煤炭地下氣化燃空區覆岩裂隙演化及破斷規律研究

《煤炭地下氣化燃空區覆岩裂隙演化及破斷規律研究》是依託中國礦業大學，由唐芙蓉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：煤炭地下氣化燃空區覆岩裂隙演化及破斷規律研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：唐芙蓉
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

煤炭地下氣化集採煤、轉化工藝為一體，實現煤炭清潔開採，被廣泛認為是目前開發清潔能源與化工原料最有前景的一項技術。有效控制煤炭地下氣化空間(燃空區)擴展及覆岩頂板垮落是實現連續、穩定、安全產氣的技術關鍵，也是防止煤氣漏失、突水和控制地表沉陷等地下氣化環境問題的理論與技術的關鍵。本項研究綜合運用現代力學理論、先進的實驗技術、數值模擬和相似物理模擬等手段，對煤炭地下氣化過程中燃空區覆岩的變形、裂隙演化及破斷規律進行系統研究，包括：溫度與地應力耦合作用下燃空區覆岩的物理力學性能、損傷演化規律及本構方程等；燃空區覆岩應力場與溫度場的時空分布特徵及耦合作用機理；溫度場與地應力場耦合作用下燃空區覆岩的變形運動、裂隙發育及演化規律；燃空區覆岩結構的破斷及冒落規律等；煤炭地下氣化過程中燃空區形態及其發展變化特徵及控制機理等。研究成果可為煤炭地下氣化技術的有效實施與覆岩控制提供重要的理論基礎與技術指導。

結題摘要

本項目以國內某煤炭地下氣化現場的工程地質條件為背景，綜合採用物理相似模擬、數值模擬、理論分析以及現場實測相結合的研究手段和方法，對溫度與應力共同作用下的燃空區覆岩變形、破壞以及裂隙擴展規律等進行了深入、系統地研究，取得了如下創新性成果： (1) 進行了實時高溫下(常溫~800℃)不同岩性(包括泥岩、砂質泥岩、粉砂岩、細砂岩等)岩石試樣的熱物理性質和力學性質的實驗室試驗，獲得了岩石比熱容、導熱係數、彈性模量以及抗壓強度等參數隨溫度的演化規律，為研究溫度場和應力場共同作用下燃空區覆岩裂隙演化及破斷規律提供了基礎試驗數據。 (2) 以國內某煤炭地下氣化現場的具體工程地質條件為原型，採用相似材料模擬試驗手段對煤炭地下氣化過程中燃空區擴展過程進行了物理模擬研究，獲得了溫度場和應力場影響下的燃空區覆岩破斷、冒落形態及高度、裂隙擴展演化等規律，為煤炭地下氣化現場工程設計提供了重要的指導依據。 (3) 基於實驗室試驗獲得的岩石熱物理和力學性質的參數，建立了高溫下岩石熱傳導控制方程以及岩石損傷本構方程，並將其嵌入到RFPA以及COMSOL軟體中，對溫度和應力耦合作用下的燃空區擴展過程進行了數值模擬，深入研究了燃空區擴展過程中覆岩溫度、應力的分布規律及覆岩破斷和裂隙擴展演化規律。 (4) 在傳統的岩層控制關鍵層理論的基礎上，進一步藉助熱力學理論和彈性力學理論，建立了溫度與應力共同作用下的燃空區覆岩關鍵層力學模型，從理論上研究了燃空區覆岩關鍵層的位置、初次破斷及周期破斷演化規律。 本項目的研究成果對於指導煤炭地下氣化燃空區覆岩穩定性控制具有重要的理論與工程意義。