煤炭地下气化酚污染迁移数值模拟

基于我国西部某煤炭地下气化试验,以气化特征污染物之一--挥发酚为例,建立地下水流运动和污染物迁移数学模型,对气化炉闭炉后的污染物迁移规律进行了数值模拟。结果表明： 20 a 预测期内,挥发酚具有极弱的向煤层隔水顶板上覆咸水含水层的迁移倾向,水动力弥散是其迁移的主要方式;煤层内部挥发酚的迁移只发生在燃空区附近,在气化后20 a,污染晕为以燃空区为中心的椭圆形,长轴方向大约500 m,短轴方向大约300 m,煤层的低渗透性、水力坡度小和介质的吸附作用是阻碍挥发酚在煤层内扩展的主要原因;煤层与含水层之间的水头差、燃空区上下方隔水层的破坏程度和范围以及水动力弥散作用是含水层污染评价的关键因素。地下水污染风险须通过科学选址、气化过程控污、煤层燃空区污染处理等措施进行综合防治。     

煤炭地下气化选址决策及地下水污染防控

为了解煤炭地下气化污染过程并对其实现最终控制,介绍了煤炭地下气化的选址决策依据,分析了煤炭地下气化过程地下水污染的途径及特征污染物,并提出了地下水污染防控的主要措施.地下气化科学选址是地下气化过程稳定控制及污染防控的重要基础,在选址决策中需要评价的因素包括煤田储量、煤层条件、地质构造、水文地质条件等.地下水污染风险来自于气化过程中污染物随煤气的逸散,以及气化后污染物随地下水运移而发生的渗透迁移.有机污染物主要包括酚类、苯、少量的多环芳烃及杂环化合物;无机污染物则主要包括各种有害元素.煤层和围岩的吸附作用限制了污染物的迁移,地下水污染防控的措施包括:识别永久不适合地下水区域,控制气化时的操作压力,设置地下水屏障,将煤层污水抽提至地面净化处理,也可以进行原位污染修复.     

煤炭地下气化气化工作面径向扩展探测研究

地球物理方法可以实现燃空区的间接探测,而钻孔探测可以更直接地获得燃空区样品,深入了解地下气化工况及燃空区形貌。依托煤炭地下气化现场试验工程,采用直接钻孔探测及取样,对获取的煤、岩、焦、渣样品进行了元素分析及灰分分析,采用XRD,SEM-EDS对其矿物质组成进行了表征。研究结果表明,高活性褐煤煤层空气气化,气化面的径向扩展宽度小于17 m。在沿主气化通道径向扩展4 m附近,煤层经历了高温气化反应并伴随高温特征矿物质的生成,气化后煤层残炭约为10%,煤层的气化引起了上覆盖岩层的松动与坍塌;距离气化通道径向扩展17 m位置,接近气化传热的边缘,只有上部煤层受到热的影响,煤层顶板未发生变形;在此基础上绘制了燃空区综合形貌图。     

煤炭地下气化温度场动态扩展对顶板热应力场及稳定性的影响

为探索煤炭地下气化过程中煤层温度场扩展对顶板应力的热影响,利用相似材料制作大尺度顶板模拟内蒙古乌兰察布褐煤层顶板泥质软岩,对煤层温度场动态扩展条件下,顶板应力场扩展过程及顶板稳定性进行实验研究。结果表明,在模型实验中,顶板热应力的最大值可达1.5 MPa。在氧化区培育阶段和气化阶段,煤层温度场沿通道轴向平均扩展速率分别为0.018,0.028 9 m/h,顶板热应力场沿通道轴向扩展速率分别为0.015和0.027 m/h。氧化区培育阶段煤层温度场扩展主方向与裂隙方向一致,煤层温度场动态扩展与顶板热弥散的双重作用使顶板应力场的扩展速率逐渐趋近于煤层温度场扩展速率。同时,泥岩顶板受高温影响在垂直气化通道方向形成稳定的拱形结构,可维持顶板在垂直气化通道方向的区域稳定。     

