CN106950247B - 一种煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验系统及方法，实验系统包括岩石试件、罐体及支架部分、保温部分、加热和温控部分、温度监测部分、热应力监测部分和声发射监测部分；所述岩石试件尺寸为Φ50×100mm；所述罐体及支架部分包括上部哈氏合金垫块、下部哈氏合金垫块、哈氏合金加热垫块、合金钢罐体、合金钢罐体顶盖、螺旋紧固盘、不锈钢支柱、合金钢底座、合金钢上部托架；所述保温部分包括上部填充隔热保温材料、叶蜡石粉；所述加热和温控部分包括镍铬合金发热片、温度控制器；本发明操作方便，简便有效，可用于岩石试件单向受热的温度分布、热应力分布和声发射特性研究。

Description

一种煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验方法

技术领域

本发明涉及的是一种煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验系统及方法。

背景技术

煤炭地下气化技术(Underground Coal Gasification,UCG)是采用化学开采方法将煤炭在地下原位直接进行燃烧气化产生可燃气体，是一种高碳资源低碳化开发清洁能源新技术，也是资源与环境协调的煤炭绿色开采技术。煤炭地下气化将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，以其产气成本低、安全性高和环境效益好的优点，在世界范围内受到了广泛的重视，前苏联、欧洲、美国、日本、澳大利亚、中国及亚洲多个国家进行了大量的理论研究和工业性试验，该技术在低品质(高硫、高灰)、急倾斜、薄煤层、深部煤层、“三下”压煤以及常规技术经济不可采等残滞留煤的开采利用方面具有广阔的应用前景。

煤炭地下气化是将煤炭在地下原位直接进行燃烧气化，是一种自热式燃烧气化方式，气化炉内火焰工作面采场及周围燃空区的温度将达到1000℃左右，燃空区高温气流通过对流和辐射传热方式烘烤采场覆岩，将使覆岩发生高温烧变。烧变后岩石的物理力学性质将发生很大变化，将对地下气化采场覆岩稳定性和气化炉运行安全性造成一定影响。因此，研究采场覆岩高温条件下温度场分布，以及热损伤破裂特性，对于进一步研究煤炭地下气化采场覆岩热力耦合应力场、位移场分布以及燃控区扩展规律，具有重要的研究价值。

在煤炭地下气化覆岩高温热特性实验室研究中，岩石试件的加热处理方式是研究的关键。煤炭地下气化覆岩处于单向受热状态，覆岩的温度分布、热损伤特性也呈现单向分布的规律。传统的岩石试件加热处理方式是将岩石试件整个放置于加热炉中进行程序升温或者恒温加热，然后再研究试件的热损伤特性，该加热处理方式忽略了煤炭地下气化覆岩的真实受热状态，也无法获取覆岩在单向受热过程中温度场的分布以及热破裂的特性。

因此，在煤炭地下气化覆岩高温热特性实验室研究中，需要一种可模拟覆岩单向受热的实验装置，并进一步研究覆岩在单向受热状态下的温度梯度分布以及热损伤特性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供了一种煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验系统及方法，该技术操作方便，简便有效，可用于岩石试件单向受热的温度分布、热应力分布和声发射特性研究，为进一步研究煤炭地下气化采场覆岩热损伤破裂特性及机理创造良好的条件。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验系统，包括岩石试件、罐体及支架部分、保温部分、加热和温控部分、温度监测部分、热应力监测部分和声发射监测部分；

所述岩石试件尺寸为Φ50×100mm；

所述罐体及支架部分包括上部哈氏合金垫块、下部哈氏合金垫块、哈氏合金加热垫块、合金钢罐体、合金钢罐体顶盖、螺旋紧固盘、不锈钢支柱、合金钢底座、合金钢上部托架；

所述保温部分包括上部填充隔热保温材料、叶蜡石粉；

所述加热和温控部分包括镍铬合金发热片、温度控制器；

所述温度监测部分包括耐高温热电偶、温度采集模块；

所述声发射监测部分包括AE声发射传感器；

所述热应力监测部分包括应力监测模块。

一种煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验方法，步骤如下：

一、确定岩石试件物理力学参数：

在煤层顶板现场采集顶板岩石，在实验室做成岩石试件，尺寸为Φ50×100，进行岩石力学分析，确定煤体的物理力学参数，所要获得的岩石物理力学参数主要包括：岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比、热传导系数、比热容、密度、热膨胀系数；

二、确定加热工艺参数：

根据傅里叶热传导理论，建立满足第一类边界条件的一维非稳态热传导方程，理论计算岩石试件在单面恒温加热条件下，试件高度方向上随时间的温度分布范围，理论计算试件轴向随传热时间变化的热应力数值，根据试件高度方向上随时间变化的温度分布值，可以得到不同加热时间时试件不同高度层位的温度值，作为不同高度层位热电偶选择的依据，根据试件轴向随传热时间变化的热应力值，作为热应力监测模块选型的依据；煤炭地下气化火焰工作面附近的温度可达 800-1000℃，为了在实验室模拟覆岩的受热状态，实验室确定岩石试件下端的加热温度为900℃，采用恒温加热方式，由温控控制器对加热端温度进行恒温控制；

