高温对煤炭地下气化围岩损伤的影响

TD84; 煤炭地下气化是煤炭无害化开采技术创新战略方向之一,该技术可以回收老矿井废弃煤炭资源,对传统采煤技术难以开采的煤炭资源进行原位清洁转化.气化过程中燃空区形成带来的结构应力和高温造成的热应力共同作用对岩石造成损伤.以大城勘查区深部煤层为气化对象,得出典型围岩热物性及力学参数随温度变化规律.基于连续损伤力学理论,在平滑Rankine损伤模型的基础上提出高温岩石损伤变量模型,使用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件对深部煤层地下气化过程围岩温度、主应力、损伤变量进行模拟研究.结果表明,5种典型岩石的比热容随温度升高整体呈上升趋势,导热系数随温度升高整体呈下降趋势,抗压强度...

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Published in煤炭学报 Vol. 47; no. 6; pp. 2270 - 2278
Main Authors 王喆, 梁杰, 侯腾飞, 魏永超
Format Journal Article
LanguageChinese
Published 太原理工大学安全与应急管理工程学院,山西太原 030024 01.06.2022
中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083%中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083%河北省煤田地质局物测地质队,河北邢台 054000
Subjects
煤炭地下气化
损伤变量
围岩特性
温度-应力耦合
温度场
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Summary:TD84; 煤炭地下气化是煤炭无害化开采技术创新战略方向之一,该技术可以回收老矿井废弃煤炭资源,对传统采煤技术难以开采的煤炭资源进行原位清洁转化.气化过程中燃空区形成带来的结构应力和高温造成的热应力共同作用对岩石造成损伤.以大城勘查区深部煤层为气化对象,得出典型围岩热物性及力学参数随温度变化规律.基于连续损伤力学理论,在平滑Rankine损伤模型的基础上提出高温岩石损伤变量模型,使用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件对深部煤层地下气化过程围岩温度、主应力、损伤变量进行模拟研究.结果表明,5种典型岩石的比热容随温度升高整体呈上升趋势,导热系数随温度升高整体呈下降趋势,抗压强度和弹性模量随温度变化规律差别较大.围岩受温度影响范围随气化时间呈指数变化,气化10 d时,温度影响范围仅为3.27 m;气化50 d时,温度影响范围达到5.73 m;气化100 d时,温度影响范围为8.21 m;气化400 d时,温度影响范围达到18.20m.结合地下气化过程中普遍采用的控制注气点后退气化法,岩石处于高温区的时间在40 d左右,温度场对围岩的影响范围约为4.7 m.燃空区上方及两端均出现损伤区,且相互连接形成"凹"字型,燃空区长度90 m时,损伤区高度为72.2 m;燃空区长度170 m时,损伤区高度为114.1 m;燃空区长度250 m时,损伤区高度为148.8 m;燃空区长度330 m时,损伤区高度为162.6 m;随燃空区长度增加,损伤区高度与燃空区长度之比降低.高温会对直接顶造成显著影响,但随着燃空区长度的增长,温度对直接顶损伤变量的影响逐渐降低,因此在气化初期高温会明显降低直接顶的损伤程度,使其更加难以发生垮落.
ISSN:0253-9993
DOI:10.13225/j.cnki.jccs.FQ21.1915