖層隨工作面推進距離移動特征的 模擬分析 煤炭地下氣化和煤炭開采是一個動態(tài)的過程[11]，隨著工作面推進，上覆巖層發(fā)生了下沉，見圖3-4。 由圖3-4可知： 1)在煤炭氣化和煤炭開采過程中，隨著工作面的推進，上覆巖層移動規(guī)律基本相同； 圖3-4 工作面推進不同距離頂板(h=5．7 m)巖層垂直位移曲線對比圖 2)隨著工作面的推進，最大垂直位移從工作面長度的中心，逐漸向工作面方向前移，且煤炭開采更為突出，主要是受點火空間的影響[12]。如工作面推進160m時，兩者最大位移在90m處，偏中心點10m；工作面推進200m時，前者最大位移在120m處，偏中心點20m，后者最大位移在140 m處，偏中心點40 m。 3)隨著工作面的推進，工作面燃空區(qū)(采空區(qū))節(jié)點的最大下沉量呈正指數(shù)的變化規(guī)律[13]，擬和公式分別為y=-0.0596e0.0169x和y=-0.05e0.0168x，可見前者的增長指數(shù)大于后者的增長指數(shù)，隨著工作面的推進，兩者的位移差值會更大(見圖3-5)，這主要是由于隨著工作面推進長度的增大，上覆巖層懸空長度增大，而在煤炭氣化過程中，上覆巖層在溫度的作用下，迅速向下膨脹。 圖3-5 頂板垂直位移峰值-工作面推進距離關(guān)系曲線 3.2. 煤炭地下氣化過程中半焦孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律 3.2.1 煤化程度對半焦孔隙結(jié)構(gòu)的影響 煤樣的煤化程度不同，煤樣的比表面積、孔容積和孔徑分布等孔隙結(jié)構(gòu)特征也不同[14]。一般隨煤變質(zhì)程度的加深，煤的比表面積變化成“凹”型，即兩頭 (褐煤和無煙煤)大，中間(中等變質(zhì)程度的煙煤)小，這反映了煤化過程中煤分子空間結(jié)構(gòu)的變化．煤化程度低的煤，在煤分子結(jié)構(gòu)層面的邊緣連接著各種官能團，并有不同的官能團形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)[15]，因此空間結(jié)構(gòu)顯得疏松，有比較大的內(nèi)表面積；隨著煤化程度加深，官能團減少，煤的結(jié)構(gòu)逐漸趨向緊密，在碳含量約82 附近比表面積出現(xiàn)最低值；煤變質(zhì)程度繼續(xù)加深，結(jié)構(gòu)單元芳香性增加，分子排列趨向規(guī)則化，由于定向結(jié)構(gòu)的形成，比表面積出現(xiàn)增大的趨勢[16]。 就煤的總孔容積而言，主要由煤的孔徑分布特征決定[17]，而孔徑分布與煤變質(zhì)程度關(guān)系極大。碳含量小于75 的煤，其粗孔(直徑>20 nm)占優(yōu)勢；碳含量在75 ～85 的煤，其微孔(直徑<2 nm)和過渡孔(直徑2 nm~20 nm)占優(yōu)勢；而碳含量在85 以上的煤，其孔主要由微孔構(gòu)成。 三個煤樣原煤比表面積和孔容積測定結(jié)果的對比見表1．由表1可以看到，在用ZXF一06型氮氣吸咐儀測定協(xié)莊原煤時，比表面積出現(xiàn)了負值，這是因為該樣品不屬于多微孑L物質(zhì)范圍，不適合采用低溫物理吸附容量法測定，即不能采用吸附儀測定，而應適用測量大孔徑的壓汞儀測定，一般壓汞法測定孔徑范圍為10 nm以上的孔． ] 表3-4 煤樣比表面及孔容積的測定結(jié)果 Specific surface area and pore volume of coal 因而測定結(jié)果之間的可比性較差[18]．但可以定性地說，昔陽煤樣的比表面積和孔容積要比大雁煤樣和協(xié)莊煤樣的都小，大雁煤樣和協(xié)莊煤樣之間還有待進一步的比較．三個煤樣的孔徑分布見表3-5． 表3-5 煤樣的孔徑分布 Bore diameter distribution of coal 由表3-5可知，三個煤樣的孔徑分布特征相差較大．昔陽煤樣過渡孔比例占大部分，協(xié)莊煤樣的孔隙主要是大孔，大雁煤樣則小孔多一些． 3.2.2 熱解溫度對半焦孔隙結(jié)構(gòu)的影響 在氣化過程中，一般參與氣化反應的固相是半焦而非原煤[19]，故研究半焦的孔隙結(jié)構(gòu)特征具有更直接的理論意義．