【摘要】：煤炭地下氣化被譽為第二代采煤方式,是建井、采煤、氣化綜合為一體的綠色開采技術(shù),可在地下有效提取煤炭中的可燃組分,將傳統(tǒng)的物理采煤轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W采煤,其工藝具有傳統(tǒng)采煤工藝無法企及的安全、效率、清潔。本文通過理論分析、數(shù)值模擬和相似材料模擬相結(jié)合的方法,對煤炭地下氣化圍巖溫度場的分布規(guī)律、燃空區(qū)覆巖破環(huán)規(guī)律以及導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律展開了系統(tǒng)的研究,主要取得如下成果:1)燃空區(qū)頂板巖層會產(chǎn)生微觀上的熱破裂破壞。利用掃描電子顯微鏡對燃空區(qū)頂板巖樣進行掃描試驗,表明煤炭地下氣化頂板的破裂不僅僅受應力影響,還受到因為高溫導致的熱破裂破壞,破壞方式均為巖石受高溫后產(chǎn)生膨脹,沿巖石節(jié)理破壞形成清晰可見的裂隙。2)煤炭地下氣化溫度在不同巖性巖層中的傳導范圍存在差異。通過對烏蘭察布礦區(qū)的氣化過程進行溫度傳導的模擬,研究表明溫度在頂板、煤壁以及底板的影響范圍有差異,并且在各巖層中的擴散規(guī)律也呈現(xiàn)不同的態(tài)勢。經(jīng)過實驗對比,溫度在頂板中的傳導范圍最終不超過16.6米,在氣化爐兩側(cè)煤壁的傳導范圍最終不超過11.8米,而在底板的傳導范圍最終不超過13米,溫度降低的梯度排列在不同巖層中也呈現(xiàn)較大差異。3)針對煤炭地下氣化開采方式提出了改進的數(shù)值建模方法。由于煤炭地下氣化過程產(chǎn)生較大的熱量,溫度可達一千多攝氏度。將溫度對圍巖的影響考慮在內(nèi),圍巖的力學參數(shù)應依照溫度在圍巖中的分布范圍進行分層賦值,使數(shù)值模擬結(jié)果更趨于準確。通過數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)進行對比,驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準確性和該建模方式的可行性。4)煤炭地下氣化的導水裂隙帶發(fā)育形態(tài)和高度有其獨特的發(fā)育規(guī)律。通過分別建立相同氣化爐寬度考慮溫度因素和不考慮溫度因素的地下開挖數(shù)值模型,對比研究了傳統(tǒng)井工開采和煤炭地下氣化開采時導水裂隙帶的發(fā)育情況。試驗表明,不考慮溫度因素的傳統(tǒng)井工開采時,導水裂隙帶的最終發(fā)育高度為15米,頂板的最大下沉值為42厘米,導水裂隙帶的發(fā)育形態(tài)類似“拱形”;而考慮地應力與高溫耦合的地下氣化的導水裂隙帶的發(fā)育高度達到了47米,頂板的最大下沉值為37厘米,導水裂隙帶形態(tài)呈現(xiàn)為向兩側(cè)延伸的“蝶翼形”。5)煤炭地下氣化開采導水裂隙帶發(fā)育高度與氣化爐設(shè)計寬度存在聯(lián)系。在采寬較小范圍時,采寬的增大會導致導水裂隙帶高度的增加,當寬度增加到一定值之后,導水裂隙帶的高度不再隨采寬的變化而變化。在計算煤炭地下氣化開采上覆巖層導水裂隙帶高度時,應將燃空區(qū)寬度和氣化煤層厚度兩個因素同時考慮,使得導水裂隙帶高度的計算更加準確。
【圖文】：

概況及氣化工藝介紹eral Situation of Mining Area and Introsification Process主要對烏蘭察布地下氣化礦工業(yè)性試驗地區(qū)的地質(zhì)條件、巖層氣化工藝和氣化爐布置作出介紹，并為后續(xù)的研究提供了基及位置介紹（Introduction of Traffic and Locatio區(qū)地理位置位于察哈爾右翼前旗政府所在地土貴烏拉鎮(zhèn)向北東約 18km 處，該地四通八達交通便利。集寧區(qū)西部依靠呼，東部臨近北京、天津、唐山經(jīng)濟三角區(qū)，地理位置優(yōu)越，津、晉、冀的南大門，也是我國與蒙古、東歐各國產(chǎn)生經(jīng)濟同時集寧區(qū)也是中國北方的重要交通樞紐。該礦區(qū)的地理位

圖 2-2 氣化工作面布置簡化示意圖Figure 2-2 Simplified schematic diagram of the layout of the gasification face整個氣化工作開始之前，需要建立空氣注入井和出氣井，空氣注入井作為后期氣體的注入和運輸?shù)闹饕ǖ�，出氣井為煤炭地下氣化生產(chǎn)的可燃氣體從地下運輸至地面的主要通道。整個工作過程開始之前，需要利用定向鉆孔技術(shù)，在氣化煤層的中部鉆孔形成氣體運輸通道，并且使之能與空氣注入井、出氣井形成貫通。同樣，利用定向鉆孔技術(shù)，尋找氣化工作面與出氣列相交的位置作為初步點火點，點火燃燒開始產(chǎn)生可燃氣體，隨著煤炭的燃燒形成燃空區(qū)，產(chǎn)生的氣體通過貫通通道沿著出氣井運送至地面，然后對煤層中部的注氣管道加以控制，使參與反應的氣體和燃燒區(qū)向待氣化區(qū)進行移動，對燃燒形成控制，以此循環(huán)逐步推進直至整個氣化工作面反應完畢。由于燃燒爐的推進方向是向注氣控制管道后退的方向前進的，故將該氣化工藝稱為氣化爐后退式控制注氣地下氣化采煤工藝。整個氣化開采的順序與條帶開采相似，，也稱為帶狀氣化。整個采區(qū)氣化過程安排如下：1）定向鉆孔后，首先燃燒形成出氣通道，整個階段經(jīng)歷 60 天，最終形成
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD841

【參考文獻】

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本文編號：2618287