本文關(guān)鍵詞：地下氣化導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律與地下水流場(chǎng)數(shù)值分析

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【摘要】：中國(guó)的空氣質(zhì)量問(wèn)題,尤其是PM2.5(Particulate Matter,粒徑≤2.5微米),近來(lái)一直困擾著居民健康生活。2012年,綠色和平組織的研究報(bào)告顯示燃煤和粉煤塵為我國(guó)PM2.5的主要來(lái)源,尤其在煤礦開(kāi)采和北方以采暖為主的地區(qū),傳統(tǒng)的采煤方式嚴(yán)重制約著我國(guó)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。中國(guó)應(yīng)該下大力氣,找出霧霾的主要原因,采取高效且具有戰(zhàn)略意義的舉措治理空氣質(zhì)量問(wèn)題。煤炭地下氣化技術(shù)(Underground Coal Gasification,UCG)是一種可以將固體煤氣化,將煤炭轉(zhuǎn)換成可燃的清潔氣體的化工科技,是國(guó)家新型能源戰(zhàn)略主要攻克的技術(shù)之一,是國(guó)家提倡的清潔有效利用煤炭資源的先進(jìn)技術(shù)。將煤炭氣化技術(shù)推向常態(tài)化和產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展,對(duì)我國(guó)的煤炭資源的長(zhǎng)久開(kāi)采和可持續(xù)利用具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。中國(guó)地下氣化技術(shù)的正式發(fā)展研究是在20世紀(jì)八十年代之后,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)在徐州、唐山等地區(qū)先后進(jìn)行了“煤炭氣化開(kāi)采”實(shí)驗(yàn),并試生產(chǎn)成功。后來(lái),形成了一套較為成熟的“長(zhǎng)通道-大斷面-兩階段”氣化開(kāi)采技術(shù)工藝,該工藝可以實(shí)現(xiàn)水煤氣60%-65%的出氫含量。30多年以來(lái),經(jīng)過(guò)各種學(xué)者和工程師們的努力,煤炭氣化工藝水平在我國(guó)得到了顯著的提高。UCG示范基地的成功運(yùn)行,均建立在氣化生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)各種控制因素深入研究的基礎(chǔ)之上以及掌握地下水的運(yùn)動(dòng)機(jī)制與持續(xù)穩(wěn)定、高效安全的產(chǎn)氣相關(guān)關(guān)系之上,為此探究氣化爐頂板含水層的水進(jìn)入氣化爐的運(yùn)移規(guī)律已逐漸進(jìn)入研究者的日程,并有了初步的進(jìn)展。傳統(tǒng)對(duì)煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律的研究手段一般集中在經(jīng)驗(yàn)公式法、相似模擬法和井下實(shí)測(cè)法。其中大家最認(rèn)可的仍然是應(yīng)用最基本、最簡(jiǎn)單、最實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式法來(lái)計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶的最大高度,特別是國(guó)內(nèi)氣化采煤的煤層大都是緩傾斜、近水平的厚煤層,于是在導(dǎo)水裂縫帶的計(jì)算方面大都采用較為常見(jiàn)的經(jīng)驗(yàn)公式法。但是實(shí)踐證明,氣化過(guò)程中采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的導(dǎo)水裂縫帶高度結(jié)果偏差往往過(guò)大,尤其是氣化煤層頂板為泥巖或頁(yè)巖時(shí),氣化的高溫(1000℃或者以上)使得頂板泥巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致實(shí)際導(dǎo)水裂縫帶高度無(wú)法應(yīng)用現(xiàn)有規(guī)范中的導(dǎo)水裂縫帶高度經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,各研究機(jī)構(gòu)針對(duì)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究工作,但是精確刻畫采區(qū)溫度場(chǎng)分布特征,建立基于溫度時(shí)變的工程地質(zhì)概念模型、數(shù)值模型的研究仍較少見(jiàn);另外,國(guó)內(nèi)學(xué)者們?cè)诮⒌叵滤當(dāng)?shù)值模型研究分析地下水滲流場(chǎng)變化特征方面也做了大量的工作,但是以導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育機(jī)理為依據(jù),指導(dǎo)水文模型的各參數(shù)設(shè)置,建立三維地下水模型,深入分析氣化過(guò)程中地下水滲流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