煤炭地下气化温度场动态扩展对顶板热应力场及稳定性的影响

席建奋,梁 杰,王张卿,朱汉青,段永亮,边啸林

(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 1 00083;2.新奥气化采煤技术有限公司,河北廊坊 065001)



煤炭地下气化温度场动态扩展对顶板热应力场及稳定性的影响

席建奋1,2,梁 杰1,王张卿1,朱汉青1,段永亮1,边啸林1

(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 1 00083;2.新奥气化采煤技术有限公司,河北廊坊 065001)

摘 要:为探索煤炭地下气化过程中煤层温度场扩展对顶板应力的热影响,利用相似材料制作大尺度顶板模拟内蒙古乌兰察布褐煤层顶板泥质软岩,对煤层温度场动态扩展条件下,顶板应力场扩展过程及顶板稳定性进行实验研究。结果表明,在模型实验中,顶板热应力的最大值可达1.5 MPa。在氧化区培育阶段和气化阶段,煤层温度场沿通道轴向平均扩展速率分别为0.018,0.028 9 m/ h,顶板热应力场沿通道轴向扩展速率分别为0.015和0.027 m/ h。氧化区培育阶段煤层温度场扩展主方向与裂隙方向一致,煤层温度场动态扩展与顶板热弥散的双重作用使顶板应力场的扩展速率逐渐趋近于煤层温度场扩展速率。同时,泥岩顶板受高温影响在垂直气化通道方向形成稳定的拱形结构,可维持顶板在垂直气化通道方向的区域稳定。

关键词:煤炭地下气化;温度场;热应力场;扩展;稳定性

责任编辑:张晓宁

席建奋,梁 杰,王张卿,等.煤炭地下气化温度场动态扩展对顶板热应力场及稳定性的影响[J].煤炭学报,2015,40(8):1949-1955.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2015.0399

煤炭地下气化生产的煤气不仅可直接作为工业和民用燃料,也可用来发电或作为化工原料[1-4]。该技术特别适合于深部、急倾斜、缓倾斜及传统采煤技术开采不经济或劣质煤层等资源的开发和利用[5-9],也可用来回收传统采煤遗留在井下的资源,而褐煤则被认为是最适合利用煤炭地下气化开采的资源[6]。

煤炭地下气化形成的燃空区上方岩层顶板温度高达950~1 000℃[10-11]。高温作用下,岩层顶板因热膨胀使矿物颗粒边界出现大量微裂纹,不仅使含水层水导入地下气化炉,也造成煤气的泄露,因而,对气化过程中岩层顶板高温条件下热应力及稳定性的研究具有十分重要的意义。

针对不同岩性的顶板高温力学性质,研究人员开展了大量的实验研究和数值模拟研究,Liu等[12]研究了高温处理后花岗岩和砂岩的力学特性,Ranjith 等[13]利用单轴压缩实验研究了25~950℃下砂岩的热应力特性;Chen等[14]研究了石灰岩在高温下的膨胀特性,发现层理结构对应力变化有重要影响;陆银龙等[15]基于岩石损伤理论建立了温度-应力耦合方程,并对煤炭地下气化过程顶板受热导致的拉伸损伤和裂隙演化进行了数值研究; Yang等[16]利用ABAQUS软件建立了热-力耦合模型,并分析了煤炭地下气化燃空区顶板及围岩的应力分布; Mehdi 等[17]建立了三维热-力耦合模型,并利用模型预测了煤炭地下气化燃空区周围的应力分布;Stuart等[18]利用Eulerian-Godunov法对花岗岩的热应力致裂进行了数值分析;Wang等[19]利用有限元方法分析了2种不同矿物在短脉冲微波作用下热应力的演化过程。

然而,无论是实验研究还是理论研究,研究对象均以坚硬围岩(花岗岩、石灰岩等)为主,而对于软弱岩层,如泥质软岩的研究涉及较少;而且在实验研究中,均采用小尺寸试件对岩石高温条件下的力学特性进行研究,而忽略对岩石在大尺度条件下的高温力学特性分析或探讨,且在煤炭地下气化过程中,煤层燃烧工作面处于动态扩展过程中,在小尺寸的试件中很难反映高温动态热作用对岩层顶板的应力影响,尤其无法全面评价顶板高温条件对气化过程及稳定性的影响。同时,在煤炭地下气化过程中很难对岩层顶板热应力进行监测,须借助对煤层温度场的扩展研究间接获得顶板热应力的变化过程。

本文设计了大尺度岩层顶板实验,对高温动态作用下的泥岩顶板热应力变化及稳定性随煤层温度场的动态扩展变化过程进行研究,以获得煤层温度场动态扩展对顶板热应力场及稳定性的影响过程。

