1、第1页煤炭地下气化开采技术基础研究摘要：本文主要论述了一些煤炭地下气化技术进行过程中的一些问题，主要包括开采中的顶板岩层移动特征、半焦孔隙结构的变化规律、覆岩应力场相关问题，进行了一些简单的模型建立和分析，提供了一些工程实例。关键词：地下气化；岩层移动特征；半焦孔隙结构；覆岩应力场1 绪论1.1问题的提出与研究意义煤炭地下气化(UCG)是一种集建井、采煤、气化3大工艺为一体煤炭开采方式，其原理是将位于地下的煤炭进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体，满足民用、发电或化工需求。自20世纪30年代以来，美国、德国、前苏联等主要产煤国均大力投入这一领域的技术研究，储备了一些关键性
2、技术。其中，前苏联是世界上唯一成功的将煤炭地下气化技术工业化应用的国家，120世纪60年代末，共建设了27座气化站。随着石油天然气等优质替代能源的发现和使用，前苏联煤炭地下气化技术的研究与应用已基本停顿。“三次石油危机”爆发以后，煤炭地下气化技术成为应对石油危机的储备技术。美国政府资助的“控制后退气点法”及“急倾斜煤层法”已取得了丰富的经验，美国能源部宣称，一旦再发生能源危机，美国将广泛使用该技术生产中热值煤气。近几年，澳大利亚、南非、美国、印度、朝鲜等国纷纷重新启动了煤炭地下气化技术的研究。煤炭地下气化技术对于发挥我国煤炭资源优势、减少矿难事故、多元化保障能源需求等具有重大的探索意义。我国能
3、源消费结构以煤为主，煤炭占我国化石能源资源总量的90以上，20l0年，我国煤炭消费超过31.4亿吨。探索高效、安全、清洁的煤炭开采利用意义重大。首先，煤炭地下气化技术可以有效地开发利用老矿井遗弃的煤炭资源、井工开采难度较大的深部煤层或者经济性和安全性较差的低品位煤层。据统计，我国拥有褐煤资源约3700L吨；已探明埋藏深度在l000米以下的煤炭资源约29万亿吨；2020年，将有500多处“报废”矿井，粗略预测遗弃资源量在500亿吨以上；其次，该技术实现了地下无人生产，避免了瓦斯、火灾、粉尘、水灾、顶板等矿井事故和人身伤亡；第三，该技术只提取煤种的含能组分，而将灰渣等固体废弃物留在地下，减少了因井
4、工开采和露天开采造成对地表生态环境和大气污染；第四，地下气化煤气不仅可作为燃气直接民用和发电，而且还可为化工产品提供原料，以多元化的煤基产品补充能源供应形式。此外，测控工艺设备研发和产业化发展对于深海资源勘探等领域都有良好的拉动作用。目前我国已建成具有世界先进水平的煤炭地下气化综合模型试验台和测控系统，并开展了相关的理论研究和模型试验研究，获取了褐煤、烟煤及无烟煤地下气化工艺参数。自1984以来，我国先后在江苏徐州、河北唐山、山东新汶、山西阳泉等矿区进行了有井式煤炭地下气化现场试验和生产，完成了不同煤种、不同煤层厚度(18 m一6 m)、不同煤层倾角(1 5。一7 5。)、不同埋藏深度 (10
5、0-450 m)的现场试验。形成了具有我国自主知识产权的有井式“长通道、大断面、两阶段”煤炭地下气化新工艺，经科研查新，该工艺构思新颖，属国内首创。此外，我国科研单位和企业还联合完成了无井式煤炭地下气化制备空气煤气工业性试验，该技术达到了国际领先水平。煤炭地下气化是一门融多学科为一体的综合性能原生产新技术，属第二代采煤方法。其任务是将煤炭资源原地转化为可燃气体。其基本过程为：从地面或井下施工，将地下煤层构筑成一个封闭的气化炉。煤炭点燃后，经一系列化学反应，生产出以H2，CO2，CH4为主要可燃组分的煤气，输往地面后供人们使用。实现了建井、采煤、气化三大工艺合而一。主要优点是抛弃了常规采煤方法中
