本文關(guān)鍵詞：無井式煤炭地下氣化巖層移動(dòng)機(jī)理與控制研究　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：煤炭地下氣化不僅能解決目前常規(guī)采礦中的環(huán)境問題,真正實(shí)現(xiàn)綠色開采,又能為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供寶貴的清潔油氣能源與化工原料,同時(shí)還可以用于回收井工難以開采或開采經(jīng)濟(jì)差的“三下”壓煤和薄煤層以及深部煤層,故發(fā)展煤炭地下氣化是環(huán)境保護(hù)的需要也是煤炭行業(yè)未來發(fā)展的重要技術(shù)方向之一,同時(shí)滿足煤炭行業(yè)流態(tài)化發(fā)展和國家低碳發(fā)展的需求。本文通過數(shù)值模擬、理論分析、力學(xué)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測及相似材料模擬相結(jié)合的研究方法,對(duì)無井式地下燃空區(qū)圍巖的高溫效應(yīng)、燃空區(qū)圍巖及地表移動(dòng)與變形規(guī)律、氣化爐和隔離煤柱寬度設(shè)計(jì)方法以及無井式煤炭地下氣化地表沉陷預(yù)測方法等問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,主要取得如下成果:(1)無井式地下燃空區(qū)溫度場對(duì)上覆巖層、燃空區(qū)兩側(cè)煤壁、底板等力學(xué)性質(zhì)的影響范圍是有限的。根據(jù)烏蘭察布工業(yè)性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場資料分析,燃空區(qū)溫度場對(duì)上覆巖層的影響高度不超過16.7m,對(duì)燃空區(qū)兩側(cè)煤壁的影響范圍不超過8.7m,對(duì)燃空區(qū)底板巖層的影響深度不超過13.6m,為后續(xù)的研究提供了可靠的依據(jù)。(2)改進(jìn)了無井式地下氣化動(dòng)靜態(tài)數(shù)值模擬和相似材料模擬方法。在研究地表移動(dòng)極值對(duì)不同巖體力學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)敏感性的基礎(chǔ)上,提出了基于加權(quán)反演的數(shù)值模型動(dòng)態(tài)巖體力學(xué)參數(shù)選取方法。為了保證模擬模型中燃空區(qū)圍巖的強(qiáng)度變化規(guī)律與實(shí)際情況符合相似原理,研究了相似材料強(qiáng)度的時(shí)變特征并提出了其調(diào)控方法。(3)無井式地下氣化燃空區(qū)尺寸效應(yīng)、高溫效應(yīng)及不同氣化煤種類均會(huì)影響燃空區(qū)上覆巖層變形、垂直應(yīng)力分布、塑性區(qū)的分布以及地表沉陷。數(shù)值模擬結(jié)果表明:當(dāng)?shù)叵職饣伎諈^(qū)寬度為8m、16m、24m時(shí),且隔離煤柱寬度為8m、16m、24m及32m時(shí),帶狀地下氣化燃空區(qū)在上覆巖層中形成的波浪形下沉曲線發(fā)育高度介于13~43.1m。從采出率及地表沉陷控制角度出發(fā),烏蘭察布地下氣化工程中隔離煤柱寬度宜為16m,此時(shí)帶狀燃空區(qū)寬度應(yīng)控制在16m~24m。(4)“條采-面采”氣化爐后退式控制注氣地下氣化工藝的燃空區(qū)形態(tài)與常規(guī)條帶開采采空區(qū)形態(tài)有顯著差異,導(dǎo)致其形成的“雙曲線”型隔離煤柱與條帶開采的矩型煤柱形態(tài)有顯著差異。煤柱兩側(cè)雙曲線拱高、煤柱寬度、煤柱高度以及高溫效應(yīng)均會(huì)影響“雙曲線”型煤柱的穩(wěn)定性。同時(shí)基于彈性地基梁理論和統(tǒng)一強(qiáng)度理論,結(jié)合燃空區(qū)圍巖的高溫效應(yīng),推導(dǎo)了在高溫及煤柱支撐共同作用下燃空區(qū)頂板的極限垮距以及無井式地下氣化隔離煤柱塑性區(qū)和彈性區(qū)寬度的計(jì)算公式,在此基礎(chǔ)上提出了高溫-地應(yīng)力耦合作用下無井式地下氣化爐和隔離煤柱寬度設(shè)計(jì)方法,為無井式地下氣化設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供理論及科學(xué)依據(jù)。通過理論分析方法建立了“雙曲線”型煤柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法,并采用無井式地下氣化工業(yè)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。