1 实验材料

1.1 气化煤层

实验所用褐煤取自内蒙古,原煤露天开采后加工成边长400 mm立方体煤块,之后立即将煤密封包装并运送到实验室,褐煤的工业和元素分析见表1。

表1　褐煤工业分析与元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of lignite sample　%

1.2 气化煤层顶板

模型实验原型煤层顶板的主要成分为泥岩,原型泥岩与相似顶板实测值的单轴抗压强度和容重分别为9.27, 0.17 MPa和22.25, 15.15 kN/ m3。根据现场气化炉尺寸与实验室模型气化炉尺寸确定模型实验的几何尺寸相似比Cl= 33.7,河砂与黏土以质量比3∶1制成相似材料顶板。

2 实验过程

2.1 模型气化炉

气化炉内部尺寸为4 450 mm×1 170 mm× 1 570 mm(长×宽×高),气化炉外设耐火层、保温层、钢板密封层和承压层,配置4个进/出气孔,测量孔可提供190个温度测点、19个压力测点,实验系统如图1所示。

图1　模型实验系统Fig.1 Model experiment system

2.2 测点布置

煤层和顶板层内温度采集利用K型热电偶,煤层1/2高度处布置一层热电偶,以5行15列排列分布,共计75个测点。顶板共布置3层热电偶,第1层位于煤层与顶板的交界面处,第2层距第1层200 mm,第3层距第1层400 mm,每层32个,呈4行8列布置(图2(a))。顶板内应力采集点共设置12个测点,其中11个布置在距煤层顶部200 mm处,在气化通道正上方布置5个应力传感器,通道两侧各布置3个应力传感器(图2(b)),另有1个布置在液压平台与顶板的接触面处,监测液压平台的压力值。

图2　气化炉测点布置Fig.2 Layout of data acquisition in gasifier

2.3 实验步骤

首先,在气化炉底部铺设一层利用相似材料制作的底板,底板厚度为50 mm,干燥48 h。铺设煤层,在煤块中间位置距离底部80 mm处钻直径为6 mm的气化通道,该气化通道垂直于煤层层理裂隙方向,将钻有通道的煤块依次布置在气化炉中轴线位置处,在2块煤之间利用可燃烧的管子连接气化通道。在气化炉点火侧预置点火器。气化炉轴线煤块铺设完成后,开始在两侧装入煤块,两侧实体煤的裂隙方向与轴线上实体煤的裂隙方向一致,实体煤接触面之间利用同煤质的煤泥黏连确保密封,按照5×15排列在煤层布置75个热电偶。热电偶布置完成后,在煤层上方铺设利用相似材料制作的顶板,顶板厚度为700 mm,顶板内布置3层热电偶,每层按照4×8排列布置32个热电偶,层与层之间相隔200 mm,第1层热电偶布置在煤层与顶板的交界面。其次,对气化炉进行冷态密封实验,最后,在冷态密封实验合格之后实施气化炉点火,气化炉经历氧化区培育阶段和气化反应阶段。

2.4 热膨胀与比表面积、孔容测试

将褐煤切割成50 mm的标准立方体试块,相似材料顶板制成50 mm标准立方体的试块。以25℃为起始温度,在不同终温条件下(100,200,300,400, 500,600,700,800,900℃)通入氮气加热,测试试块加热前后的尺寸变化,计算试块的热膨胀率。并利用TM3000(Hitachi,日本)和3H-2000PS2(贝士德,中国)仪器分别测试不同终温下的样品,获得样品的扫描电子显微图(SEM)和比表面积、孔容数据。

3 结果与分析

3.1 煤层温度场扩展

褐煤层丰富的层理裂隙,使其在常温下的渗透系数和比表面积分别为28.8×10-15m2[20]和28.51 m2/ g(图3)。褐煤层理深度贯穿到煤层内部,为气化剂与煤发生化学反应提供了良好的反应场所,使煤层内燃烧可沿着煤层层理裂隙方向扩展,宏观表现为煤层点火燃烧初期,温度场向气化通道侧向(层理裂隙方向)扩展速率为0.056 m/ h,高于沿气化通道轴向的扩展速率0.018 m/ h(图4(a)),两方向扩展速率比为3.11∶1。

图3　比表面积及孔体积随温度的变化规律Fig.3 Variation of specific surface area and pore volume with temperature