基于导水裂缝带的地下水动态模拟及预测

为研究煤炭地下气化过程中形成的导水裂缝带对地下水流场的影响,以FLAC 3D模型模拟导水裂缝带发育结果为基础,利用Visual Modflow构建分时段气化区地下水流数值模型来模拟气化过程中地下水渗流场的变化特征,并预测矿井涌水量。结果表明:上含水系统地下水渗流场特征在点火之后至燃烧结束变化不甚明显,气化过程未对上含水系统产生影响;顶板隔水层被导通的初始阶段,导通区域会形成明显的"反降落漏斗",导通沟通了气化层与顶板含水层之间的水力联系,随着时间的推移形成与顶板含水层相似的地下水渗流场特征。三维数值模拟法预测矿井涌水量为164m~3/d,可以作为矿井排水方案的设计依据。     

煤炭地下气化地质选址原则与案例评价

21世纪以来,煤炭地下气化技术水平快速发展,以煤层水平井和移动注气技术应用为基础的现代煤炭地下气化技术日益成熟,具备了产业化示范的技术基础。煤炭地下气化的技术流程包括气化炉选址、气化炉建炉、气化炉点火、气化过程测量与控制、地下水污染防治与控制、气化炉闭炉,而地质选址是煤炭地下气化项目规划、规模化稳定生产及地下水污染防治的保障条件和先决条件。首先概述了煤炭地下气化的3种主要技术路线。依据现代煤炭地下气化技术路线,提出了地质选址评价的基本原则。地质选址需从煤炭储量、煤层条件、地质构造、水文地质条件、顶底岩层稳定性、煤种、煤质等多个角度,围绕气化炉建设、稳定气化和环境影响进行全面评价。在此基础上,以内蒙古哈日高毕矿区为例,进行了煤炭地下气化地质选址案例分析。基于三维地震解释成果和波阻抗反演数据体,研究了目的煤层的空间展布及断层发育特征。通过对拟声波反演结果进行分析,获得了目的煤层顶底板岩性的分布特征。基于地震属性和视电阻率测井曲线,采用多属性神经网络反演对目的煤层及顶底板的富水性进行了研究。基于蚂蚁体属性技术对目标层段的裂隙发育特征进行了分析。最后,从煤层展布及构造特征、岩性分布特征、富水情况、裂隙发育规律方面对案例研究区进行了地质选址综合评价,以此作为科学选址的决策依据。     

深部煤炭原位气化开采关键技术及发展前景

我国深部煤炭资源储量丰富。煤炭地下气化可将其转化为燃气输出到地面,是深部煤炭原位流态化开采的重要途径。本文介绍了煤炭地下气化技术(UCG)的发展历程、技术现状以及中深部煤炭地下气化典型案例,基于现代煤炭地下气化技术体系剖析了深部煤炭地下气化的关键技术及技术攻关方向,展望了以天然气生产为目标的深部煤炭气化开采前景。UCG的发展呈现由矿井式向钻井式、由浅部煤层向深部煤层、由单一发电向综合利用的趋势;中深部煤炭地下气化的实践验证了深部煤炭地下气化的技术可行性。深部煤炭地下气化的关键技术主要包括地质评价和科学选址、气化炉构建技术、深部煤层高压点火技术、可控移动注入技术和深部火区地球物理探测技术。深部煤炭气化开采生产天然气,不仅可实现深部煤炭资源的清洁高效利用,还有望解决天然气消费的供需矛盾。     

贫瘦煤地下气化模型试验研究

为探索煤炭地下气化技术对贫瘦煤的适用性,在地下煤层模型试验平台上研究了贫瘦煤层的气化特性。结果表明:贫瘦煤层在空气气化下的煤气热值能达到3 404 MJ/m3,优于地下褐煤空气气化所生成煤气的热值;贫瘦煤层在富氧水蒸气气化下,煤气的有效组分和热值随气化剂中氧浓度的增加而增加,氧气体积分数在40%~50%时产生的煤气比较适合用于燃气发电;污染物分析说明煤气冷凝水中部分污染物含量超标。通过对燃空区三维形状及模拟煤层顶板的分析,发现燃空区沿气化通道稳步推进,横向扩展宽度自点火点处的0.86 m缩小至终点的0.43 m;模拟煤层的表土下沉量约占总厚度的6.5%,下沉面积约占煤层总表面积的6.1%左右。     

煤炭地下气化模型试验研究现状与发展

为探索模型试验在煤炭地下气化研究中的作用,阐述了煤炭地下气化模型试验气化炉的结构特征、燃空区扩展规律及气化工艺.研究结果表明,模型气化炉虽不能完全模拟地下煤层赋存条件,但可在煤层和岩层中设置温度、压力、组分和应力等测点,获得现场难以测得的温度场、压力场、浓度场和应力场等物理场;可对不同赋存条件下煤层的燃空区扩展形状及规律展开直观研究;气化工艺模型试验不仅可获得与现场试验相同的工艺参数,也可开展煤炭地下气化过程中污染物析出与迁移规律的研究,并用于现场生产.最后,提出了模型试验的发展方向.     