影響半焦孔隙結(jié)構(gòu)特征的因素很多，如煤變質(zhì)程度、煤巖組成、煤中礦物質(zhì)種類與含量和煤的熱處理條件等[20]。大雁褐煤在N 氣氛下，不同熱解終溫半焦比表面積和孔容積曲線見圖3-6，昔陽無煙煤在H2O(g)氣氛下，不同熱解終溫半焦比表面積和孔容積曲線見圖3-7．由圖1可以看出，在惰性氣氛中，大雁半焦的比表面積和孔容積隨熱解溫度的升高是先增后降，轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在700℃；而在活性氣氛H2O(g)條件下，昔陽半焦的比表面積和孔容積隨熱解溫度的升高是持續(xù)增加，并且增加幅度隨溫度升高而加大[21]． 圖3-6 不同熱解終溫大雁半焦比表面積和孔容積 Specific surface area and pore volume of DY semicoke at different temperature 圖3-7 不同熱解終溫昔陽半焦比表面積和孔容積 Specific surface area and pore volume of XY semicoke at different temperature 煤在惰性氣氛中熱解成焦時，揮發(fā)分逸出對煤產(chǎn)生兩種作用[22]：一方面使原有的孔道增大或產(chǎn)生新的孔隙使孔隙結(jié)構(gòu)更豐富；另一方面又由于熱收縮造成微孔閉塞，或由于交聯(lián)鍵的破壞和晶體的有序化而使部分孔隙結(jié)構(gòu)損失．對大雁半焦，700℃前主要是第一方面的作用導致比表面積和孔容積增大， 700℃后主要發(fā)生半焦的縮聚反應，即熱縮聚作用使微孑L閉塞，半焦的比表面積和孔容積減小[23]。 煤在活性氣氛(CO2或H20(g))中“熱解”(氣化)成焦時，氣一固兩相反應隨熱解溫度升高逐漸顯著，相應的半焦孔隙結(jié)構(gòu)也隨碳轉(zhuǎn)化率的增加而變得發(fā)達，即比表面積和孔容積迅速增加． 煤在活性氣氛(CO2或H20(g))中“熱解”(氣化)成焦時[24]，氣一固兩相反應隨熱解溫度升高逐漸顯著，相應的半焦孔隙結(jié)構(gòu)也隨碳轉(zhuǎn)化率的增加而變得發(fā)達，即比表面積和孔容積迅速增加． 大雁褐煤在N2氣氛下，不同熱解終溫半焦孔徑分布曲線見圖3-8．由圖3-8可以看出，隨熱解溫度的變化，不同孔徑的孔占總孔容體積的比例關(guān)系變化不大．對大雁半焦，小于20 nm以下的孔占絕大比例． 3.2.3 熱解氣氛對半焦孔隙結(jié)構(gòu)的影響 熱解終溫為900。C時，昔陽無煙煤在不同熱解氣氛下半焦比表面積和孔容積曲線見圖3-9．由圖3-9可以明顯看出，在N2，CO2和H2 O(g)三種熱解氣氛條件下，半焦的比表面積和孔容積是依次增大的，尤其是比表面積，在H2O(g)氣氛條件下相對N2。氣氛下增加了近500倍． 熱解終溫為900。C，昔陽無煙煤在不同熱解氣氛下半焦孔徑分布曲線見圖3-10．由圖3-10可以看到，對熱解終溫為900℃的昔陽半焦，三個氣氛條件下的半焦孔隙均是直徑在2 nm～20 nm 的過渡孔占絕對比例。同時，隨熱解在N2，CO2和H2 0(g)三種氣氛條件下變化時，孔徑分布特征變化幅度不大。 和惰性氣氛條件相比，在活性氣氛下“熱解”，半焦的孔徑變化更加復雜[24]，除發(fā)生半焦本身的熱解反應外，還有復雜的氣化反應．孔隙結(jié)構(gòu)變化，如孔徑分布、孔容積、比表面積以及半焦的基碳轉(zhuǎn)化率和反應速率之間均有一定的相關(guān)性，這些指標在達到某個基碳轉(zhuǎn)化率時，會出現(xiàn)最高值，然后隨基碳的進一步消耗而下降。 圖3-8 不同熱解終溫大雁半焦孔徑分布 Distribution of bore diameter of DY semicoke at different temperature 圖3-9 不同熱解終溫昔陽半焦孔徑分布 Distribution of bore diameter of XY Semi-coke at different temperature 煤炭地下氣化過程中覆巖應力場的數(shù)值研究 圖3-10 不同熱解氣氛昔陽比表面積和孔容積 Specific surface area and pore volume of XY semi-coke at different reaction gas 3.3煤炭地下氣化過程中覆巖應力場的數(shù)值研究 數(shù)值模型的建立： 3.3.1 假定條件 為簡化計算，假定：巖體和煤層為均質(zhì)各項同性；熱源(燃燒的煤層)為恒溫；巖體和煤層的質(zhì)量密度、泊松比、黏聚力等不隨溫度而變化。 