化的研究尚缺�；谝陨犀F(xiàn)實(shí)需要和研究現(xiàn)狀,本文以新奧集團(tuán)烏蘭察布市的玫瑰營(yíng)子礦區(qū)(北區(qū))氣化區(qū)“導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律”及“地下水滲流場(chǎng)時(shí)空特征”為研究對(duì)象,在深入分析研究區(qū)的自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料以及歷史研究成果的基礎(chǔ)上,首先,以前人研究綜述成果為基礎(chǔ),以研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù),綜合分析玫瑰營(yíng)礦無(wú)井式地下氣化區(qū)煤層頂板泥巖以及泥巖組合體重要的物理學(xué)參數(shù)(彈性模量、泊松比、熱傳導(dǎo)系數(shù)以及抗拉強(qiáng)度等)隨溫度變化規(guī)律;其次,在綜合分析研究區(qū)燃爐覆巖的破壞在不同階段(三帶溫度場(chǎng))的影響因素(氣化深度、氣化煤層寬度、氣化爐長(zhǎng)度等因素)基礎(chǔ)上,建立基于采區(qū)圍巖溫度場(chǎng)分布的工程地質(zhì)概念模型,進(jìn)而構(gòu)建了基于flac3d數(shù)值模型,研究剖析了導(dǎo)水裂縫帶高度在不同溫度、不同氣化階段、氣化深度、氣化開(kāi)采寬度、氣化爐長(zhǎng)度影響下的發(fā)育機(jī)理;再次,采取導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育數(shù)值模型模擬結(jié)果為依據(jù),輔以分析礦區(qū)水文地質(zhì)條件,指導(dǎo)煤層頂板“隔水層”數(shù)值模型的滲透系數(shù)分區(qū)與賦值,進(jìn)而采用visualmodflow構(gòu)建了氣化不同階段的三維地下水滲流模型,研究氣化爐頂板含水層的水進(jìn)入氣化爐的運(yùn)移機(jī)理,通過(guò)建立精確的地下水?dāng)?shù)值模型模擬地下氣化過(guò)程中地下水滲流場(chǎng)的變化特征,并計(jì)算涌水量;最后,為保證地下水環(huán)境的可持續(xù)性,同時(shí)保證礦井安全開(kāi)采,論文以地下水?dāng)?shù)值模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究該區(qū)地下水抽注水方案,在保證氣化安全生產(chǎn)的同時(shí)滿足地下水滲流場(chǎng)的平衡。論文得到主要研究成果如下:1.研究區(qū)地處中緯度內(nèi)陸,屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。氣化煤層位于區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面以下,其頂?shù)装鍑鷰r巖性為膠結(jié)較好的泥巖、砂質(zhì)泥巖,含水性較弱。礦床充水水源主要為第四系、新近系孔隙—裂隙水,地下水以靜儲(chǔ)量為主,含水層富水性中等,水文地質(zhì)類型劃分為第一、二類第二型,即以孔隙—裂隙充水為主的水文地質(zhì)條件中等的礦床。同時(shí),該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,區(qū)內(nèi)揭露地層主要為第四系及新近系弱膠結(jié)的泥巖、砂巖類,分布較廣,巖石強(qiáng)度相對(duì)較低,屬松散軟弱巖類巖石,穩(wěn)定性差;2.在氣化開(kāi)采過(guò)程中,燃燒帶來(lái)的熱量其中一部分會(huì)散失到圍巖中,圍巖的熱物理學(xué)參數(shù)決定著散失熱量的傳導(dǎo),進(jìn)而影響著氣化采場(chǎng)圍巖溫度場(chǎng)的分布,同時(shí),在圍巖溫度的影響下,巖石的變形特征、破壞形式、強(qiáng)度性質(zhì)以及各種物理學(xué)參數(shù)(彈性模量、泊松比、抗拉、壓強(qiáng)度)會(huì)隨著溫度變化而變化,與氣化過(guò)程中煤層開(kāi)采深度、工作面跨度、巖層的組合特征等因素同時(shí)對(duì)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度產(chǎn)生影響。據(jù)研究區(qū)導(dǎo)水裂縫帶高度數(shù)值模擬結(jié)果所知,隨著開(kāi)采的進(jìn)行,裂隙會(huì)持續(xù)發(fā)育,在大約150-200天左右時(shí)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育到35m左右,此時(shí),裂隙會(huì)導(dǎo)通煤層上部含水層,對(duì)氣化的安全高效生產(chǎn)造成威脅;當(dāng)氣化開(kāi)采結(jié)束,根據(jù)導(dǎo)水裂縫帶空間分布得到,導(dǎo)水裂縫帶高度較大區(qū)域集中分布在開(kāi)采初始階段,最大裂縫高度約為65m;3.