CN109236264B - 兼顾地表沉陷控制的无井式煤炭地下气化炉设计方法 - Google Patents

Abstract

一种兼顾地表沉陷控制的无井式煤炭地下气化炉设计方法，适用于无井式煤炭地下气化生产设计、建/构筑物下气化采煤损害评估及预防。首先根据矿区建/构筑物类型资料确定建/构筑物设防指标；根据矿区地质资料结合燃空区围岩高温效应，建立煤炭地下气化初始数值模型；利用数值模拟方法，设计不同气化炉宽度及隔离煤柱宽度的模拟方案，确定不同气化炉与隔离煤柱宽度下煤炭地下气化和条带开采地表移动与变形预计参数的差异，修正地表移动与变形预计参数；确定地下气化炉宽度和中部隔离煤柱宽度，完成无井式地下气化炉设计。其步骤简单，阶级效果合理，能够更加科学合理的保护地面建/构筑物，具有广泛的实用性。

Description

兼顾地表沉陷控制的无井式煤炭地下气化炉设计方法

技术领域

本发明涉及一种无井式煤炭地下气化炉设计方法，尤其适用于兼顾地表沉陷控制的无井式煤炭地下气化炉设计方法。

技术背景

煤炭地下气化(UCG)是将地下煤炭进行有控制的燃烧，通过煤的热作用及化学作用而产生的可燃气体，其实质是提取煤中含能成分，而将灰渣等废弃物留在地下，真正意义上实现煤炭的绿色开采，被誉为第二代采煤法。煤炭地下气化可分为无井式地下气化工艺和有井式地下气化工艺，相对而言无井式气化应用更为广泛。目前我国的无井式煤炭地下气化工艺与燃烧控制技术已经达到了国际先进水平。但随着煤炭资源的气化，燃空区周围的岩层的应力平衡受到破坏，应力会重新分布并达到新的平衡，在这个过程中岩层会发生移动与变形，当其传递到地表时则出现不同程度的下沉，从而对地面建/构筑物造成不同程度的损害。这就必须要对无井式煤炭地下气化炉设计方法进行研究。当实验区域选定时，煤层高度是确定的，此时气化炉的高度就是煤层高度，故地下气化炉设计主要是设计气化炉宽度。但考虑到隔离煤柱宽度会影响气化炉的稳定性以及地表沉陷，因此无井式煤炭地下气化炉设计主要是确定气化炉和隔离煤柱宽度。对于不同的气化炉及隔离煤柱宽度，地表沉陷情况不同，造成地面建/构筑物的损害程度亦不同。因此，如何合理设计气化炉与隔离煤柱宽度控制地表沉陷和保护地面建/构筑物是煤炭地下气化推广应用面临的瓶颈难题之一。

不少学者围绕煤炭地下气化地表移动规律进行了研究。如Evans等采用二维有限元模型研究了采场围岩的干燥、热荷载、热软化以及时变岩石力学性质等因素对地表沉陷规律的影响。Sutherland运用块体模型模拟了因气化空间扩展而引起的地表沉陷。Mehdi根据11个气化实验区的数据采用多元回归方法研究了燃空区的扩展规律。Derbin根据前苏联气化实验地数据综述了不同煤层参数(如煤层深度、倾斜度、高度、宽度、石灰量和地质剖面等)和气化燃烧相关参数(如岩土材料导热性、热损耗、热冲击和体积变化等)与地表沉陷的相关性研究。杨东明建立煤炭地下气化热力耦合模型，分析了煤层采深大于1200米进行煤炭地下气化的可能性，并得到了其地表沉陷量。Sattesh通过实验室试验研究了煤炭地下气化中褐煤燃空区的扩展规律。Laouafa根据煤炭地下气化实验区数据总结了煤炭地下气化对周围环境及地表沉陷的影响。辛林根据国内中国首次建立的个条带地下气化工作面覆岩移动与地表沉陷观测站，分析了条带气化工作面极不充分开采引起的地表移动和变形规律。然而对于无井式煤炭地下气化中气化炉宽度与隔离煤柱宽度如何设计尚未有相关研究。因此，目前缺少兼顾地表沉陷控制的无井式煤炭地下气化炉设计方法。

发明内容

针对上述技术问题，提供了一种步骤简单，解决了无井式煤炭地下气化推广应用中地下气化炉设计以及如何控制地表沉陷、保护气化工作面上方地表建/构筑物难题的兼顾地表沉陷控制的无井式煤炭地下气化炉设计方法。