3.3.2模型尺寸及參數(shù)選取 本文選用彈塑性平面應變模型[25]，計算平面沿煤層燃燒方向布置，長為800m，高為166m，煤層厚度為6m。將計算模型范圍內(nèi)巖層分為6層，數(shù)值模型選取的各巖層材料按照由上向下的順序，其力學、熱學參數(shù)如表3-6所示，細砂層和粉砂層的彈性模量和熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系，如表3-7所示。 表3-6 模型各巖層熱學和力學參數(shù) 注：表中粉砂巖和細砂巖的熱傳導率、比熱、彈性模量和熱膨脹系數(shù)為常溫下的數(shù)值，粉砂巖和細砂巖的熱傳導率和比熱數(shù)值大小和發(fā)展趨勢參考文獻[26]，煤的傳導率和比熱參考文獻[27]。 表3-7 彈性模量（E）和膨脹系數(shù)（α）與溫度的關(guān)系 3.3.3 邊界條件 模型底部取為固定端；模型左右兩側(cè)節(jié)點的方向位移為零，允許有Y方向的位移；由于模型尺寸的限制，不能模擬到地表，所以模型以上的巖層重量以外載荷代替(大小為5．4MPa)[28]；模型內(nèi)的各單元均考慮了其自重的作用，即在Y的負方向加上重力加速度9．8m／s 。如圖3-11所示。在本模型中，采用第一類熱邊界條件，將燃燒的煤層設置為恒定溫度1200℃，初始溫度取為25℃。 圖3-11 力邊界條件和物理模型 3.3.4 施工步驟 根據(jù)根據(jù)參考文獻[29]，取煤炭地下氣化火焰移動速度為0.5m／d。工作面自點火眼沿方向推進，見圖3-11，每個施工步為4m，即8d，共50步，累計氣化長度為200m，燃燒后的煤層設置為死單元，賦予空氣的熱學參數(shù)，如表1所示。或近等于零的次一級“拱形”地帶與冒落帶的分布范圍相對應。圖3-12為工作面推進不同距離時垂直應力分布圖。 圖3-12 工作面推進不同距離時垂直應力場  4.結(jié)論 4.1頂板巖層移動規(guī)律 1)煤炭氣化和煤炭開采后，頂板巖層的位移符合負指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律。 2)煤炭氣化過程中，頂板巖層下沉速度比煤炭開采過程中下沉速度快，且位移值也較大。 3)隨著工作面的推進，工作面燃空區(qū)和采空區(qū)節(jié)點的下沉量呈現(xiàn)出指數(shù)增長的變化規(guī)律，且前者的增長指數(shù)大于后者的增長指數(shù)，主要是溫度的影響。 4.2半焦孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律 1)從煤種角度看，昔陽無煙煤的比表面積和孔容積較大雁褐煤和協(xié)莊煙煤都要??；三個煤樣孔徑分布特征差別明顯，昔陽無煙煤過渡孔比例占大部分，協(xié)莊煙煤的孔隙主要是大孔，大雁褐煤則小孔多一些． 2)半焦的表面結(jié)構(gòu)特性受熱解溫度和熱解氣氛雙方面的影響．在惰性氣氛下，半焦的比表面積和孔容積隨熱解溫度的升高是先增后降，而在活性熱解氣氛條件下，半焦的比表面積和孔容積隨熱解溫度的升高是持續(xù)增加，并且增加幅度隨溫度升高加大．同一熱解終溫條件下，和惰性氣氛下相比，活性氣氛下“熱解”半焦的表面結(jié)構(gòu)變化更加復雜，比表面積和孔容積呈增大趨勢． 3)改變熱解終溫或氣氛，孔徑分布特征變化幅度不大，微孔、過渡孔和大孔占總孔的比例沒有發(fā)生根本性變化． 4.3覆巖應力場 ①由工作面推進距離不同時可以得出以下結(jié)論： (1)當煤層燃燒后，在工作面燃空區(qū)上方存在有拱式結(jié)構(gòu)，該區(qū)域內(nèi)垂直應力較小，已接近為零或為拉應力，表明頂板巖層已經(jīng)冒落，不再承載拱外上覆巖層的載荷。 (2)隨著工作面推進，拱式結(jié)構(gòu)的高度不斷增大，當工作面推進40m 時，拱頂高度為20m，是煤層厚度的3．3倍；推進120m時，拱高為50m，是煤層厚度的8．