岩石单向加热热固耦合数值模拟研究

为了研究煤炭地下气化覆岩在热固耦合条件下温度、应力以及塑性区分布演化规律,采用COMSOL软件在单向加热和轴向约束条件下对岩石进行了热固耦合数值模拟,得到了温度场、应力场、位移场以及体积应变和塑性区分布规律。结果表明:轴向不同位置温度随时间呈非线性增加,沿岩石高度方向温度梯度较大,且随时间呈降低趋势;主应力主要分布于岩石轴向下端面及附近圆周区,塑性区主要分布于试件下部1/6高度范围,存在扁平状孤岛塑性区;下端面圆周区出现应力拉伸,径向应变最大,模拟结果有助于从热固耦合的角度研究砂岩石的热损伤破裂特性。

煤岩单向加热模拟试验装置的研发与应用

煤炭地下气化火焰工作面高温气体作用于气化通道周边煤岩体,使其呈单向受热状态,煤岩体法线方向的热损伤和热破裂呈现明显的梯度分布规律。为了对煤岩体在单向高温热作用下的热损伤特性规律进行研究并提供新的实验手段,自主研发设计了煤岩单向加热模拟试验装置,该装置主要包括加热和温控单元、温度和热应力监测单元、声发射监测单元、约束和加载单元4个部分。采用的试样尺寸为φ50 mm×100 mm,最大单向加热温度为600℃,热应力监测量程5 MPa。介绍了试验装置的主要功能和技术参数、结构与关键技术以及研制过程中的技术难点和解决方案等,并使用本试验装置开展了相关实验。本试验装置的显著特点包括:(1)实现单向高温加热和单向约束,模拟煤岩体受热状态;(2)实现加热过程的温度、热应力和声发射的多信息同步监测,便于多因素耦合分析;(3)边界加热温度程序可控,可模拟不同类型受热边界条件。采用该试验装置进行砂岩的单向高温加热试验,可以揭示煤岩体试样单向受热条件下高度方向上温度、轴向热应力以及热破裂声发射特性规律,并通过主频分析,进一步揭示煤岩体热破裂的演化规律。该试验装置适用于地热开发、煤炭地下气化等特殊环境下煤岩体受单向高温热源作用的热物理现象和规律的探索研究,为其提供新的实验手段。