三、各部分的安装：

1、岩石试件与加热部分安装：将岩石试件下端嵌入在下部的哈氏合金B2上，哈氏合金B2内部安装镍铬合金发热片，发热片上端安装一个哈氏合金传热垫片，传热垫片与岩石试件直接接触，使岩石试件下端面受热均匀，将哈式合金B2嵌入下垫块(碳纤维隔热材料) 内，然后将下垫块嵌入缸体下底盖，将缸筒与下底盖螺纹连接在一起，完成装置缸体部分安装；

2、温度监测部分安装：在缸筒纵剖面两侧，打眼布置温度热电偶安装孔，所安装温度热电偶由温度采集模块将所测温度值显示在电脑并储存；

3、声发射探头安装：在岩石试件的上端面安装AE声发射探头，声发射探头可监测岩石试件在加热过程中，岩石热破裂所引发的声发射事件；

4、隔热材料填装：在岩石试件、加热部分、温度监测部分、声发射探头安装到位后，在缸筒内填充隔热保温材料；

5、热应力监测部分安装：将岩石试件上端面嵌入其上部的合金压头，在合金压头上面安装压力传感器，通过压力传感器监测岩石试件受热膨胀的热应力大小值，并由采集模块将所测压力值显示在电脑并储存；

6、外框架结构安装：将缸筒置于底座上，用螺栓固定，底座与上横梁用立柱螺纹连接；

四、加热操作：

岩石试件下端面由加热炉对岩石试件进行加热，并通过加热控制系统对加热方式进行控制；

五、温度、热应力以及声发射事件监测：

岩石试件高度方向上不同层位的温度值由热电偶进行监测，热应力值由压力传感器进行监测，声发射事件由AE声发射探头采集并经声发射监测系统进行监测记录；

六、实验结束：

当最上端热电偶的测温显示该处岩石试件温度增量ΔT分别达到所设定的终止条件时，停止加热，停止加热后，考虑到传热以及热破裂的滞后性，上述温度、热应力以及声发射事件监测系统继续进行监测，带岩石试件降温至常温后停止监测，实验结束。

本发明有益效果为：可在实验室有效模拟煤炭地下气化覆岩单向受热过程，监测覆岩在高度方向上的温度梯度分布、热应力变化以及热破裂声发射特性；该实验装置对岩石试件加热处理的方法，更加符合煤炭地下气化覆岩受热过程的实际，也更加真实有效地用于研究梯度温度作用下覆岩热破裂宏观声发射特性、热破裂演化规律，加热方式简单易控，能够很好地用于试件高温单向加热实验，对研究该加热条件下试件温度分布、热应力分布、声发射特性以及热破裂特性和机理，提供了实验条件，解决了在一定受热边界条件下加热处理方法，对其他材料，或者其他加热条件(中低温加热以及变温控制)等同样适用。

附图说明

图1是本发明的整体框架结构示意图；

图2是本发明的加热、温度监测、热应力监测以及声发射监测部分工作示意图；

图3是本发明的实验方法原理图；

图中1-底座；2-底盘；3-下垫板；4-下承载板；5-传热片；6- 立柱；7-上压盖；8-压头；9-传感器；10-丝杠；11-丝母；12-手轮； 13-盖母；14-丝杠压盖；15-岩棉隔热材料；16-叶蜡石粉；17-试验筒体；18-加热炉；19-上横梁；20-岩石试件；21-AE传感器；22-声发射监测系统；23-温度监测系统；24-加热与温控系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参看图1至图3，本具体实施方式采用以下技术方案：一种煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验系统，包括岩石试件20、罐体及支架部分、保温部分、加热和温控部分、温度监测部分、热应力监测部分和声发射监测部分；

所述岩石试件20尺寸为Φ50×100mm；

所述罐体及支架部分包括上部哈氏合金垫块、下部哈氏合金垫块、哈氏合金加热垫块、合金钢罐体、合金钢罐体顶盖、螺旋紧固盘、不锈钢支柱、合金钢底座、合金钢上部托架；

所述保温部分包括上部填充岩棉隔热材料15、叶蜡石粉16；

所述加热和温控部分包括镍铬合金发热片、温度控制器；

所述温度监测部分包括耐高温热电偶、温度采集模块；

所述声发射监测部分包括AE传感器21；

所述热应力监测部分包括应力监测模块。

一种煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验方法，步骤如下：

步骤1，确定岩石试件物理力学参数

在待气化煤层顶板采集砂岩岩石样品，进行岩样基本力学实验分析，确定岩石样品的物理力学参数。所获得的岩石力学参数主要包括：岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比、热传导系数、比热容、密度、热膨胀系数。