气化剂流量增大,单位时间内从氧化区携带走更多热量,并在沿气化通道流动过程中以对流传热方式加热气化通道四周煤层,氧化区下游煤层温度升高,煤的各向异性以及含有多种矿物质的特性,使煤层内部在高温作用下产生热膨胀变形并形成热应力,引起煤内部固体骨架破裂或塌陷形成大量裂隙(图5),同时煤层水分及挥发分高温析出也导致煤层孔隙内压逐渐升高,使煤层内孔破裂,与裂隙贯通,并产生大量的微孔隙,导致煤层孔容与比表面积均增加(图3),为气化反应提供了丰富的反应空间,使扩展速率沿气化通道轴向逐渐高于侧向的扩展速率(图4(b)),气化通道轴向由1.78 m扩展到4.01 m,平均扩展速率为0.028 9 m/ h,气化通道侧向扩展宽度(最大一侧)扩展到0.58 m,平均扩展速率为0.007 53 m/ h,扩展速率比为3.64∶1。

图4　不同时刻的煤层温度场Fig.4 Temperature field in coal seam at different times

图5　不同温度下煤层的SEM图Fig.5 SEM images at different temperatures

3.2 顶板温度场扩展

顶板温度场的扩展影响顶板应力场的变化,点火20 h后,距离煤层200 mm处顶板温度场出现明显变化,温度场前沿扩展到0.5 m(图6(a)),58 h后,顶板温度场前沿扩展到0.6 m,顶板温度场轴向平均扩展速率为0.003 6 m/ h,且向2个方向扩展速率近似相等(图6(b))。顶板温度场的平均扩展速率滞后于煤层温度场的平均扩展速率0.028 9 m/ h,主要是因为煤层温度场扩展是热力双向影响的过程,即煤层在燃烧气化过程中,受高温热应力作用在煤层内部产生新裂隙,不仅为气化剂提供反应场所,也强化了气化剂在煤层中的对流传热,对流传热又促进煤层裂隙的产生。

图6　不同时刻顶板的温度场Fig.6 Temperature field in the roof at different times

3.3 顶板热应力变化

3.3.1 顶板轴向热应力变化

煤层与顶板受热之后,因材料的各向异性及所含有不同矿物质的热膨胀系数差异,在内部发生热膨胀变形(图7),由于气化炉壁及气化炉上方液压平台的位移约束可在顶板内产生热应力。气化20 h,煤层温度场最高值为644℃,顶板温度场的温度最高值为529℃,顶板内热应力达到最大值1.5 MPa(图8(a))。当温度持续升高时,煤体热应力超过煤层固体骨架的抗拉强度,煤孔结构坍塌,煤层热应力消失,同时,由于煤层的燃烧消耗导致其体积收缩,在煤层与顶板连接处形成空隙,出现卸压空间使顶板内的热应力释放,直至为0。

图7　褐煤和相似材料顶板热膨胀率随温度的变化Fig.7 Thermal swelling ratio of lignite and roof made by similar materials with temperature increasing

当气化进行到58 h,气化通道上方第2个应力测点S3监测到最大应力(图8(b))。可获知氧化区培育阶段顶板热应力场沿气化通道轴向的扩展速率为0.015 m/ h,与煤层轴向温度场扩展速率0.018 m/ h相当,顶板热应力场受顶板温度场的影响,滞后煤层温度场扩展速率16.7%。

氧化区培育阶段完成后,提高气化剂流量,煤层的温度场扩展速率相应提高,顶板应力场的平均扩展速率为0.027 m/ h,扩展速率最高为0.034 m/ h,煤层温度场平均扩展速率为0.028 9 m/ h,顶板应力场的扩展速率趋近于煤层温度场扩展速率。主要由于随着煤层燃烧面积的扩大,单位时间释放的热量大大提高,扩大了顶板高温区面积,使顶板温度场趋于动态稳定,产生了热弥散现场,在热弥散作用下,热应力场的扩展速率逐渐提高,趋于与煤层的扩展速率一致。气化炉的出口处附近汇集大量的热气体,实体煤受热气体的长时间作用使煤层发生蠕变作用,同样导致应力增加(图8(e))。

图8　沿气化通道轴向顶板应力随时间的变化过程Fig.8 Variation of thermal stress in the roof along the direction of the gasification channel at different times

3.3.2 顶板垂直轴向应力变化

仅对气化通道正上方的S9以及两侧的S8,S10测点进行分析,S8应力传感器和S10应力传感器对称分布于S9应力传感器的两侧,顶板相似材料在制作过程中,形成了近乎各向同性的材料,煤层温度场与顶板温度场均呈“▷”轴对称扩展,即温度场沿通道轴向的扩展速率高于沿通道侧向的扩展速率,受煤层温度场动态扩展影响,顶板热应力出现最大值时间也不同,使S8和S10两点几乎在同一时刻产生最大热应力。而位于通道正上方的煤层顶板里的S9测点首先达到高温(图9),表明顶板热应力扩展速率受煤层温度场的动态扩展速率影响。从S9的热应力最大值扩展到两侧S8和S10的热应力最大值经历了30 h,可获知顶板应力向通道两侧方向的扩展速率为0.01 m/ h,而此时顶板应力场沿气化通道轴向的扩展速率为0.02 m/ h,应力场向通道两侧的扩展速率小于通道轴向的扩展速率,主要是由于此时煤层温度场扩展主方向是沿气化通道轴向方向,表明顶板应力场的扩展方向受煤层温度场的动态扩展影响。