多情景分時(shí)段建立的基于Visual MODFLOW水文數(shù)值模型較好地刻畫了氣化采煤過(guò)程中地下水流場(chǎng)因上覆巖層破壞影響帶來(lái)的動(dòng)態(tài)變化,研究以導(dǎo)水裂縫帶高度為依據(jù)輔助設(shè)置水文參數(shù)分區(qū),認(rèn)為裂隙發(fā)育區(qū)域滲透系數(shù)從層狀水平優(yōu)勢(shì)分布向垂向優(yōu)勢(shì)分布發(fā)展,并以此規(guī)律對(duì)模型進(jìn)行賦值,突破了傳統(tǒng)數(shù)值模型水文參數(shù)設(shè)置的局限性。結(jié)果顯示:煤層上含水系統(tǒng)在點(diǎn)火之后直至燃燒結(jié)束,地下水滲流場(chǎng)特征和點(diǎn)火之前基本保持一致,研究區(qū)上含水系統(tǒng)在氣化過(guò)程中未受到影響;煤層頂板含水層,在被裂隙導(dǎo)通之前由于抽水的原因會(huì)在抽水井附近形成明顯的降落漏斗,但停止抽水時(shí)流場(chǎng)又恢復(fù)到和初始流場(chǎng)相似程度。隨著開(kāi)采的繼續(xù),頂板含水層會(huì)被導(dǎo)通,在導(dǎo)通初始時(shí)刻,煤層頂板“隔水層”會(huì)在導(dǎo)通區(qū)附近形成較明顯的“反降落漏斗”,隨著時(shí)間推移,地下水流場(chǎng)會(huì)不斷發(fā)展趨向與煤層頂板含水層類似流場(chǎng),導(dǎo)通造成了煤層頂板含水層的水進(jìn)入到了“隔水層”,出現(xiàn)了較為接近的地下水滲流場(chǎng)空間特征;4.抽水井位置應(yīng)該布設(shè)在導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育區(qū)域,從而降低該區(qū)域的水位,保證安全開(kāi)采,由數(shù)值模擬結(jié)果顯示,抽水井的加入對(duì)地下水滲流場(chǎng)造成了明顯的影響,兩處抽水井附近均形成了明顯的降落漏斗,并且隨著抽水量的增加,漏斗中心水位也不斷降低,當(dāng)抽水量為253m3/d時(shí)漏斗中心水位降至安全水位1165m,抽水量大于等于290m3/d時(shí)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育區(qū)域形成大面積疏干區(qū),表示地下水已抽干,加大抽水量已經(jīng)沒(méi)有意義,考慮經(jīng)濟(jì)因素選取253m3/d為最佳抽水速率。為了有效利用抽取的地下水,同時(shí)保護(hù)地下水滲流場(chǎng)平衡,在抽水綜合影響范圍之外布設(shè)注水井,注水速率的選擇結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際要求。根據(jù)注水井加入的數(shù)值模擬結(jié)果可知,注水井的加入均可形成“反降落漏斗”,局部的地下水水位回升,注水井的布設(shè)有助于地下水滲流場(chǎng)平衡的保持;另外,注水井的加入對(duì)氣化區(qū)附近地下水水位空間特征影響較小,注水的影響范圍沒(méi)有較明顯地波及氣化區(qū)域流場(chǎng),注水井位置的選擇和160m3/d的注水速率合理可行。本次研究以高溫下泥巖或泥巖組合系統(tǒng)在氣化不同階段的改性規(guī)律為基礎(chǔ),并綜合考慮開(kāi)采寬度、開(kāi)采深度、巖層的組合特征的等多因素前提下,構(gòu)建基于采場(chǎng)圍巖溫度場(chǎng)分布的工程地質(zhì)概念模型,進(jìn)而建立了基于溫度時(shí)變的FLAC3D數(shù)值模型,以弄清楚高溫影響下的導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律為特色;同時(shí),以構(gòu)建研究區(qū)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律指導(dǎo)下的地下水?dāng)?shù)值模型為創(chuàng)新,分析研究了高溫影響下的不同氣化階段的地下水滲流場(chǎng)空間變化特征,豐富發(fā)展了氣化生產(chǎn)過(guò)程中導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育影響下的地下水滲流場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的研究理論和依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：地下氣化 導(dǎo)水裂縫帶 高溫場(chǎng)分布 地下水滲流場(chǎng) 最優(yōu)抽注水方案
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD84
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 1 引言14-36
• 1.1 研究背景及研究意義14-17
• 1.1.1 研究背景14-16
• 1.1.2 研究意義16
• 1.1.3 課題來(lái)源16-17
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-28
• 1.2.1 煤炭地下氣化的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-19
• 1.2.2 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-24
• 1.2.3 地下水?dāng)?shù)值模擬的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀24-28
