通道式煤炭地下气化过程特征场演化规律

我国废弃矿井中遗留煤炭资源量约420亿t,废弃矿井煤炭资源井工复采技术难度大，安全性差，在经济上也不合理，因此必须探索新的回收技术，煤炭地下气化技术则是一条可行的技术路线，其可以依托老矿井原有的井筒和巷道建设地下气化炉，利用人工掘进的煤巷作为气化通道，形成通道式气化。煤炭地下气化发生与发展过程实质上是气化反应区特征场（温度场、体积分数场、应力场）的扩展过程，通过地下气化模型试验研究了通道式气化过程特征场的分布与扩展规律，结果表明，在模型试验条件下温度场沿水平通道（横向）和垂直通道（纵向）平均扩展速度分别为0.089 m/h和0.012 m/h,横纵平均速度比为7.42倍，在注气点附近，横向和纵向扩展速度均达到最大值，分别为0.116 m/h和0.118 m/h;通道式气化以壁面燃烧气化为主，当横向扩展速度大于纵向扩展速度的11.4倍以上时，反应过程将失去稳定性；气化区中部（通道）附近气样中的H₂和CO体积分数高于煤层气样中的H₂和CO体积分数，因此通道壁面的还原反应是H₂和CO的主要来源，CH₄体积...     

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。     

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。     

煤炭地下气化气化区上覆岩层温度场演化规律研究

对乌兰察布褐煤进行地下气化实验,研究煤炭气化反应过程中气化区上覆岩层温度场变化,并着重关注通道正上方温度变化。结果表明:煤层与顶板交界面处通道正上方温度基本与煤层温度相同,而通道两侧最终温度仅有300℃左右,但在距交界面40cm处二者温度差别不大;在气化通道正上方,交界面上从进气口到出气口快速升温时间段间隔明显,但在距交界面20cm、40cm处,温度变化规律相似;覆岩层温度在竖直方向的扩散要快于在水平方向的扩散;在接近出气口处,高度方向上存在一定的热弥散作用。     

涌水条件下富氧煤炭地下气化温度场扩展的模型试验

借助模型实验系统进行了一定涌水条件下的富氧空气煤炭地下气化试验,研究了不同氧气浓度下炉内的最大升温速率、燃烧前沿的移动速率、以及量化的三带分布与煤气组分的对应关系。试验结果表明,在一定涌水条件下,富氧浓度在21%～80%的煤炭地下气化,煤层的最大升温速率在3.7～9.0 ℃/min,而且氧气浓度在45%左右时,升温效果较好;燃烧前沿沿气化通道的移动速率在0.07～0.11 m/h之间;温度场的三带分布情况对煤气组分有较大影响;当煤炭地下气化温度场的温度梯度比较小时,煤气的组分比较好。     

基于不同气化通道类型的地下气化煤体破裂监测及扩展规律

在煤炭地下气化过程中，高温产生的热应力会导致煤体不断破裂，可能会导致气体泄漏，因此煤体破裂的实时监测与规律研究对煤炭地下气化系统长期稳定运行具有重要意义。为此，采用声发射(AE)监测手段对不同气化通道类型的模型实验(带底部交叉孔的垂直同轴气化通道、垂直同轴气化通道、V形连接孔气化通道)中的煤体破裂活动进行了监测，并基于监测结果研究了不同操作参数(气化剂组分和流量)以及气化通道类型对煤体破坏活动及气化区扩展的影响，然后采用矩张量分析构建的裂纹分布模型定量分析了气化过程中声发射源处的裂纹类型以及裂纹方向，从而研究煤在气化过程中的损伤和破坏规律。研究结果表明：气化炉整体温度变化与声发射事件有非常强的相关性，在0～750℃内增加会导致声发射事件增多；实验中定位的声发射源可以较为准确的表示煤体破裂位置，通过对声发射源整体分布的监测可以预测气化区的扩展范围，垂直同轴孔模型气化区主要向两侧扩展，而V形连接孔模型的气化区则主要沿气流流动方向扩展；较高的氧体积分数以及气体流量在温度小于氧化区临界温度(900℃)时能显著地促进气化区的扩展；基于矩张量分析构建的裂纹分布模型能有效帮助研究煤炭地下气化过程中煤...     

王峰煤矿3#煤顶板水力压裂裂缝扩展模拟研究

针对王峰煤矿3^#煤层瓦斯含量高、煤层碎软的特点,开展了王峰煤矿顶板定向长钻孔水力压裂裂缝发育规律研究,利用FLAC^3D数值模拟分析了顶板水力压裂裂缝扩展演化特征,讨论了压裂孔直径和压裂压力对裂缝发育的影响规律。研究得出:当压裂压力为5~8 MPa时,裂缝首先在水平方向产生,垂直方向上均未产生裂隙;当压裂压力大于10 MPa时,随着压裂压力的增大,裂缝在竖直方向逐渐延伸,且裂缝宽度沿水平方向逐渐扩展;裂缝延伸方向主要沿最大主应力方向,在最大主应力方向上裂缝扩展的增长速度与压裂压力基本呈正相关。相同压裂压力条件下,压裂孔孔径越大,塑性区扩展长度越大,裂缝扩展越大;当压裂压力大于10 MPa后,垂直方向上的裂缝扩展速率大于水平方向,裂缝沿最大主应力方向扩展速度最快。综合得出,王峰煤矿3^#煤的顶板水力压裂的钻孔直径为φ120 mm,压裂压力为10 MPa,可有效地指导工程实践。     