6、的庞大而笨重的采煤设备与地面气化设备，具有建井规模大为减小、安全性好、资源利用程度高、投资少、效率高、成本低、见效快、污染相对较少等优点。引起了包括我国在内的世界主要采煤国家的关注。世界上探明可采石油储量预计只可开采到2050年；探明可采天然气储量也将在60年左右枯竭；而煤炭储量则比较丰富，未来世界的能源结构将可能再一次以煤炭为主。然而，煤炭开采与利用过程中，会排放出大量有害气体和导致温室效应的CO2，对环境造成重大影响，不得不迫使各国重新审视煤炭的开采与利用。煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，简称UCG)技术，从根本上改变了煤炭的开采与利用方式，重新定
7、义了“清洁煤”的概念，既提高了煤的开采与利用效率，又克服了煤炭在开采与应用中给环境带来的负面影响。利用这一技术可以保障在对环境不造成较大影响的前提下，将煤炭作为能源主题，满足社会长期的能源需求，引起了全世界的高度关注。在新的时代背景下，煤炭地下气化技术有着更广泛的需求，因此研究煤炭地下气化技术的相关问题也是很有意义的。1.2主要研究内容及研究方法1.2.1研究内容1）煤炭地下气化过程中顶板岩层移动特征的研究;2）煤炭地下气化过程中半焦孔隙结构的变化规律；3）煤炭地下气化过程中覆岩应力场的数值研究；1.2.2研究方法1）理论分析理以及副巷受采动影响变形规律等进行研究。2）数值模拟试验运用数值模拟
8、软件和模型研究，覆岩应力场的数值研究。2理论分析2.1气化采煤原理气化采煤也就是煤炭地下气化技术。煤炭地下气化是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体，集建井、采煤、气化工艺为一体的多学科开发洁净能源与化工原料的新技术，其实质是只提取煤中含能组分，变物理采煤为化学采煤。煤炭地下气化的原理（如图2-1）。首先从地表沿煤层开掘两条倾斜的巷道1和2，然后在煤层中靠下部用一条水平巷道将两条倾斜巷道连接起来，被巷道所包围的整个煤体，就是将要气化的区域，称之为气化盘区，或称地下发生炉。最初，在水平巷道中用可燃物质将煤引燃，并在该巷形成燃煤工作面。这时从鼓风巷道1吹入空气，
9、在燃烧工作面与煤产生一系列的化学反应后，生成的煤气从另一条倾斜的巷道即排气巷道2排出地面。随着煤层的燃烧，燃烧工作面逐渐向上移动，而工作面下方的采空区被烧剩的煤灰和顶板垮落的岩石所充填，但塌落的顶板岩石通常不会完全堵死通道而仍会保留一个不大的空间供气流通过，只需利用鼓风机的风压就可使气流顺利通过通道。图2-1 煤炭地下气化原理1 鼓风巷道；2排气巷道；3灰渣；4燃烧工作面；I氧化带；II还原带；III，IV干馏-干燥带地下气化的基本特征：煤层不发生移动，但气化过程中各气化反应区的位置和燃空区状态时刻都在变化；地下气化进行到一定程度后，对于较薄煤层，气化剂只能在与煤壁接触的单一表面上反应，另外三
10、个表面为顶板，底板及反应完的灰渣和顶板塌陷物，因此没有地面气化炉金属外壳似的密闭层，气体会在空间中扩散；由于气化反应过程和加热过程的不均匀性及加热过程范围扩大，反应过程产生的热量不仅随气流带向出口方向，同时也通过热辐射、对流、传导等过程将热量传至煤层纵向的深部，并沿煤层深度形成温度梯度，煤层温度不同，其所发生的反应也不同。因此在煤层纵深方向上可分为：燃控带，焦化带，干流带，干燥带，煤层自燃带。这种有气流通过的气化工作面被称为气化通道，整个气化通道因反应温度不同，一般分为气化带、还原带和干馏-干燥带三个带。2.1.1气化带在气化通道的起始段长度内，煤中的碳和氢与空气中的氧化合燃烧，生成二氧化碳和
11、水蒸气：C+O2CO2；2H2+O22H2O。在化学反应过程中同时产生大量热能，温度达1200到l 400，致使附近煤层炽热。2.1.2还原带气流沿气化通道继续向前流动，当气流中的氧已基本耗尽而温度仍在800l 000以上时，二氧化碳与赤热的煤相遇，吸热并还原为一氧化碳CO2+C2CO。同时空气中的水蒸气与煤里的碳起反应，生成一氧化碳和氢气以及少量的烷族气体：4C+3H2OCH4+3CO+ H2，这就是还原区。2.1.3干馏-干燥带在还原反应过程中，要吸收一部分热量，因此气流的温度就要逐渐降低到700400，以致还原作用停止。此时燃烧中的碳就不再进行氧化，而只进行干馏，放出许多挥发性的混合气体