为了实现上述技术目的，本发明的兼顾地表沉陷控制的无井式煤炭地下气化炉设计方法，步骤为：

建立煤炭地下气化的初始数值模型，并设计不同气化炉宽度及隔离煤柱宽度的模拟方案，确定不同气化炉宽度和隔离煤柱宽度下的地下气化和条带开采地表移动与变形预计参数的差异，根据条带开采的地表移动与变形预计参数以及上述得到的地下气化和条带开采地表移动与变形预计参数的差异，选定气化区域的煤炭地下气化地表移动与变形预计参数，进而利用煤炭地下气化地表移动与变形预计参数计算不同气化炉与隔离煤柱宽度下的地表移动与变形值，最后根据采集到的预设区域的实际地质信息以及地面建/构筑物设防指标，设计无井式煤炭地下气化炉。

具体步骤为：

步骤1：针对进行建/构筑物下气化采煤区域，收集研究气化采煤区域地质采矿条件、工作面分布情况、地应力监测结果、室内岩体力学参数实验结果及地表建/构筑物分布等资料，并根据地面建/构筑物类型和《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中建筑物损害等级的规定，确定地面建/构筑物设防指标，包括水平变形ε_标、倾斜变化i_标以及曲率K_标；

步骤2：根据研究区域地质采矿条件、工作面分布以及不同温度下岩石力学参数变化规律资料，使用ANSYS建立气化初始数值模型及网格划分，将建立的气化初始数值模型导入FLAC3D进行计算，计算时需要考虑气化燃空区不规则的问题同时兼顾燃空区围岩温度场分布规律，因此利用fish语言将不同温度下岩石力学参数变化规律嵌入计算过程中，同时为了减小气化初始数值模型边界效应的影响，在气化初始数值模型边界预留1.4倍采深的宽度，通过计算获得气化采煤区域的地表下沉信息、地表水平移动信息和地表水平变形信息；

步骤3：设计不同气化炉宽度和隔离煤柱宽度的模型，利用数值模拟方法得出不同气化炉与隔离煤柱宽度下气化采煤区域的地表下沉系数q_气、地表水平移动系数b_气以及主要影响角正切tanβ_气；根据气化采煤区域实际地质采矿条件、工作面分布以及不同温度下岩石力学参数变化规律，建立条带开采初始数值模型，所述条带开采初始数值模型的具体参数与地下气化模型相同，基于条带开采数值模型设计不同气化炉宽度和隔离煤柱宽度的模拟方案，得到不同气化炉与隔离煤柱宽度下条带开采地表下沉系数q_条、水平移动系数b_条以及主要影响角正切tanβ_条；从而确定不同气化炉与隔离煤柱宽度下煤炭地下气化和条带开采的地表下沉差异q_差、水平移动差异b_差和主要影响角正切tanβ_差，其中q_差＝q_气-q_条，b_差＝b_气-b_条，tanβ_差＝tanβ_气-tanβ_条；

步骤4：利用条带开采地表移动与变形预计参数的修正公式，可以得到实验区条带开采地表移动与变形预计参数q_条修、b_条修、tanβ_条修，具体如下，

1)下沉系数修正公式：

式中：q_条修为条带开采下沉系数；q_垮为垮落法开采下沉系数，从各个矿区实际采集的参数值，M为开采厚度，单位m；b为采宽，单位m；a为留宽，单位m；H为采深，单位m；

2)水平移动系数修正公式：

式中：b_条修为条带开采水平移动系数；b_垮为垮落法开采水平移动系数；H为采深，单位m；b为采宽，单位m；a为留宽，单位m；

3)主要影响角正切修正公式：

tanβ_条修＝0.7847e^-0.0012PH tanβ_垮

式中：tanβ_条修为条带开采主要影响角正切；tanβ_垮为垮落法开采主要影响角正切；P为上覆岩层综合评价系数，各矿区有自己的参数值；H为采深，单位m；

接着根据步骤3得到的不同气化炉宽度与隔离煤柱宽度下煤炭地下气化和条带开采地表移动与变形预计参数的地表下沉系数差异q_差、水平移动系数差异b_差和主要影响角正切差异tanβ_差，利用修正后得到的条带开采地表移动与变形预计参数q_条修、b_条修、tanβ_条修，从而得到不同气化炉宽度及隔离煤柱宽度下无井式煤炭地下气化地表移动与变形预计参数的地表下沉系数q′_气、地表水平移动系数b′_气以及主要影响角正切tanβ′_气；其中q′_气＝q_条修+q_差，b′_气＝b′_条修+b_差，tan′β_气＝tanβ_条修+tanβ_差；