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。     

和顺无烟煤地下气化模型试验研究

为了获得和顺深部无烟煤地下气化工艺参数,进行了和顺无烟煤地下气化模型试验,研究了煤气有效组分、温度场及顶板应力场的变化规律,结果表明,随着氧气浓度的提高,煤气中有效组分含量、热值、煤气产量与气化剂流量的比、冷煤气效率增加,煤气产率下降;当氧气浓度大于80%时,有效气体含量大于60%,冷煤气效率达到65%以上,80%的氧气浓度是无烟煤地下气化合理的氧气浓度;气化工作面横向和纵向速率扩展速率比为(1.19~1.31)∶1;顶板岩层在通道方向上随气化工作面的推进发生应力集中,应力集中系数为1.2~1.5。     

岩石单向加热热固耦合数值模拟研究

为了研究煤炭地下气化覆岩在热固耦合条件下温度、应力以及塑性区分布演化规律,采用COMSOL软件在单向加热和轴向约束条件下对岩石进行了热固耦合数值模拟,得到了温度场、应力场、位移场以及体积应变和塑性区分布规律。结果表明:轴向不同位置温度随时间呈非线性增加,沿岩石高度方向温度梯度较大,且随时间呈降低趋势;主应力主要分布于岩石轴向下端面及附近圆周区,塑性区主要分布于试件下部1/6高度范围,存在扁平状孤岛塑性区;下端面圆周区出现应力拉伸,径向应变最大,模拟结果有助于从热固耦合的角度研究砂岩石的热损伤破裂特性。     

煤炭地下气化特征污染物迁移行为探测

煤炭地下气化潜在的地下水污染风险,是煤炭地下气化产业化的关键技术及瓶颈技术。采用直接钻探法对我国首个钻孔式地下气化炉进行了燃空区探测,并对不同气化区域的煤、岩、半焦、灰渣样品进行了取样。开展了探测样品的浸出实验,研究了浸出液中特征气化污染物及污染指标挥发酚、氨氮及COD的迁移范围及迁移特征,探讨了污染物的迁移路径。研究结果表明,特征污染物的迁移主要发生在中心气化区内,挥发酚及氨气在煤层顶板内发生了垂直向上的迁移,煤层顶板垮落带及裂隙带是污染物迁移的主要通道。污染物向底板岩层渗透迁移的倾向极低。在气化边界区域,煤层顶板内没有形成污染物迁移通道,未发现污染物向围岩的迁移。气化煤田的科学选址是煤炭地下气化地下水污染防治的重要环节。     

弹性与非线性状态下层状岩石高温热应力场数值对比分析

在考虑层状岩石热力学参数随温度变化以及温度作用下岩石的热弹塑性本构方程的基础下,利用有限元软件ANSYS对煤炭地下气化高温作用下煤层顶底板的温度场和应力场进行了研究,对比了弹性状态和弹塑性状态下的岩石的应力场分布情况。通过对比分析发现,当温度达到300℃以上时,线弹性状态与弹塑性状态下得到热应力之间的误差为30%,1000℃以上误差接近100%。这充分说明在高温情况下不能忽略岩石的非线性特性,否则温度的升高会使地下工程中岩石计算应力与实际情况产生很大差异。     

浅论内蒙古自治区准格尔煤田老三沟井田煤炭地下气化可行性

煤炭地下气化技术是集建井、开采、气化三大工艺为一体的前沿技术,对于提高煤炭资源利用率,降低开采成本等具有先天优势。内蒙古自治区准格尔煤田老三沟井田是国家煤制天然气项目配套煤炭资源开采区,通过从地质资源条件、技术成熟度、经济效益等方面的可行性分析,结果表明老三沟井田运用煤炭地下气化技术是可行的。依据可行性分析结论,提出老三沟井田开展煤炭地下气化示范实验项目初步设想方案,方案涉及实验区优选、工艺技术选择、产品方向及融资渠道分析等方面,为老三沟井田后期规模化煤炭地下气化开发生产提供了有益参考。     

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。     

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...     

地下气化炉前方煤壁周期性非稳态导热研究

研究了煤炭地下气化炉前方煤壁的周期性非稳态导热。在燃烧区沿气化工作面移动的基础上,建立了周期性简谐式波动的气化炉温度场。以此为前提,研究了煤壁的半无限体温度响应及煤壁导热传递,并得出气化炉前方煤壁温度及热流随时间发生周期性非稳态简谐式变化的结论。这为进一步研究煤壁导热对煤炭地下气化过程中气体渗流扩散及煤层干馏分解的影响,提供了必要的理论依据。     

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。