文摘
基于热力学和弹性动态理论,温度应力的控制方程耦合作用对岩石包含随机损伤单元建立了结合Mogi-Coulomb破坏准则。和数值计算模型建立了温度应力耦合条件下燃烧腔扩张通过使用有限元分析二次开发项目。断裂场进化法研究了在气化腔的扩张在两个条件:垂直于(条件1)以及中间主应力(条件2)。发现条件下1,气化腔逐渐形成小断裂,而围岩的地板气化腔产生广泛领域的等效损伤条件下2,这对实际工程不宜。条件1部署方案是更实用的破裂程度和随后的气化过程。气化腔显然是受到水平应力的影响。当水平应力很小,围岩的稳定性是严重损坏。需要充分考虑地应力的影响在气化腔的布局;同时,措施被添加到流程减少围岩的破裂的程度。温度场的演变规律和破裂场周围的压力在燃烧腔皮江法的煤炭的整个过程。地上破裂区发展逐渐进步的燃烧腔的工作面,更深层次的破裂区出现在几个领域,需要特别注意的工程。
1。介绍
地下煤炭气化(煤炭)是一种新的环保开采法(1),这可以通过控制燃烧煤炭产生可燃气体混合物的作用下原位地下的一系列化学反应(2]。采矿方法,集成了建筑、矿业、气化,绿色矿业和清洁利用的特点(3]。煤炭的过程中,关键技术是如何有效评估和控制围岩的稳定燃烧区(4]。
周围的岩石温度燃烧腔由超声心动图高达700 ~ 1000°(5]。在高温的作用下(6],燃烧腔区的围岩产生大量微裂隙边界的矿物颗粒由于热膨胀7),严重影响其稳定性(8]。相关研究在高温下岩石断裂破坏的演变也由学者如孟et al。9)、风扇等。10,丁等。11]。因此,如何有效地控制气化腔的稳定性是一个关键的技术在煤炭的过程中(12]。
从本质上讲,围岩的破坏引起的煤矿是一个时空演化过程(13]。的高温原位应力下煤层气化,燃烧腔周围的围岩将形成一个断裂带[14]。一旦破裂区连接到地下含水层,水渗透事故将被触发。同时,气化腔的气体可能泄漏或溢出,污染环境(15),这将导致气化腔不能正常生产,甚至造成生产停产事故(16]。此外,更严重的是破裂区和地下蓄水层之间的连接可能会导致大量的地下水渗漏,这将对地下水资源造成很大伤害17]。
煤炭地下气化技术的燃烧腔由技术通常是在一个三向应力状态(18),与燃烧腔面积的扩张,围岩的结构性平衡被打破(19),导致围岩应力场的重新分配(20.]。燃烧腔通常是在真三轴应力状态,其稳定性密切相关的三维应力环境。尤其是气化腔的布局将决定长期运行稳定性在随后的气化过程。的高温下煤层燃烧和三维地应力,燃烧腔的上覆岩石将形成断裂带[21]。当上覆岩石的破裂带与含水的层的上部煤层(22),它会导致屋顶漏水的事故(23]。同时,气化腔的气体可能泄漏或溢出的地面,这可能阻止气化腔的正常运行,甚至造成停产(24]。
此外,该研究小组发现,岩石破裂特征(25]真正的三轴应力环境下非常不同于那些传统三轴(26]。因此,燃烧腔的破裂演化特征的影响下不同的应力进行了分析,结合三维地应力状态特征(27]。具有重要意义,揭示了燃烧腔破裂机制的共同作用下高温和三维应力场。与此同时,重要的是要提出一个合理的气化腔布局和建设方案28]。
针对这一点,岩石温度应力耦合控制方程(29日)行动是建立在这个手稿基于热力学和弹性动态理论(30.]。燃烧腔扩张的数值计算模型建立了温度应力耦合条件下通过使用有限元分析二次开发项目。断裂领域的法律进化研究了燃烧腔的扩张期间,不同的应力场的影响气化腔的稳定性进行了分析,并提出了合理的施工方案。
2。超声心动图数值模拟
一个几何三维模型(图1)是在有限元分析中创建代表泪滴形的特征(31日)的单一燃烧点条件下燃烧腔32]。Prabu和/33和杨et al。14)发现,气化腔燃烧后形成大致泪滴形;所以,此功能将用于气化腔在这项研究中。泪滴形燃烧腔是由半球体(简化的半径 )半椭球(短轴 ,长轴 )。根据焊缝的高度关系,限制高度燃烧腔的完全燃烧的煤层厚度(15米)。
(一)
(b)
数值计算模型使用一个矩形的 ,这是简化为三个岩层:屋顶层,煤岩层和地板层(图1(一))。模型的边界条件设置如下:底部表面被垂直位移约束;模型的上覆岩层层的高度是550米,这是加载到模型的上边界的形式均布荷载的大小15 MPa ( );最大和最小水平应力是12 MPa和7 MPa,分别。设计两个燃烧腔工作条件:条件1,与水平垂直燃烧方向;条件2,沿水平方向燃烧。每个岩层在燃烧前的初始温度是30°C。燃烧空腔表面的温度(表示气化表面)提高到1000°C后气化的开始。