12、，有氢气、瓦斯和其他碳氢化合物。这段称为干燥带的干馏部分。在干馏之后是脱水干燥。混合气体此时仍有很高的温度可气化其中的水分，混合气体干燥后，最后可得到：CO2，CO，O2，H2，CH4，H2S和N2的混合气体，其中CO，H2，CH4等是可燃气体，它们的混合物就是煤气。2.2气化采煤相关问题2.2.1顶板岩层移动特征煤炭地下气化过程中，围岩要经受高温作用，如氧化区温度约为2000 ，还原区温度约为l 200，干馏区温度约8001。煤炭地下气化与煤炭传统开采一样，在煤炭转变为气体的过程中，破坏了原有的应力平衡，引起气化炉围岩的应力重新分布。在岩层自重应力场和温度场的共同作用下，随着燃烧空间的形成，
13、燃空区上方的岩体会产生弯曲变形，当燃空面积大到一定程度时，顶板可能发生冒落，如果冒落严重，将影响煤炭地下气化的顺利进行。国内外对煤炭开采过程中，顶板岩层移动特征进行了大量的研究2-4，但是未对煤炭地下气化过程中顶板岩层的移动特征进行研究。2.2.2煤炭地下气化过程中半焦孔隙结构的变化规律煤炭气化过程中，煤的转化要经过干燥、热解以及半焦气化三个阶段，其中热解过程尤为重要，它关系到产品煤气的组成和质量，同时，热解形成半焦孔隙结构等特性也直接影响后续的气化过程。半焦的孔结构反映了半焦一个重要的物理特性，包括一定孔结构下的孔隙率以及多孔介质独特的比表面积，孔隙率和比表面积有一定的联系。本文主要是对选取
14、的三个不同煤化程度的煤样及典型条件下热解半焦样品的比表面积、孔容积及孔径分布进行测试，研究它们的变化规律，对深入了解煤炭地下气化中的热解过程有重要的意义。2.2.3煤炭地下气化过程中覆岩应力场的数值研究现场试验表明，煤炭地下气化存在一些问题：如果气化过程中炉内冒顶严重将导致供风系统中断；随着气化进行炉内顶板悬顶过大，不能保证气化剂与煤体接触而产生气化反应，且生成的煤气可能在炉内二次燃烧等，这些都与煤炭地下气化过程中，煤层覆岩的应力场分布有关。所以，煤炭地下气化过程中，煤层覆岩的应力场分布规律成为研究的核心问题，对煤炭地下气化技术的推广与应用具有十分重要的作用。这些问题对于煤炭地下气化实际利用过
15、程中有很大的影响作用，为此本文在这里进行研究，论述相关研究成果。3.模型建立与分析3.1顶板岩层移动特征3.1.1热传导方程在直角坐标系下，二维热传导的微分方程5为：式中：T为温度；Q为单位体积的热生成率； D为密度；f为比热；t为时间。3.1.2 煤炭地下气化模型的建立3.1.2.1 假定条件为简化计算，假定如下：岩体和煤层为均质各项同性；热源(燃烧的煤层)为恒温；岩体和煤层的质量密度、泊松比、粘聚力等不随温度而变化。3.1.2.2 几何尺寸的确定和网格的划分计算模型选用弹塑性平面应变模型，计算平面沿煤层燃烧(开挖)方向布置，煤层呈水平状态，煤层气化长度(开挖)为200 m，煤层厚度为6 m
16、，煤层顶板上方取100 m，底板下方取60 m。在煤层燃烧(开挖)方向上，在煤层燃烧(开采)区左右两边各取300 m，加上燃烧(开采)区共800 m，其中燃烧(开挖)区范围为x=300500 m，见图3-1。图3-1力边界条件和物理模型模型总体上分六层：煤层、顶板1、顶板2、顶板3和底板1、底板2，厚度和岩性见表3-1。为了更精确地分析煤层顶、底板的变形规律，将煤层顶板1、顶板2、底板1网格划分的比较细，而顶板3，底板2的网格划分的比较稀疏。3.1.2.3 边界条件模型底部取为固定端；模型左右两侧节点的Z方向位移为零，允许有Y方向的位移；由于模型尺寸的限制，不能模拟到地表，所以模型以上的岩层重力以外载
