席建奮,梁 杰,王張卿,朱漢青,段永亮,邊嘯林

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 1 00083;2.新奧氣化采煤技術(shù)有限公司,河北廊坊 065001)

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煤炭地下氣化溫度場動態(tài)擴(kuò)展對頂板熱應(yīng)力場及穩(wěn)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(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 1 00083;2.新奧氣化采煤技術(shù)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(kuò)展對頂板應(yīng)力的熱影響,利用相似材料制作大尺度頂板模擬內(nèi)蒙古烏蘭察布褐煤層頂板泥質(zhì)軟巖,對煤層溫度場動態(tài)擴(kuò)展條件下,頂板應(yīng)力場擴(kuò)展過程及頂板穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,在模型實(shí)驗(yàn)中,頂板熱應(yīng)力的最大值可達(dá)1.5 MPa。在氧化區(qū)培育階段和氣化階段,煤層溫度場沿通道軸向平均擴(kuò)展速率分別為0.018,0.028 9 m/ h,頂板熱應(yīng)力場沿通道軸向擴(kuò)展速率分別為0.015和0.027 m/ h。氧化區(qū)培育階段煤層溫度場擴(kuò)展主方向與裂隙方向一致,煤層溫度場動態(tài)擴(kuò)展與頂板熱彌散的雙重作用使頂板應(yīng)力場的擴(kuò)展速率逐漸趨近于煤層溫度場擴(kuò)展速率。同時(shí),泥巖頂板受高溫影響在垂直氣化通道方向形成穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu),可維持頂板在垂直氣化通道方向的區(qū)域穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞:煤炭地下氣化;溫度場;熱應(yīng)力場;擴(kuò)展;穩(wěn)定性

責(zé)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(tài)擴(kuò)展對頂板熱應(yīng)力場及穩(wěn)定性的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(8):1949-1955.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2015.0399

煤炭地下氣化生產(chǎn)的煤氣不僅可直接作為工業(yè)和民用燃料,也可用來發(fā)電或作為化工原料[1-4]。該技術(shù)特別適合于深部、急傾斜、緩傾斜及傳統(tǒng)采煤技術(shù)開采不經(jīng)濟(jì)或劣質(zhì)煤層等資源的開發(fā)和利用[5-9],也可用來回收傳統(tǒng)采煤遺留在井下的資源,而褐煤則被認(rèn)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(qū)上方巖層頂板溫度高達(dá)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(xiàn)大量微裂紋,不僅使含水層水導(dǎo)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(yīng)力及穩(wěn)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(xué)性質(zhì),研究人員開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)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(xué)特性,Ranjith 等[13]利用單軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究了25~950℃下砂巖的熱應(yīng)力特性;Chen等[14]研究了石灰?guī)r在高溫下的膨脹特性,發(fā)現(xiàn)層理結(jié)構(gòu)對應(yīng)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(yīng)力耦合方程,并對煤炭地下氣化過程頂板受熱導(dǎo)致的拉伸損傷和裂隙演化進(jìn)行了數(shù)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(qū)頂板及圍巖的應(yīng)力分布; Mehdi 等[17]建立了三維熱-力耦合模型,并利用模型預(yù)測了煤炭地下氣化燃空區(qū)周圍的應(yīng)力分布;Stuart等[18]利用Eulerian-Godunov法對花崗巖的熱應(yīng)力致裂進(jìn)行了數(shù)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(yīng)力的演化過程。

然而,無論是實(shí)驗(yàn)研究還是理論研究,研究對象均以堅(jiān)硬圍巖(花崗巖、石灰?guī)r等)為主,而對于軟弱巖層,如泥質(zhì)軟巖的研究涉及較少;而且在實(shí)驗(yàn)研究中,均采用小尺寸試件對巖石高溫條件下的力學(xué)特性進(jìn)行研究,而忽略對巖石在大尺度條件下的高溫力學(xué)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(tài)擴(kuò)展過程中,在小尺寸的試件中很難反映高溫動態(tài)熱作用對巖層頂板的應(yīng)力影響,尤其無法全面評價(jià)頂板高溫條件對氣化過程及穩(wěn)定性的影響。同時(shí),在煤炭地下氣化過程中很難對巖層頂板熱應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測,須借助對煤層溫度場的擴(kuò)展研究間接獲得頂板熱應(yīng)力的變化過程。

本文設(shè)計(jì)了大尺度巖層頂板實(shí)驗(yàn),對高溫動態(tài)作用下的泥巖頂板熱應(yīng)力變化及穩(wěn)定性隨煤層溫度場的動態(tài)擴(kuò)展變化過程進(jìn)行研究,以獲得煤層溫度場動態(tài)擴(kuò)展對頂板熱應(yīng)力場及穩(wěn)定性的影響過程。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 氣化煤層