• 1.3 存在的問(wèn)題28
• 1.4 研究?jī)?nèi)容28-29
• 1.5 研究目標(biāo)29-30
• 1.6 研究體系以及技術(shù)路線30-33
• 1.6.1 研究體系及框架30-31
• 1.6.2 技術(shù)路線31-33
• 1.7 創(chuàng)新點(diǎn)33-34
• 1.8 本章小結(jié)34-36
• 2 研究區(qū)地質(zhì)背景及概況36-50
• 2.1 烏蘭察布?xì)饣芯繀^(qū)交通與位置36-37
• 2.2 自然地理及社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況37-39
• 2.2.1 地形37
• 2.2.2 氣象37
• 2.2.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況37-38
• 2.2.4 地震38
• 2.2.5 環(huán)境地質(zhì)38-39
• 2.3 區(qū)域地質(zhì)概況39-42
• 2.3.1 地層39-40
• 2.3.2 構(gòu)造40-42
• 2.3.3 巖漿巖42
• 2.4 礦區(qū)地質(zhì)概述42-43
• 2.4.1 礦區(qū)構(gòu)造42-43
• 2.4.2 礦區(qū)巖漿巖43
• 2.5 水文地質(zhì)概況43-48
• 2.5.1 區(qū)域水文地質(zhì)分析43-44
• 2.5.2 研究區(qū)水文地質(zhì)概述44-47
• 2.5.3 研究區(qū)工程地質(zhì)特征47-48
• 2.6 本章小結(jié)48-50
• 3 無(wú)井式地下氣化導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律50-72
• 3.1 研究區(qū)氣化爐布置方式50-51
• 3.2 基于FLAC3D三維數(shù)值模擬51-53
• 3.2.1 FLAC3D軟解介紹和數(shù)學(xué)模型應(yīng)用51-53
• 3.2.2 模型設(shè)計(jì)和基本假設(shè)53
• 3.3 高溫下氣化圍巖應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算模型53-59
• 3.3.1 基于溫度場(chǎng)差異分布的概念模型54-56
• 3.3.2 巖石力學(xué)參數(shù)的處理與輸入56-59
• 3.4 氣化模擬計(jì)算過(guò)程59-68
• 3.4.1 氣化開(kāi)始前研究區(qū)的初始狀態(tài)59-61
• 3.4.2 氣化后的結(jié)果分析61-68
• 3.5 高溫下無(wú)井式煤炭地下氣化導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律68-69
• 3.6 本章小結(jié)69-72
• 4 無(wú)井式地下氣化地下水滲流場(chǎng)時(shí)空變化特征72-98
• 4.1 無(wú)井氣化過(guò)程中導(dǎo)水裂縫帶對(duì)地下水的危害分析72
• 4.2 無(wú)井式煤炭地下氣化地下水環(huán)境概況72-73
• 4.2.1 烏蘭察布煤炭氣化的燃空區(qū)含（隔）水層特征分析72-73
• 4.2.2 烏蘭察布煤炭氣化研究區(qū)構(gòu)造分析73
• 4.3 氣化點(diǎn)火前地下水流場(chǎng)特征分析73-74
• 4.3.1 上含水系統(tǒng)流場(chǎng)特征分析73
• 4.3.2 燃空區(qū)頂板含水系統(tǒng)流場(chǎng)特征分析73-74
• 4.4 無(wú)井式煤炭地下氣化地下水滲流場(chǎng)數(shù)值模擬74-93
• 4.4.1 研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型74-76
• 4.4.2 數(shù)學(xué)模型的建立與求解76-79
• 4.4.3 基于多情景分時(shí)段的氣化區(qū)地下水滲流場(chǎng)數(shù)值模型79-93
• 4.5 涌水量的預(yù)測(cè)93-96
• 4.5.1 數(shù)值法計(jì)算涌水量94
• 4.5.2 解析法計(jì)算涌水量94-96
• 4.6 本章小結(jié)96-98
• 5 氣化區(qū)最優(yōu)的抽注水方案98-110
• 5.1 抽注水方案設(shè)計(jì)98-106
• 5.1.1 抽水井和注水井的設(shè)計(jì)原則98-99
• 5.1.2 不同抽注水方案下的地下水滲流場(chǎng)變化特征99-106
• 5.2 無(wú)井氣化防治水建議106-107
• 5.3 本章小節(jié)107-110
• 6 結(jié)論與展望110-114
• 6.1 論文的主要結(jié)論110-112
• 6.2 研究特色112
• 6.3 論文的不足與限制112-113
• 6.4 研究展望113-114
• 參考文獻(xiàn)114-122
• 致謝122-124
• 作者簡(jiǎn)介124
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文124-125
• 在學(xué)期間出版著作125
• 在學(xué)期間參加科研項(xiàng)目125
• 主要獲獎(jiǎng)125

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：775398