等自然岩石含有大量microdefects随机分布的裂隙内(34]。岩石断裂演化的数值模型包含随机损伤分布开发使用二次开发子例程USDFLD [35]。损伤单元的总比例 ,与基本力学参数约1/2的完整的单元(36]。此外,考虑温度的影响,根据弹性理论,固体平衡微分方程可以通过位移表示的就是37]
在哪里位移分量,组件是身体力量,线性热膨胀系数的岩石,是温度场,它是由热传导控制方程,和岩石损伤剪切模量和体积弹性模量,然后呢泊松比。
根据热平衡原理,假设比热和热导率岩石是常数,不随温度改变。岩石热传导的微分方程控制可以表示为(38]
的公式,岩石的密度,和的比热容和热导率是岩石,然后呢是岩石的内部热源。
图2显示了数值计算过程。自从Mogi-Coulomb强度准则(39)更适合真正的三轴地应力环境(40),强度准则用于确定元素是否损坏(41]。岩石的刚度退化失效单元处理,及其刚度是最初的初始刚度的1/10 (42]。为了便于计算,均质岩层。各岩层的物理力学参数在模型如表所示1。
图3显示,围岩的破裂特征的两个工作条件下的气化室。断裂带特征是相似的在这两个条件,和骨折圆附近逐渐形成的表面气化腔。此外,由于气化腔拱形结构的屋顶,围岩的破裂带两边变化,导致一个相对较小的断裂带。比较这两个工作条件,它可以发现破裂区略大的条件2 (沿水平方向燃烧)比在条件1。
(一)
(b)
由于计算模型使用Mogi-Coulomb强度标准,其计算公式(43)是
其中,等效效应的大小有一个重要的指向意义的破裂趋势判断单元;所以,相当于效应力是用来量化的破裂趋势气化腔,如图4。等价的力越大,破裂的趋势越明显,相当于力越高(超过10 MPa)被定义为等效损伤场。
(一)
(b)
虽然几乎没有差异的范围下的破裂区两个工作条件,它可以通过比较发现两个工作条件:条件1,附近的围岩表面气化腔逐渐断裂循环形式,其形状特征大致类似的断裂带,表明围岩的破坏特征可以更好地量化利用等价的力量。此外,““破坏场成立于两个拱形的肩膀和两个底部的角落气化腔,构成潜在风险对气化过程的延续。
的围岩条件2,气化腔产生广泛的等效损伤区域,特别是周围的岩石在地板上,与远场破坏区域逐渐聚集形成底部边界,形成一个巨大的损害渗透区。这是不利的对实际工程。曾经有一个含水层底部的地板上,这将导致破坏字段连接到含水层,导致大量的输水破裂区,这将导致在地板渗水事故。工程可以避免通过减少燃烧腔的高度,燃烧腔的长度方向,增加了保护煤柱,和其他方法来避免涌水事故的发生在底部板(44]。
3所示。水平燃烧腔的横向断裂特征
一个燃烧,燃烧腔大约是泪滴形的水平面。由于煤层在水平方向上没有边界,燃烧腔沿着水平方向扩大,直到设计燃烧腔宽度,最终形成一个泪滴形燃烧腔。为了更清晰地应力场的影响方向的破裂特征燃烧腔,建立水平截面燃烧腔模型(图5)。比较燃烧腔的破裂演化过程在两个工作条件下,它可以被发现在以下:
(一)
(b)
在条件1,破裂区域不对称地分布在前方和后方的气化室由于这一事实方向垂直于水平燃烧和燃烧腔的非对称圆形边界。随着气化过程的进行,破裂区逐渐扩大。自气化腔将继续撤退的轴向气化通道达到燃烧边界后,操作条件可以被视为一个先进的预裂围岩的气化腔的下一个阶段。只要双方的煤层的裂缝范围是有效控制,围岩的稳定需求的气化腔可以满足。
条件2,对称分布是由于断裂区沿水平方向燃烧,主要集中在双方的气化腔(煤层)。尽管破裂区略有降低的程度在这个条件相比,条件,断裂的程度的前后两端气化腔非常小。基本上没有影响气化过程的下一阶段,这是一个浪费从能源利用的角度。当然,更有利一些项目使用单独的气化室方案(回收率较低)。
4所示。断裂特征的气化腔轴向垂直的部分
为了分析不同应力状态的影响的断裂特征的轴向和垂直部分气化腔,水平侧压力对气化的影响腔进行了研究,并垂直计算模型如图6成立。边界条件基本上是相同的,这些图1,15 MPa和不同垂直压力是恒定的水平应力大小(8、10、12 MPa)主要是改变。气化腔的基本维度,每个岩层的物理力学参数与表相一致1。
图7显示了不同水平应力对断裂的影响区气化腔。当水平应力很小,一个广泛的破裂区附近出现屋顶燃烧腔和两个底部的角落。围岩的稳定造成了严重的伤害,这将有一个非常负面影响气化后的继续推进。与水平应力的增加,这种现象减轻,特别是在水平应力达到12 MPa,附近的围岩破裂区燃烧腔是大大减少。结果表明,地应力的影响气化室时需要充分考虑安排。当水平应力明显低于垂直压力,会出现一个大型断裂带附近的围岩气化腔;所以,在这个过程中需要特别注意。