根据得到的煤炭地下气化地表移动与变形预计参数q′_气，b′_气，tanβ′_气，基于概率积分法计算得出不同气化炉宽度与隔离煤柱宽度下地表移动与变形值，得到地表水平变形值ε₁,ε₂,ε₃…ε_n、地表倾斜变形值i₁,i₂,i₃…i_n以及地表曲率K₁,K₂,K₃…K_n，将相同序号的地表水平变形ε、地表倾斜变形值i和地表曲率K分组组合，从而获得地下气化引起的地表移动与变形值数据组(ε₁，i₁，K₁)、(ε₂，i₂，K₂)…(ε_n，i_n，K_n)；

步骤5：将步骤1中得到了建/构筑物设防指标ε_标、i_标、K_标与步骤4中得到的地下气化引起的地表移动与变形值数据组(ε₁，i₁，K₁)、(ε₂，i₂，K₂)…(ε_n，i_n，K_n)逐一进行比较，选择出满足ε_i≤ε_标，i_i≤i_标，K_i≤K_标，且最接近指标ε_标、i_标、K_标的数据，同时则确定此组数据(ε_i，i_i，K_i)为最佳值，根据最佳值(ε_i，i_i，K_i)完成无井式地下气化炉的设计。

有益效果：本发明考虑了煤炭地下气化高温-地应力耦合特性，兼顾地表沉陷控制和地面建/构筑物保护，创造性的提出了兼顾地表沉陷控制的无井式煤炭地下气化炉设计方法，解决了无井式煤炭地下气化推广应用中地下气化炉设计以及如何控制地表沉陷、保护气化工作面上方地表建/构筑物难题，其步骤简单，运算量小，对于建/构筑物下气化采煤设计、地表沉陷控制及建/构筑物保护等均具有重要的实际意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明实施的兼顾地表沉陷控制的无井式煤炭地下气化炉设计方法流程图。

具体实施方式

下面将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，一种兼顾地表沉陷控制的无井式煤炭地下气化炉设计方法，步骤为：

建立煤炭地下气化的初始数值模型，并设计不同气化炉宽度及隔离煤柱宽度的模拟方案，确定不同气化炉宽度和隔离煤柱宽度下的地下气化和条带开采地表移动与变形预计参数的差异，根据条带开采的地表移动与变形预计参数以及上述得到的地下气化和条带开采地表移动与变形预计参数的差异，选定气化区域的煤炭地下气化地表移动与变形预计参数，进而利用煤炭地下气化地表移动与变形预计参数计算不同气化炉与隔离煤柱宽度下的地表移动与变形值，最后根据采集到的预设区域的实际地质信息以及地面建/构筑物设防指标，设计无井式煤炭地下气化炉。

具体步骤为：

步骤1：针对进行建/构筑物下气化采煤区域，收集研究气化采煤区域地质采矿条件、工作面分布情况、地应力监测结果、室内岩体力学参数实验结果及地表建/构筑物分布等资料，并根据地面建/构筑物类型和《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中建筑物损害等级的规定，确定地面建/构筑物设防指标，包括水平变形ε_标、倾斜变化i_标以及曲率K_标；

步骤2：根据研究区域地质采矿条件、工作面分布以及不同温度下岩石力学参数变化规律资料，使用ANSYS建立气化初始数值模型及网格划分，将建立的气化初始数值模型导入FLAC3D进行计算，计算时需要考虑气化燃空区不规则的问题同时兼顾燃空区围岩温度场分布规律，因此利用fish语言将不同温度下岩石力学参数变化规律嵌入计算过程中，同时为了减小气化初始数值模型边界效应的影响，在气化初始数值模型边界预留1.4倍采深的宽度，通过计算获得气化采煤区域的地表下沉信息、地表水平移动信息和地表水平变形信息；

步骤3：设计不同气化炉宽度和隔离煤柱宽度的模型，利用数值模拟方法得出不同气化炉与隔离煤柱宽度下气化采煤区域的地表下沉系数q_气、地表水平移动系数b_气以及主要影响角正切tanβ_气；根据气化采煤区域实际地质采矿条件、工作面分布以及不同温度下岩石力学参数变化规律，建立条带开采初始数值模型，所述条带开采初始数值模型的具体参数与地下气化模型相同，基于条带开采数值模型设计不同气化炉宽度和隔离煤柱宽度的模拟方案，得到不同气化炉与隔离煤柱宽度下条带开采地表下沉系数q_条、水平移动系数b_条以及主要影响角正切tanβ_条；从而确定不同气化炉与隔离煤柱宽度下煤炭地下气化和条带开采的地表下沉差异q_差、水平移动差异b_差和主要影响角正切tanβ_差，其中q_差＝q_气-q_条，b_差＝b_气-b_条，tanβ_差＝tanβ_气-tanβ_条；