图9　垂直气化通道方向顶板热应力随时间的变化Fig.9 Variation of thermal stress at different times in the roof perpendicular the direction of the gasification channel

由以上实验结果可知,顶板的温度直接受煤层温度场扩展速率的影响,进而影响顶板热应力场的扩展。在气化初期,为了使气化过程实现稳定运行,形成较大面积的氧化区,利用氧化区释放的大量燃烧热来维持还原区的反应稳定,氧化区采用渗流燃烧的方式,使该阶段煤层温度场扩展速率较慢,顶板热应力场的扩展速率也缓慢增加,导致热应力场在氧化区培育阶段的扩展速率滞后煤层温度场的扩展速率。随着氧化区培育阶段的完成,煤层内已形成较大面积的温度场,且煤层温度场的扩展速率也提高,受煤层温度场动态扩展及顶板热弥散的影响,顶板热应力场的扩展速率也随之提高,直至与煤层温度场扩展速率一致。由此可知,随着煤层温度场扩展速率的提高,顶板热应力场的扩展速率也提高,但不会超过煤层温度场的扩展速率。而且,由S8,S9和S10三点热应力的变化规律可知,结合煤层温度场以“▷”扩展方式沿气化通道向气化炉出口方向移动(图4(b)),气化通道正上方处温度最高,两则温度较低,而S9位于气化通道的正上方,故而S9首先达到热应力的最大值,随着煤层温度场的扩展,两侧S8和S10也随后同时达到热应力最大值。

综上顶板热应力场在煤层温度场尚未稳定建立之前,其扩展速率滞后煤层温度场的扩展速率;当煤层温度场稳定建立后,顶板热应力场的扩展速率开始趋向于与煤层温度场扩展速率一致,但不会超过煤层温度场扩展速率,且当煤层温度场温度降低时(模型实验中进行了短暂的涌水模拟实验,导致煤层温度下降),顶板热应力值也随之下降,由最大值1.5 MPa下降到1.25 MPa(图8(c))。

3.4 顶板高温拱形结构

顶板内热应力最大值为1.5 MPa(图8(a)),超过相似材料顶板的抗压强度0.17 MPa,可在顶板内产生裂隙,但泥质岩石在超过900℃高温作用发生烧结[21](图10(a)),形成玻璃结晶体,封堵了顶板裂隙,使顶板维持对气化炉的密封性。气化炉解剖后在顶板可看到明显的玻璃晶体,玻璃化作用使煤层泥岩类顶板产生稳定的拱形结构(图10(b)),维持顶板在气化通道两侧的稳定。

图10　顶板高温结构Fig.10 High temperature structure of the roof

4 结 论

(1)煤层温度场扩展主方向受煤层裂隙方向与气化剂流量双重影响,在氧化区培育阶段主要受煤层裂隙影响。气化剂流量提高,煤层温度场扩展主方向由沿通道侧向变为沿通道轴向。气化剂流量为何值时,煤层温度场扩展主方向开始发生明显改变,因本模型实验的局限,尚无法准确确定。对于该气化剂流量值的确定,课题组已开始实验装置与方案的设计。

(2)顶板应力场的扩展速率在煤层温度场尚未稳定建立的氧化区培育阶段滞后于煤层温度场扩展速率,随气化过程进行,煤层温度场稳定建立,在煤层温度场作用下,顶板内产生热弥散现象,在煤层温度场及热弥散双重作用下顶板应力场的扩展速率趋于与煤层温度场扩展速率一致,但不会超过煤层温度场扩展速率。因此,现场无法获知顶板热应力的情况下可通过煤层温度场的扩展速率判断顶板的热应力。

(3)泥岩顶板在高温作用下,在泥质顶板内部不仅产生稳定的拱形结构,也会使泥质顶板形成玻璃结晶体,玻璃化作用使拱形结构的强度进一步增强,提高了顶板垂直气化通道方向的结构稳定,使顶板不易塌落。

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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

通讯作者:梁 杰(1964—),男,江苏宝应人,教授。Tel:010-62331601,E-mail:ucgrc@ vip.sohu.com

作者简介:席建奋(1981—),男,山西阳高人,博士研究生。Tel:010-62339209,E-mail:xijianfen@ yeah.net。

基金项目:国家高技术研究发展计划(863)基金资助项目(2011AA050106,2011AA050103)

收稿日期:2015-03-26

中图分类号:TD84

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2015)08-1949-07