煤层小构造理论在煤炭地下气化中的应用

煤炭地下气化过程中,保证气化通道的畅通至关重要。但是,随着气化通道的扩展,堵塞问题日益加剧,已严重影响到了整个气化炉的正常运行。通过实例分析,运用煤层小构造理论解决炉孔堵塞问题,证实了煤层小构造理论在煤炭地下气化中应用的正确性及可行性。     

基于非稳态渗流传递的煤炭地下气化数值模拟

为了解煤炭地下气化的发展过程及影响因素,以平面二维地下气化区为模拟对象,研究了水平煤层地下气化过程中渗流传热传质与燃烧气化反应耦合过程的特征,建立多孔介质非稳态渗流传递与化学反应相互作用的二维数学模型。研究了煤焦在不同供氧条件下,火焰工作面移动速度、燃烧区与气化区温度场、产物浓度分布规律及瞬态变化趋势。模拟结果表明,煤燃烧气化反应主要发生在沿渗流气化通道的热渗透作用区域,随着气化过程的进行,气化工作面不断向气化区出口方向推移;在摩尔分数为0.15,0.20,0.33供氧量、富氧-水蒸气工艺条件下,火焰工作面的移动速度分别为0.125,0.174,0.274 m/h;氧化区、还原区在二维温度场中存在清晰的热分界线,随时间的推移,其面积比从0.5增大到2.5,最后还原区的范围逐步扩展到出口;提高供气中氧气浓度,热渗透作用区域内的温度相应升高,煤粒燃烧气化反应期缩短,煤气中H2和CO含量增加;模型计算结果与模型实验数据具有较好的一致性。     

复合型灾害矿井特厚煤层工作面注水效果分析

千秋煤矿21141工作面是典型的特厚煤层综放工作面,该工作面存在严重的冲击危险性,并且煤层极易自燃。介绍特厚煤层条件下采用的双向长钻孔注水法、煤壁浅孔注水法、两巷钻场注水法、顶板高位钻场注水法和防火工程静压注水法,并根据现场实测,煤层注水对冲击地压防治、降尘、防灭火、瓦斯抽放等灾害起到了综合防治作用,实现了"一措多用"的目的。     

基于计算机模拟的煤炭地下气化场覆岩运动规律分析

顶板控制和覆岩破裂规律研究是井下开采支护的理论基础。以张家口蔚州煤矿地下气化场煤层为研究对象,利用计算机仿真技术模拟了"三带"发育、覆岩结构规律、围岩剪应力分布、煤层支撑压力分布、燃空区厚岩层载荷分布以及覆岩垂直位移变化规律。该研究为煤矿井下气化场煤层覆岩支护措施的设计提供了参考。     

煤炭地下气化炉顶板结构模型及其对气化过程的影响

从煤层顶板岩性及气化空间高温对顶板岩性的影响和燃空区处理角度,分析了煤炭地下气化空间的形成与扩展,提出了倾斜、缓倾斜和近水平煤层气化空间顶板结构模型,并分析了气化空间顶板结构对气化过程的影响。     

综放工作面钻孔断顶沿空留巷技术应用研究

为解决煤与瓦斯突出矿井巷道掘进工程量大、采掘接替困难的问题,对工作面煤岩力学参数进行实验室测试。工作面煤层直接顶强度小、厚度大,采用钻孔断顶沿空留巷技术对切顶留巷支护技术参数进行设计,留巷在原支护的基础上将顶板锚索布置改为3排矩形布置,并在巷道上帮搭设柱腿防止窜矸。经数值模拟及现场观测可知,巷道的顶板平均下沉量为90 mm,锚网索+巷旁支护的措施可以控制留巷的围岩变形,满足留巷需要。