步骤4：利用条带开采地表移动与变形预计参数的修正公式，可以得到实验区条带开采地表移动与变形预计参数q_条修、b_条修、tanβ_条修，具体如下，

1)下沉系数修正公式：

式中：q_条修为条带开采下沉系数；q_垮为垮落法开采下沉系数，从各个矿区实际采集的参数值，M为开采厚度，单位m；b为采宽，单位m；a为留宽，单位m；H为采深，单位m；

2)水平移动系数修正公式：

式中：b_条修为条带开采水平移动系数；b_垮为垮落法开采水平移动系数；H为采深，单位m；b为采宽，单位m；a为留宽，单位m；

3)主要影响角正切修正公式：

tanβ_条修＝0.7847e^-0.0012PH tanβ_垮

式中：tanβ_条修为条带开采主要影响角正切；tanβ_垮为垮落法开采主要影响角正切；P为上覆岩层综合评价系数，各矿区有自己的参数值；H为采深，单位m；

接着根据步骤3得到的不同气化炉宽度与隔离煤柱宽度下煤炭地下气化和条带开采地表移动与变形预计参数的地表下沉系数差异q_差、水平移动系数差异b_差和主要影响角正切差异tanβ_差，利用修正后得到的条带开采地表移动与变形预计参数q_条修、b_条修、tanβ_条修，从而得到不同气化炉宽度及隔离煤柱宽度下无井式煤炭地下气化地表移动与变形预计参数的地表下沉系数q′_气、地表水平移动系数b′_气以及主要影响角正切tanβ′_气；其中q′_气＝q_条修+q_差，b′_气＝b′_条修+b_差，tan′β_气＝tanβ_条修+tanβ_差；

根据得到的煤炭地下气化地表移动与变形预计参数q′_气，b′_气，tanβ′_气，基于概率积分法计算得出不同气化炉宽度与隔离煤柱宽度下地表移动与变形值，得到地表水平变形值ε₁,ε₂,ε₃…ε_n、地表倾斜变形值i₁,i₂,i₃…i_n以及地表曲率K₁,K₂,K₃…K_n，将相同序号的地表水平变形ε、地表倾斜变形值i和地表曲率K分组组合，从而获得地下气化引起的地表移动与变形值数据组(ε₁，i₁，K₁)、(ε₂，i₂，K₂)…(ε_n，i_n，K_n)；

步骤5：将步骤1中得到了建/构筑物设防指标ε_标、i_标、K_标与步骤4中得到的地下气化引起的地表移动与变形值数据组(ε₁，i₁，K₁)、(ε₂，i₂，K₂)…(ε_n，i_n，K_n)逐一进行比较，选择出满足ε_i≤ε_标，i_i≤i_标，K_i≤K_标，且最接近指标ε_标、i_标、K_标的数据，同时则确定此组数据(ε_i，i_i，K_i)为最佳值，根据最佳值(ε_i，i_i，K_i)完成无井式地下气化炉的设计。

Claims (1)

1.一种兼顾地表沉陷控制的无井式煤炭地下气化炉设计方法，其特征在于：

建立煤炭地下气化的初始数值模型，并设计不同气化炉宽度及隔离煤柱宽度的模拟方案，确定不同气化炉宽度和隔离煤柱宽度下的地下气化和条带开采地表移动与变形预计参数的差异，根据条带开采的地表移动与变形预计参数以及上述得到的地下气化和条带开采地表移动与变形预计参数的差异，选定气化区域的煤炭地下气化地表移动与变形预计参数，进而利用煤炭地下气化地表移动与变形预计参数计算不同气化炉与隔离煤柱宽度下的地表移动与变形值，最后根据采集到的预设区域的实际地质信息以及地面建/构筑物设防指标，设计无井式煤炭地下气化炉；

具体步骤为：

步骤1：针对进行建/构筑物下气化采煤区域，收集研究气化采煤区域地质采矿条件、工作面分布情况、地应力监测结果、室内岩体力学参数实验结果及地表建/构筑物分布等资料，并根据地面建/构筑物类型和《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中建筑物损害等级的规定，确定地面建/构筑物设防指标，包括水平变形ε_标、倾斜变化i_标以及曲率K_标；