表砂岩岩石样品物理力学参数记录表

步骤2，确定加热工艺参数

①确定传热微分方程

根据傅里叶热传导理论，建立满足第一类边界条件的热传导微分方程为：

式中，t—温度值，℃；

τ—时间，秒；

z—高度方向坐标值，m；

a—热膨胀系数，a＝k/ρc，1×10^-6/℃。

该传热方程的假设：假设岩石内部各向同性，忽略岩层内部空隙、裂隙、节理、断层及渗透性影响，且一般无热源，岩层初始温度(原岩温度)相同且等于某一常数t₀。因此上述微分方程的热传导系数k、比热容c和密度ρ都可以看作是常数，不随温度和坐标变化。

该传热方程的起始条件、加热边界条件和无穷远处边界条件如下：

t(z,0)＝t₀ (2)

t(0,τ)＝t_c (3)

式中，t₀—岩石起始温度值，℃；

t_c—岩石下边界加热温度值，℃。

带入起始条件、加热边界条件以及无穷远处边界条件，通过对传热方程(1)进行求解，可以得到一维非稳态热传导的解析解。

采用COMSOL多场耦合数值模拟软件，对模型传热进行数值模拟，与理论计算值进行对比验证。

②确定热电偶选型

根据理论计算和数值模拟结果，得到岩石试件20不同高度层位上当加热时间为t_ei(i＝6)时的温度值，并乘以一个富裕系数(可取 1.3)作为热电偶量程范围的确定依据。

步骤3，各部分安装

(1)岩石试件20与加热部分安装：将岩石试件20下端嵌入在下部的哈氏合金B2上，嵌入深度为1mm，以便试件对正。哈氏合金 B2内部安装镍铬合金发热片，发热片上端安装一个哈氏合金传热垫片，传热垫片与岩石试件20直接接触，使岩石试件20下端面受热均匀。将哈式合金B2嵌入下垫块(碳纤维隔热材料)内，然后将下垫块嵌入缸体下底盖。将缸筒与下底盖螺纹连接在一起，完成装置缸体部分安装。

(2)温度监测部分安装：在缸筒纵剖面两侧，打眼布置温度热电偶安装孔，纵剖面两侧各布置3个热电偶，共6个热电偶(由下到上依次为1#、2#、3#、4#、5#和6#)，由下到上距离试件下端面的间距分别为5mm、25mm、45mm、65mm、85mm、95mm。热电偶前端点与岩石试件壁面点接触，测量该高度位置的温度值，由温度采集模块将所测温度值显示在电脑并储存。

(3)声发射探头安装：在岩石试件20的上端面5mm处安装3个 AE声发射探头(1#、2#和3#)，声发射探头的耐热温度最高为100℃，根据与声发射探头同一高度位置的最上端热电偶温度值进行预警，当该热电偶所测温度值等于90℃时，为保护声发射探头，则实验必须停止加热。

(4)隔热材料填装：在岩石试件20、加热部分、温度监测部分、声发射探头安装到位后，在缸筒内填充叶蜡石粉16隔热保温材料和岩棉隔热材料15。

(5)热应力监测部分安装：将岩石试件20上端面嵌入其上部的合金压头，嵌入深度为1mm，在合金压头8上面安装压力传感器9，并与固定在上横梁上19的丝杠10连接。通过旋转加载手柄将丝杠 10与压力传感器9顶紧。加热实验过程中，丝杠10端固定，通过压力传感器9监测岩石试件20受热膨胀的热应力大小值，并由采集模块将所测压力值显示在电脑并储存。

(6)外框架结构安装：将缸筒置于底座1上，用螺栓固定。底座1与上横梁19用4根立柱螺纹连接，保证底座1与上横梁19平行度误差在0.1mm范围内。

步骤4，加热操作

岩石试件20下端面采用恒温加热方式，恒温为900℃，同步记录加热时间(t)并记录各热电偶(1#～6#)温度值T。根据6#热电偶的测温数据，当该位置岩石试件温度增量ΔT(T-T₀，T₀为原岩温度) 分别为10℃、30℃、60℃和90℃时确定最终加热时间t_ei (i＝1,2,3,…,6)，最终加热时间的不同引起温度发展范围的不同，有助于反映岩石试件20高度方向上发生高温热损伤范围的变化。

步骤5，温度、热应力以及声发射事件监测

岩石试件20高度方向上不同层位的温度值由1#-6#热电偶进行监测，热应力值由压力传感器9进行监测，声发射事件由1#～3#AE声发射探头采集并经声发射监测系统22进行监测记录。