實(shí)驗(yàn)所用褐煤取自內(nèi)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(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室,褐煤的工業(yè)和元素分析見表1。

表1　褐煤工業(yè)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(shí)驗(yàn)原型煤層頂板的主要成分為泥巖,原型泥巖與相似頂板實(shí)測值的單軸抗壓強(qiáng)度和容重分別為9.27, 0.17 MPa和22.25, 15.15 kN/ m3。根據(jù)現(xiàn)場氣化爐尺寸與實(shí)驗(yàn)室模型氣化爐尺寸確定模型實(shí)驗(yàn)的幾何尺寸相似比Cl= 33.7,河砂與黏土以質(zhì)量比3∶1制成相似材料頂板。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 模型氣化爐

氣化爐內(nèi)部尺寸為4 450 mm×1 170 mm× 1 570 mm(長×寬×高),氣化爐外設(shè)耐火層、保溫層、鋼板密封層和承壓層,配置4個(gè)進(jìn)/出氣孔,測量孔可提供190個(gè)溫度測點(diǎn)、19個(gè)壓力測點(diǎn),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Model experiment system

2.2 測點(diǎn)布置

煤層和頂板層內(nèi)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(jì)75個(gè)測點(diǎn)。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(gè),呈4行8列布置(圖2(a))。頂板內(nèi)應(yīng)力采集點(diǎn)共設(shè)置12個(gè)測點(diǎn),其中11個(gè)布置在距煤層頂部200 mm處,在氣化通道正上方布置5個(gè)應(yīng)力傳感器,通道兩側(cè)各布置3個(gè)應(yīng)力傳感器(圖2(b)),另有1個(gè)布置在液壓平臺與頂板的接觸面處,監(jiān)測液壓平臺的壓力值。

圖2　氣化爐測點(diǎn)布置Fig.2 Layout of data acquisition in gasifier

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

首先,在氣化爐底部鋪設(shè)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(shè)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(diǎn)火側(cè)預(yù)置點(diǎn)火器。氣化爐軸線煤塊鋪設(shè)完成后,開始在兩側(cè)裝入煤塊,兩側(cè)實(shí)體煤的裂隙方向與軸線上實(shí)體煤的裂隙方向一致,實(shí)體煤接觸面之間利用同煤質(zhì)的煤泥黏連確保密封,按照5×15排列在煤層布置75個(gè)熱電偶。熱電偶布置完成后,在煤層上方鋪設(shè)利用相似材料制作的頂板,頂板厚度為700 mm,頂板內(nèi)布置3層熱電偶,每層按照4×8排列布置32個(gè)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(jìn)行冷態(tài)密封實(shí)驗(yàn),最后,在冷態(tài)密封實(shí)驗(yàn)合格之后實(shí)施氣化爐點(diǎn)火,氣化爐經(jīng)歷氧化區(qū)培育階段和氣化反應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)立方體試塊,相似材料頂板制成50 mm標(biāo)準(zhǔn)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?dú)饧訜?測試試塊加熱前后的尺寸變化,計(jì)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(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 煤層溫度場擴(kuò)展

褐煤層豐富的層理裂隙,使其在常溫下的滲透系數(shù)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(nèi)部,為氣化劑與煤發(fā)生化學(xué)反應(yīng)提供了良好的反應(yīng)場所,使煤層內(nèi)燃燒可沿著煤層層理裂隙方向擴(kuò)展,宏觀表現(xiàn)為煤層點(diǎn)火燃燒初期,溫度場向氣化通道側(cè)向(層理裂隙方向)擴(kuò)展速率為0.056 m/ h,高于沿氣化通道軸向的擴(kuò)展速率0.018 m/ h(圖4(a)),兩方向擴(kuò)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(guī)律Fig.3 Variation of specific surface area and pore volume with temperature

氣化劑流量增大,單位時(shí)間內(nèi)從氧化區(qū)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(qū)下游煤層溫度升高,煤的各向異性以及含有多種礦物質(zhì)的特性,使煤層內(nèi)部在高溫作用下產(chǎn)生熱膨脹變形并形成熱應(yīng)力,引起煤內(nèi)部固體骨架破裂或塌陷形成大量裂隙(圖5),同時(shí)煤層水分及揮發(fā)分高溫析出也導(dǎo)致煤層孔隙內(nèi)壓逐漸升高,使煤層內(nèi)孔破裂,與裂隙貫通,并產(chǎn)生大量的微孔隙,導(dǎo)致煤層孔容與比表面積均增加(圖3),為氣化反應(yīng)提供了豐富的反應(yīng)空間,使擴(kuò)展速率沿氣化通道軸向逐漸高于側(cè)向的擴(kuò)展速率(圖4(b)),氣化通道軸向由1.78 m擴(kuò)展到4.01 m,平均擴(kuò)展速率為0.028 9 m/ h,氣化通道側(cè)向擴(kuò)展寬度(最大一側(cè))擴(kuò)展到0.58 m,平均擴(kuò)展速率為0.007 53 m/ h,擴(kuò)展速率比為3.64∶1。

