本文關鍵詞：無井式煤炭地下氣化巖層移動機理與控制研究　出處：《中國礦業(yè)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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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,真正實現(xiàn)綠色開采,又能為我國經濟發(fā)展提供寶貴的清潔油氣能源與化工原料,同時還可以用于回收井工難以開采或開采經濟差的“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)境保護的需要也是煤炭行業(yè)未來發(fā)展的重要技術方向之一,同時滿足煤炭行業(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、力學實驗、現(xiàn)場實測及相似材料模擬相結合的研究方法,對無井式地下燃空區(qū)圍巖的高溫效應、燃空區(qū)圍巖及地表移動與變形規(guī)律、氣化爐和隔離煤柱寬度設計方法以及無井式煤炭地下氣化地表沉陷預測方法等問題進行了系統(tǒng)的研究,主要取得如下成果:(1)無井式地下燃空區(qū)溫度場對上覆巖層、燃空區(qū)兩側煤壁、底板等力學性質的影響范圍是有限的。根據烏蘭察布工業(yè)性實驗現(xiàn)場資料分析,燃空區(qū)溫度場對上覆巖層的影響高度不超過16.7m,對燃空區(qū)兩側煤壁的影響范圍不超過8.7m,對燃空區(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。(2)改進了無井式地下氣化動靜態(tài)數(shù)值模擬和相似材料模擬方法。在研究地表移動極值對不同巖體力學參數(shù)動態(tài)敏感性的基礎上,提出了基于加權反演的數(shù)值模型動態(tài)巖體力學參數(shù)選取方法。為了保證模擬模型中燃空區(qū)圍巖的強度變化規(guī)律與實際情況符合相似原理,研究了相似材料強度的時變特征并提出了其調控方法。(3)無井式地下氣化燃空區(qū)尺寸效應、高溫效應及不同氣化煤種類均會影響燃空區(qū)上覆巖層變形、垂直應力分布、塑性區(qū)的分布以及地表沉陷。數(shù)值模擬結果表明:當?shù)叵職饣伎諈^(qū)寬度為8m、16m、24m時,且隔離煤柱寬度為8m、16m、24m及32m時,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,此時帶狀燃空區(qū)寬度應控制在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。煤柱兩側雙曲線拱高、煤柱寬度、煤柱高度以及高溫效應均會影響“雙曲線”型煤柱的穩(wěn)定性。同時基于彈性地基梁理論和統(tǒng)一強度理論,結合燃空區(qū)圍巖的高溫效應,推導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)寬度的計算公式,在此基礎上提出了高溫-地應力耦合作用下無井式地下氣化爐和隔離煤柱寬度設計方法,為無井式地下氣化設計及安全運行提供理論及科學依據。通過理論分析方法建立了“雙曲線”型煤柱穩(wěn)定性評價方法,并采用無井式地下氣化工業(yè)性實驗驗證了該方法的可行性。(5)相似材料的抗拉強度和抗壓強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度與其含水率的關系不同,即相似材料強度存在時變特征。且相似材料強度的時變特征對采空區(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)覆巖及地表移動規(guī)律時,需考慮及調控相似材料的強度時變特征,使得模型中燃空區(qū)圍巖的強度變化規(guī)律盡可能與實際情況符合相似比。可通過定期采樣這一傳統(tǒng)的方法監(jiān)測相似材料的含水率,進而監(jiān)測相似材料模型的強度,從而實現(xiàn)對相似材料模型強度的調控。模擬結果表明,烏蘭察布礦無井式煤炭地下氣化工業(yè)性實驗區(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;其巖層移動形態(tài)與井工開采巖層移動形態(tài)相似。(6)建立了無井式帶狀地下氣化地表沉陷預測方法。采用連續(xù)介質理論計算了頂板-煤柱-底板支撐體系上界面的沉陷盆地,同時將這個沉陷盆地虛擬為開采空間,基于三角形剖分方法,采用隨機介質理論計算上方的地表沉陷,建立了基于連續(xù)-隨機介質理論的帶狀地下氣化地表沉陷預計方法。將該方法應用于烏蘭察布礦無井式地下氣化工業(yè)性實驗場,預測結果與實測結果接近,隨著氣化范圍增大,該方法的地表沉陷預計結果將更為準確。為了更加方便、準確、快捷的預測帶狀地下氣化地表沉陷,根據無井式地下氣化的特點,建立了基于“真實采厚”的帶狀地下氣化地表沉陷預計方法。“真實采厚”為煤層厚度減去灰分厚度。數(shù)值模擬結果表明:當留設隔離煤柱穩(wěn)定且采出率介于35%和70%之間時,帶狀地下氣化的地表沉陷預計參數(shù)可參考相應常規(guī)條帶開采的預計參數(shù)取定;不同煤種類地下氣化對地表下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)影響不顯著,對地表主要影響角正切有顯著影響,隨著氣化的煤由無粘結性煤轉變?yōu)閺娬辰Y性煤時,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 .

【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD841
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本文編號：1399568