步骤6，实验结束

当6#热电偶的测温显示该处岩石试件20温度增量ΔT分别达到所设定的终止条件时(即ΔT＝10℃、30℃、60℃和90℃)，停止加热。停止加热后，考虑到传热以及热破裂的滞后性，上述温度、热应力以及声发射监测系统22继续进行监测，带岩石试件20降温至常温后停止监测，实验结束。

本具体实施方式主要用于试件样品在单向受热状态下的温度分布、热应力变化以及热破裂声发射特性的研究，其优点如下：

(1)现有加热设备及方式无法实现对试件样品的单向加热，马弗炉等加热装置是将整个试件样品放入其中，对其整体部分进行加热。

(2)可以监测试件样品在单向传热过程中，高度方向上的温度分布和热应力变化，而马弗炉等加热装置则不具备此项功能。

(3)该装置可以实时监测试件样品在受热过程中的热破裂声发射特性，这是其他加热设备所不能满足的。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验方法，其特征在于：该方法所采用的煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验系统包括岩石试件、罐体及支架部分、保温部分、加热和温控部分、温度监测部分、热应力监测部分和声发射监测部分；所述岩石试件尺寸为Φ50×100mm；所述罐体及支架部分包括上部哈氏合金垫块、下部哈氏合金垫块、哈氏合金加热垫块、合金钢罐体、合金钢罐体顶盖、螺旋紧固盘、不锈钢支柱、合金钢底座、合金钢上部托架；所述保温部分包括上部填充隔热保温材料、叶蜡石粉；所述加热和温控部分包括镍铬合金发热片、温度控制器；所述温度监测部分包括耐高温热电偶、温度采集模块；所述声发射监测部分包括AE声发射传感器；所述热应力监测部分包括应力监测模块；煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验方法按照以下步骤进行：

一、确定岩石试件物理力学参数：

在煤层顶板现场采集顶板岩石，在实验室做成岩石试件，尺寸为Φ50×100mm，进行岩石力学分析，确定煤体的物理力学参数，所要获得的岩石物理力学参数主要包括：岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比、热传导系数、比热容、密度、热膨胀系数；

二、确定加热工艺参数：

根据傅里叶热传导理论，建立满足第一类边界条件的一维非稳态热传导方程，理论计算岩石试件在单面恒温加热条件下，试件高度方向上随时间的温度分布范围，理论计算试件轴向随传热时间变化的热应力数值，根据试件高度方向上随时间变化的温度分布值，得到不同加热时间时试件不同高度层位的温度值，作为不同高度层位热电偶选择的依据，根据试件轴向随传热时间变化的热应力值，作为热应力监测模块选型的依据；为了在实验室模拟覆岩的受热状态，实验室确定岩石试件下端的加热温度为900℃，采用恒温加热方式，由温控控制器对加热端温度进行恒温控制；

三、各部分的安装：

(1)、岩石试件与加热部分安装：将岩石试件下端嵌入在下部的哈氏合金B2上，哈氏合金B2内部安装镍铬合金发热片，发热片上端安装一个哈氏合金传热垫片，传热垫片与岩石试件直接接触，使岩石试件下端面受热均匀，将哈式合金B2嵌入下垫块碳纤维隔热材料内，然后将下垫块嵌入缸体下底盖，将缸筒与下底盖螺纹连接在一起，完成装置缸体部分安装；

(2)、温度监测部分安装：在缸筒纵剖面两侧，打眼布置温度热电偶安装孔，所安装温度热电偶由温度采集模块将所测温度值显示在电脑并储存；

(3)、声发射探头安装：在岩石试件的上端面安装AE声发射探头，声发射探头监测岩石试件在加热过程中，岩石热破裂所引发的声发射事件；

(4)、隔热材料填装：在岩石试件、加热部分、温度监测部分、声发射探头安装到位后，在缸筒内填充隔热保温材料；

(5)、热应力监测部分安装：将岩石试件上端面嵌入其上部的合金压头，在合金压头上面安装压力传感器，通过压力传感器监测岩石试件受热膨胀的热应力大小值，并由采集模块将所测压力值显示在电脑并储存；

(6)、外框架结构安装：将缸筒置于底座上，用螺栓固定，底座与上横梁用立柱螺纹连接；

四、加热操作：

岩石试件下端面由加热炉对岩石试件进行加热，并通过加热控制系统对加热方式进行控制；

五、温度、热应力以及声发射事件监测：

岩石试件高度方向上不同层位的温度值由热电偶进行监测，热应力值由压力传感器进行监测，声发射事件由AE声发射探头采集并经声发射监测系统进行监测记录；

六、实验结束：

当最上端热电偶的测温显示该处岩石试件温度增量ΔT分别达到所设定的终止条件时，停止加热，停止加热后，上述温度、热应力以及声发射事件监测系统继续进行监测，带岩石试件降温至常温后停止监测，实验结束。