圖4　不同時(shí)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(kuò)展

頂板溫度場的擴(kuò)展影響頂板應(yīng)力場的變化,點(diǎn)火20 h后,距離煤層200 mm處頂板溫度場出現(xiàn)明顯變化,溫度場前沿?cái)U(kuò)展到0.5 m(圖6(a)),58 h后,頂板溫度場前沿?cái)U(kuò)展到0.6 m,頂板溫度場軸向平均擴(kuò)展速率為0.003 6 m/ h,且向2個(gè)方向擴(kuò)展速率近似相等(圖6(b))。頂板溫度場的平均擴(kuò)展速率滯后于煤層溫度場的平均擴(kuò)展速率0.028 9 m/ h,主要是因?yàn)槊簩訙囟葓鰯U(kuò)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?zé)釕?yīng)力作用在煤層內(nèi)部產(chǎn)生新裂隙,不僅為氣化劑提供反應(yīng)場所,也強(qiáng)化了氣化劑在煤層中的對流傳熱,對流傳熱又促進(jìn)煤層裂隙的產(chǎn)生。

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

3.3 頂板熱應(yīng)力變化

3.3.1 頂板軸向熱應(yīng)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(zhì)的熱膨脹系數(shù)差異,在內(nèi)部發(fā)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(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)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(nèi)熱應(yīng)力達(dá)到最大值1.5 MPa(圖8(a))。當(dāng)溫度持續(xù)升高時(shí),煤體熱應(yīng)力超過煤層固體骨架的抗拉強(qiáng)度,煤孔結(jié)構(gòu)坍塌,煤層熱應(yīng)力消失,同時(shí),由于煤層的燃燒消耗導(dǎo)致其體積收縮,在煤層與頂板連接處形成空隙,出現(xiàn)卸壓空間使頂板內(nèi)的熱應(yīng)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(dāng)氣化進(jìn)行到58 h,氣化通道上方第2個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)S3監(jiān)測到最大應(yīng)力(圖8(b))?？色@知氧化區(qū)培育階段頂板熱應(yīng)力場沿氣化通道軸向的擴(kuò)展速率為0.015 m/ h,與煤層軸向溫度場擴(kuò)展速率0.018 m/ h相當(dāng),頂板熱應(yīng)力場受頂板溫度場的影響,滯后煤層溫度場擴(kuò)展速率16.7%。

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

圖8　沿氣化通道軸向頂板應(yīng)力隨時(shí)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(yīng)力變化

僅對氣化通道正上方的S9以及兩側(cè)的S8,S10測點(diǎn)進(jìn)行分析,S8應(yīng)力傳感器和S10應(yīng)力傳感器對稱分布于S9應(yīng)力傳感器的兩側(cè),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(kuò)展,即溫度場沿通道軸向的擴(kuò)展速率高于沿通道側(cè)向的擴(kuò)展速率,受煤層溫度場動態(tài)擴(kuò)展影響,頂板熱應(yīng)力出現(xiàn)最大值時(shí)間也不同,使S8和S10兩點(diǎn)幾乎在同一時(shí)刻產(chǎn)生最大熱應(yīng)力。而位于通道正上方的煤層頂板里的S9測點(diǎn)首先達(dá)到高溫(圖9),表明頂板熱應(yīng)力擴(kuò)展速率受煤層溫度場的動態(tài)擴(kuò)展速率影響。從S9的熱應(yīng)力最大值擴(kuò)展到兩側(cè)S8和S10的熱應(yīng)力最大值經(jīng)歷了30 h,可獲知頂板應(yīng)力向通道兩側(cè)方向的擴(kuò)展速率為0.01 m/ h,而此時(shí)頂板應(yīng)力場沿氣化通道軸向的擴(kuò)展速率為0.02 m/ h,應(yīng)力場向通道兩側(cè)的擴(kuò)展速率小于通道軸向的擴(kuò)展速率,主要是由于此時(shí)煤層溫度場擴(kuò)展主方向是沿氣化通道軸向方向,表明頂板應(yīng)力場的擴(kuò)展方向受煤層溫度場的動態(tài)擴(kuò)展影響。