(一)
(b)
(c)
基于上述分析结果,工况2的应力分布特征是用来模拟更实际的发展模式煤炭地下气化腔在整个生产过程中。在数值模拟设计,气化腔发展分为两个阶段根据热弹性instantonal方程和温度场控制方程(图2)。在阶段1中,气化腔很小的规模和扩大沿宽度和高度方向等距煤层气化腔的顶部直到发展到屋顶的煤层(1 m / d)。高温气化表面逐渐转移到下游气化腔的腔壁。在阶段2中,气化工作面先进水平和统一以恒定速率(1 m / d),与一个常数气化室的高度。
5。围岩的特点,在整个生产过程中温度和破裂场煤炭地下气化技术的技术
基于上述分析结果,条件2的应力分布特征用于更多真正模拟的发展规律的煤炭地下气化室在整个生产过程。在数值模拟设计,气化腔发展分为两个阶段根据热弹性instantonal方程和温度场控制方程(图8)。在阶段1中,气化腔很小的规模和扩大沿宽度和高度方向等距煤层气化腔的顶部直到发展到屋顶的煤层(1 m / d)。高温气化表面逐渐转移到下游气化腔的腔壁。在阶段2中,气化工作面先进水平和统一以恒定速率(1 m / d),与一个常数气化室的高度。
图9显示了周围的温度场分布的特征在煤层燃烧的燃烧腔。在阶段1中,燃烧腔的空间很小,和温度对煤表面的墙和屋顶和地板上基本上是一样的,大概在950°C。燃烧的煤壁,燃烧腔进入第二阶段,进步到左边,与空间逐渐增加。燃烧煤壁表面的温度基本上仍在950°C在这个过程中,和下游的气化腔壁的温度逐渐降低,当长度是68米,下游地板表面的温度已经降低到350°C。
图10显示温度的变化模式的围岩在不同深度的地板上煤层煤炭地下气化技术的技术过程。地板的表面温度从燃烧腔上游基本上是大约950°C,更剧烈的温度变化。与煤层的垂直距离的增加,岩石缝的温度迅速降低。例如,围岩约为1.5 m远离地板表面,逐步的温度场变化,最大的峰值温度大约一半的地板表面。围岩的温度场从地板表面几乎没有影响,3 m和峰值温度只有210°C。
(一)
(b)
图11显示的故障特征的进化围岩燃烧腔的煤炭地下气化技术在整个技术过程。在阶段1中,燃烧腔的屋顶,以及两个底部角落产生广泛的破裂区,特别是底板的破坏更加明显。之后,随着气化过程的继续,它进入了第二阶段。更深一层的破裂区附近出现的初始右侧拱气化腔,这是容易屋顶倒塌。地板的破裂带是逐步发展的进步燃烧腔工作面,更深层次的破裂区出现在几个领域,需要特别关注的工程,以避免进一步增加破裂区离开煤柱和其他意味着如果必要的。
6。结论
(1)基于热力学和弹性动态理论,温度应力的控制方程耦合作用对岩石包含随机损伤单元建立了结合Mogi-Coulomb破坏准则。和数值计算模型建立了温度应力耦合条件下燃烧腔扩张通过使用有限元分析二次开发项目(2)断裂场进化法研究了在气化腔的扩张在两个条件:垂直于(条件1)以及中间主应力(条件2)。发现条件下1,附近的围岩表面气化腔逐渐形成小断裂圆和一个““伤害类型字段出现;的围岩条件下2楼的气化腔产生广泛的等效损伤区域,这对实际工程不宜(3)的破裂特征的水平部分气化室两个工作条件下进行了比较。发现断裂的区域条件1是不对称分布的前和结束气化腔附近。条件2,骨折区域对称分布,主要集中在水平的气化腔。条件1部署方案是更实用的破裂程度和随后的气化过程(4)气化腔显然是受到水平应力的影响。当水平应力很小,围岩的稳定性是严重损坏;与水平应力的增加,围岩破裂范围的面积大大减少。需要充分考虑地应力的影响在气化腔的布局;同时,措施被添加到流程减少围岩的破裂的程度(5)温度场的演变规律和破裂场周围的压力在燃烧腔皮江法的煤炭的整个过程。上游气化腔的温度显示了一个增加的趋势,和下游温度逐渐降低。附近的一个深腔出现破裂的初始库右侧气化腔,这是容易屋顶倒塌。地上破裂区发展逐渐进步的燃烧腔的工作面,更深层次的破裂区出现在几个领域,需要特别注意的工程
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
我们感激地承认江苏省自然科学基金提供的支持,中国(批准号BK20200628)、中国博士后科学基金资助项目(批准号2020 m671649),中央大学和基础研究基金(批准号2020 qn42)。