步骤2：根据研究区域地质采矿条件、工作面分布以及不同温度下岩石力学参数变化规律资料，使用ANSYS建立气化初始数值模型及网格划分，将建立的气化初始数值模型导入FLAC3D进行计算，计算时需要考虑气化燃空区不规则的问题同时兼顾燃空区围岩温度场分布规律，因此利用fish语言将不同温度下岩石力学参数变化规律嵌入计算过程中，同时为了减小气化初始数值模型边界效应的影响，在气化初始数值模型边界预留1.4倍采深的宽度，通过计算获得气化采煤区域的地表下沉信息、地表水平移动信息和地表水平变形信息；

步骤3：设计不同气化炉宽度和隔离煤柱宽度的模型，利用数值模拟方法得出不同气化炉与隔离煤柱宽度下气化采煤区域的地表下沉系数q_气、地表水平移动系数b_气以及主要影响角正切tanβ_气；根据气化采煤区域实际地质采矿条件、工作面分布以及不同温度下岩石力学参数变化规律，建立条带开采初始数值模型，所述条带开采初始数值模型的具体参数与地下气化模型相同，基于条带开采数值模型设计不同气化炉宽度和隔离煤柱宽度的模拟方案，得到不同气化炉与隔离煤柱宽度下条带开采地表下沉系数q_条、水平移动系数b_条以及主要影响角正切tanβ_条；从而确定不同气化炉与隔离煤柱宽度下煤炭地下气化和条带开采的地表下沉差异q_差、水平移动差异b_差和主要影响角正切tanβ_差，其中q_差＝q_气-q_条，b_差＝b_气-b_条，tanβ_差＝tanβ_气-tanβ_条；

步骤4：利用条带开采地表移动与变形预计参数的修正公式，可以得到实验区条带开采地表移动与变形预计参数q_条修、b_条修、tanβ_条修，具体如下，

1)下沉系数修正公式：

式中：q_条修为条带开采下沉系数；q_垮为垮落法开采下沉系数，从各个矿区实际采集的参数值，M为开采厚度，单位m；b为采宽，单位m；a为留宽，单位m；H为采深，单位m；

2)水平移动系数修正公式：

式中：b_条修为条带开采水平移动系数；b_垮为垮落法开采水平移动系数；H为采深，单位m；b为采宽，单位m；a为留宽，单位m；

3)主要影响角正切修正公式：

tanβ_条修＝0.7847e^-0.0012PHtanβ_垮

式中：tanβ_条修为条带开采主要影响角正切；tanβ_垮为垮落法开采主要影响角正切；P为上覆岩层综合评价系数，各矿区有自己的参数值；H为采深，单位m；

接着根据步骤3得到的不同气化炉宽度与隔离煤柱宽度下煤炭地下气化和条带开采地表移动与变形预计参数的地表下沉系数差异q_差、水平移动系数差异b_差和主要影响角正切差异tanβ_差，利用修正后得到的条带开采地表移动与变形预计参数q_条修、b_条修、tanβ_条修，从而得到不同气化炉宽度及隔离煤柱宽度下无井式煤炭地下气化地表移动与变形预计参数的地表下沉系数q′_气、地表水平移动系数b′_气以及主要影响角正切tanβ′_气；其中q′_气＝q_条修+q_差，b′_气＝b′_条修+b_差，tan′β_气＝tanβ_条修+tanβ_差；

根据得到的煤炭地下气化地表移动与变形预计参数q′_气，b′_气，tanβ′_气，基于概率积分法计算得出不同气化炉宽度与隔离煤柱宽度下地表移动与变形值，得到地表水平变形值ε₁,ε₂,ε₃…ε_n、地表倾斜变形值i₁,i₂,i₃…i_n以及地表曲率K₁,K₂,K₃…K_n，将相同序号的地表水平变形ε、地表倾斜变形值i和地表曲率K分组组合，从而获得地下气化引起的地表移动与变形值数据组(ε₁，i₁，K₁)、(ε₂，i₂，K₂)…(ε_n，i_n，K_n)；

步骤5：将步骤1中得到了建/构筑物设防指标ε_标、i_标、K_标与步骤4中得到的地下气化引起的地表移动与变形值数据组(ε₁，i₁，K₁)、(ε₂，i₂，K₂)…(ε_n，i_n，K_n)逐一进行比较，选择出满足ε_i≤ε_标，i_i≤i_标，K_i≤K_标，且最接近指标ε_标、i_标、K_标的数据，同时则确定此组数据(ε_i，i_i，K_i)为最佳值，根据最佳值(ε_i，i_i，K_i)完成无井式地下气化炉的设计。

Images