煤炭地下气化高温烧变围岩移动破坏机制研究

Study on high temperature burnt surrounding rock movement and failure mechanism in underground coal gasification

煤炭地下气化是煤炭资源绿色开采、清洁利用的重要技术手段之一。但目前仍处于开发研究的早期阶段,大规模推广应用仍然存在诸多问题需要进一步研究。本文针对煤炭地下气化过程中气化燃空区围岩的高温烧变特征及其移动破坏规律、煤炭地下气化采场气化炉–隔离煤柱的设计方法、地表沉陷的预计方法展开了系统的研究,取得了以下成果:(1)研究总结了煤系地层常见的泥岩–砂岩高温烧变特征,并对煤炭进行了高温–冷却环境下力学实验,实验结果为:在100℃以下煤炭表现出脆性;当温度达到200℃及以上后,煤炭表现出延性,当压力达到抗压强度的极限后,煤炭呈屈服流动状态。煤炭的力学参数随着温度的升高整体表现出增强–急剧减弱–稳定3个阶段的变化特征。(2)建立了温度–热学参数耦合变化的煤炭地下气化围岩内部温度场的扩散模型,基于乌兰察布煤炭地下气化实验区条件,计算煤炭地下气化过程中温度场在顶板内部的传播范围为11.4 m,底板内部传播范围为9.3 m,两侧煤壁的传播范围为9.6 m。基于煤岩力学特性随温度变化规律的研究成果,建立了基于动态参数的燃空区烧变围岩移动破坏的数值模拟方法,为研究煤炭地下气化围岩移动破坏机理打下了坚实的基础。(3)利用FLAC3D进行数值模拟发现,改变煤炭地下气化围岩移动破坏特征的主要原因是高温引起的煤岩力学特性变化,热应力在整个过程中影响较小。通过3DEC离散元模拟发现,气化开采时顶板垮落带高度与裂隙带高度及顶板的下沉量都大于传统开采。气化炉稳定条件下,随着采区气化面数目的增多,覆岩破坏高度及煤柱塑性区域的宽度都有所增加,但变化较小;同一采区内,采出率接近50%后,气化采场稳定性快速衰减,极易造成顶板失稳。气化炉宽度大于24 m时,基本顶开始破断。因此,气化炉宽度设置在16~24 m范围,采出率为40%~50%时较为合理。(4)基于大板裂隙理论及极限平衡原理分析了隔离煤柱内部的应力分布,建立了隔离煤柱屈服区的计算方法。在此基础上结合煤炭地下气化特殊的隔离煤柱形态及高温烧变特征,推导了梯形高温烧变煤柱的屈服区宽度的计算模型,提出了基于屈服破坏区宽度及基于极限承载的隔离煤柱稳定性评价模型。(5)将基于微分求积法的状态空间方程解法应用于煤炭地下气化高温烧变顶板移动变形研究,解决了煤炭地下气化烧变厚板变形的求解问题。建立了固支、简支状态下高温烧变顶板极限跨距的计算方法。计算结果显示:随着顶板厚度的增加,烧变顶板与非烧变顶板的极限跨距都随之增加,顶板厚度相同时简支条件下非烧变顶板极限跨距小于高温烧变顶板,且随着顶板厚度的增大烧变顶板极限跨距的增长速率小于非烧变顶板;固支条件下高温烧变顶板的极限跨距大于非烧变顶板,且随着顶板厚度的增大烧变顶板极限跨距的增长速率大于非烧变顶板。(6)基于地下气化采区围岩协同变形思想,将多条带气化面顶板变形看作燃空区顶板变形与煤柱应力集中造成的煤柱及顶底板压缩量的总和,建立了基于燃空区围岩协同变形的顶板下沉模型。基于该模型建立了基于顶板下沉空间与等价采高的地表沉陷预计方法,通过数值模拟及实地测量显示该方法能够很好的应用于煤炭地下气化地表沉陷预计中。