3倍；推進200m時，拱高為70m，是煤層厚度的11．6倍；與傳統(tǒng)煤炭開采的“兩帶”高度(一般為采高的9～12倍 )相符合。 (3)隨著工作面推進，在工作面煤壁前后方出現(xiàn)了應力集中，且應力集中范圍隨著工作面推進不斷擴大，當工作面推進120m左右，達到穩(wěn)定，應力集中區(qū)為工作面前方12m左右。 (4)隨著工作面推進，應力峰值不斷增大，工作面推進120m前，峰值位置位于工作面前方頂板lOre內(nèi)，當工作面繼續(xù)推進時，峰值位于工作面上方粉砂層和細砂層的分界處，其主要原因是由于粉砂層上邊界受熱的作用向上方膨脹，而細砂層在上覆巖體自重作用下下沉，且兩者的熱膨脹系數(shù)不同，所以就產(chǎn)生了很大的熱膨脹力。 ②由塑性區(qū)分析 (1)隨著工作面推進，煤層頂板巖體中塑性區(qū)范圍不斷擴大，當塑性區(qū)貫通時，上覆巖體將發(fā)生整體坍塌，有可能波及到地表而引起地表沉陷。 (2)隨著工作面推進，底板巖層出現(xiàn)了塑性區(qū)，但是其影響范圍較小，主要出現(xiàn)在燃空區(qū)下方和煤壁前下方，在此區(qū)域內(nèi)巖層可能受拉而破壞。 綜上, (1)在煤層燃空區(qū)上方存在拱式結(jié)構(gòu)，拱內(nèi)為冒落裂縫帶，約為燃燒煤層厚度的9～12倍。 (2)隨著工作面推進，在煤壁前后方出現(xiàn)了應力集中，且應力集中范圍不斷擴大，當工作面推進120m左右，達到穩(wěn)定；應力峰值也不斷增大，當工作面推進120m后，峰值位于工作面上方粉砂層和細砂層的分界處。 (3)隨著工作面推進，上覆巖體中塑性區(qū)范圍不斷擴大，當塑性區(qū)貫通時，上覆巖體將發(fā)生整體坍塌，有可能波及到地表，引發(fā)移動和沉陷。 參考文獻 [1] 張祖培．煤炭地下氣化技術(shù)EJ]．探礦工程，2000(1)： 9—16． [2] 劉寶琛，廖國華．煤礦地表移動的基本規(guī)律EM]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1965． [3] 馬偉民，于金莊．煤礦巖層與地表移動EMJ．北京：煤炭工業(yè)出版社，1981． [4] 張玉卓，仲惟林．巖層移動的錯位理論解與邊界元法計算EJ]．煤炭學報，1987(2)：32—34． [5] 李維特，黃保海，畢仲波，等．熱應力理論分析及應用EM]．北京：中國電力出版社，2004． [6] 楊蘭和．煤炭地下氣化火焰工作面移動速度的研究 [J]．煤炭學報，2000：446—450． [7] 徐小荷，余靜．巖石破碎學EM]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1984：274—275． [8] 虞繼舜．煤化學EM]．北京：冶金工業(yè)出版社，2000． [9] 錢鳴高．采場礦山壓力與控制[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1983． [10] 李耀娟，田玉璋，于在乎．煤炭地下氣化EM]．沈陽：東北工學院出版社，1981：1—1O． [11] 梁杰．煤炭地下氣化過程穩(wěn)定性及控制技術(shù)[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2002． [12] 彭豐城，梁新星，李玉蘭等．煤炭地下氣化過程中煤層熱解DAE模型的研究[J]．煤炭轉(zhuǎn)化，2007，30(2)：28—30 [13] 程秀秀，黃瀛華，任德慶．煤焦的孔隙結(jié)構(gòu)及其與氣化的關(guān)系[J]．燃料化學學報，1987，15(3)：261-267． [14] 周瑋，吳國江，鄧劍等．焦炭顆粒氣化表面積變化結(jié)構(gòu)因子的研究[J]．煤炭轉(zhuǎn)化，2008，31(1)：33—37． [15] 張祖培．煤炭地下氣化技術(shù)[J]．探礦工程，2000 (1)． [16] 吳忠，秦本東，等．煤層頂板砂巖高溫狀態(tài)下力學特征試驗研究[J]．巖石力學與工程學報，2005，24 (11)． [17] 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