(5)相似材料的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著含水率減小呈指數(shù)增加,且不同巖性的相似材料試塊強(qiáng)度與其含水率的關(guān)系不同,即相似材料強(qiáng)度存在時(shí)變特征。且相似材料強(qiáng)度的時(shí)變特征對(duì)采空區(qū)覆巖裂縫帶發(fā)育高度及下沉值均有顯著影響。采用相似材料模擬方法研究無井式地下氣化過程中燃空區(qū)覆巖及地表移動(dòng)規(guī)律時(shí),需考慮及調(diào)控相似材料的強(qiáng)度時(shí)變特征,使得模型中燃空區(qū)圍巖的強(qiáng)度變化規(guī)律盡可能與實(shí)際情況符合相似比�？赏ㄟ^定期采樣這一傳統(tǒng)的方法監(jiān)測相似材料的含水率,進(jìn)而監(jiān)測相似材料模型的強(qiáng)度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相似材料模型強(qiáng)度的調(diào)控。模擬結(jié)果表明,烏蘭察布礦無井式煤炭地下氣化工業(yè)性實(shí)驗(yàn)區(qū)覆巖頂板未垮落、隔離煤柱未失穩(wěn)、覆巖整體變形且連續(xù),未出現(xiàn)明顯的垮落帶和裂隙帶;其巖層移動(dòng)形態(tài)與井工開采巖層移動(dòng)形態(tài)相似。(6)建立了無井式帶狀地下氣化地表沉陷預(yù)測方法。采用連續(xù)介質(zhì)理論計(jì)算了頂板-煤柱-底板支撐體系上界面的沉陷盆地,同時(shí)將這個(gè)沉陷盆地虛擬為開采空間,基于三角形剖分方法,采用隨機(jī)介質(zhì)理論計(jì)算上方的地表沉陷,建立了基于連續(xù)-隨機(jī)介質(zhì)理論的帶狀地下氣化地表沉陷預(yù)計(jì)方法。將該方法應(yīng)用于烏蘭察布礦無井式地下氣化工業(yè)性實(shí)驗(yàn)場,預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果接近,隨著氣化范圍增大,該方法的地表沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果將更為準(zhǔn)確。為了更加方便、準(zhǔn)確、快捷的預(yù)測帶狀地下氣化地表沉陷,根據(jù)無井式地下氣化的特點(diǎn),建立了基于“真實(shí)采厚”的帶狀地下氣化地表沉陷預(yù)計(jì)方法�！罢鎸�(shí)采厚”為煤層厚度減去灰分厚度。數(shù)值模擬結(jié)果表明:當(dāng)留設(shè)隔離煤柱穩(wěn)定且采出率介于35%和70%之間時(shí),帶狀地下氣化的地表沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)可參考相應(yīng)常規(guī)條帶開采的預(yù)計(jì)參數(shù)取定;不同煤種類地下氣化對(duì)地表下沉系數(shù)和水平移動(dòng)系數(shù)影響不顯著,對(duì)地表主要影響角正切有顯著影響,隨著氣化的煤由無粘結(jié)性煤轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)粘結(jié)性煤時(shí),主要影響角正切增加0.1~0.6。
[Abstract]:In order to ensure the change rule of the surrounding rock in the air - burning zone , the influence of the temperature field on the coal wall and the bottom plate in the gas - burning zone is not more than 16.7m , and the influence of the temperature field on the coal wall and the bottom plate of the gas - fired zone is not more than 8.7m . Based on the theory of elastic foundation beam theory and unified strength theory , the paper presents a method for evaluating the stability of similar material .

【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD841
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本文編號(hào)：1399568