圖9　垂直氣化通道方向頂板熱應(yīng)力隨時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,頂板的溫度直接受煤層溫度場擴(kuò)展速率的影響,進(jìn)而影響頂板熱應(yīng)力場的擴(kuò)展。在氣化初期,為了使氣化過程實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行,形成較大面積的氧化區(qū),利用氧化區(qū)釋放的大量燃燒熱來維持還原區(qū)的反應(yīng)穩(wěn)定,氧化區(qū)采用滲流燃燒的方式,使該階段煤層溫度場擴(kuò)展速率較慢,頂板熱應(yīng)力場的擴(kuò)展速率也緩慢增加,導(dǎo)致熱應(yīng)力場在氧化區(qū)培育階段的擴(kuò)展速率滯后煤層溫度場的擴(kuò)展速率。隨著氧化區(qū)培育階段的完成,煤層內(nèi)已形成較大面積的溫度場,且煤層溫度場的擴(kuò)展速率也提高,受煤層溫度場動態(tài)擴(kuò)展及頂板熱彌散的影響,頂板熱應(yīng)力場的擴(kuò)展速率也隨之提高,直至與煤層溫度場擴(kuò)展速率一致。由此可知,隨著煤層溫度場擴(kuò)展速率的提高,頂板熱應(yīng)力場的擴(kuò)展速率也提高,但不會超過煤層溫度場的擴(kuò)展速率。而且,由S8,S9和S10三點(diǎn)熱應(yīng)力的變化規(guī)律可知,結(jié)合煤層溫度場以“?”擴(kuò)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(dá)到熱應(yīng)力的最大值,隨著煤層溫度場的擴(kuò)展,兩側(cè)S8和S10也隨后同時(shí)達(dá)到熱應(yīng)力最大值。

綜上頂板熱應(yīng)力場在煤層溫度場尚未穩(wěn)定建立之前,其擴(kuò)展速率滯后煤層溫度場的擴(kuò)展速率;當(dāng)煤層溫度場穩(wěn)定建立后,頂板熱應(yīng)力場的擴(kuò)展速率開始趨向于與煤層溫度場擴(kuò)展速率一致,但不會超過煤層溫度場擴(kuò)展速率,且當(dāng)煤層溫度場溫度降低時(shí)(模型實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了短暫的涌水模擬實(shí)驗(yàn),導(dǎo)致煤層溫度下降),頂板熱應(yīng)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(jié)構(gòu)

頂板內(nèi)熱應(yīng)力最大值為1.5 MPa(圖8(a)),超過相似材料頂板的抗壓強(qiáng)度0.17 MPa,可在頂板內(nèi)產(chǎn)生裂隙,但泥質(zhì)巖石在超過900℃高溫作用發(fā)生燒結(jié)[21](圖10(a)),形成玻璃結(jié)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(chǎn)生穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)(圖10(b)),維持頂板在氣化通道兩側(cè)的穩(wěn)定。

圖10　頂板高溫結(jié)構(gòu)Fig.10 High temperature structure of the roof

4 結(jié) 論

(1)煤層溫度場擴(kuò)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(qū)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(kuò)展主方向由沿通道側(cè)向變?yōu)檠赝ǖ垒S向。氣化劑流量為何值時(shí),煤層溫度場擴(kuò)展主方向開始發(fā)生明顯改變,因本模型實(shí)驗(yàn)的局限,尚無法準(zhǔn)確確定。對于該氣化劑流量值的確定,課題組已開始實(shí)驗(yàn)裝置與方案的設(shè)計(jì)。

(2)頂板應(yīng)力場的擴(kuò)展速率在煤層溫度場尚未穩(wěn)定建立的氧化區(qū)培育階段滯后于煤層溫度場擴(kuò)展速率,隨氣化過程進(jìn)行,煤層溫度場穩(wěn)定建立,在煤層溫度場作用下,頂板內(nèi)產(chǎn)生熱彌散現(xiàn)象,在煤層溫度場及熱彌散雙重作用下頂板應(yīng)力場的擴(kuò)展速率趨于與煤層溫度場擴(kuò)展速率一致,但不會超過煤層溫度場擴(kuò)展速率。因此,現(xiàn)場無法獲知頂板熱應(yīng)力的情況下可通過煤層溫度場的擴(kuò)展速率判斷頂板的熱應(yīng)力。

(3)泥巖頂板在高溫作用下,在泥質(zhì)頂板內(nèi)部不僅產(chǎn)生穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu),也會使泥質(zhì)頂板形成玻璃結(jié)晶體,玻璃化作用使拱形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng),提高了頂板垂直氣化通道方向的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,使頂板不易塌落。

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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(yīng)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(xiàng)目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)基金資助項(xiàng)目(2011AA050106,2011AA050103)

收稿日期:2015-03-26

中圖分類號:TD84

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253-9993(2015)08-1949-07