CN113445975B - 一种装置与应用及煤炭地下气化试验系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种装置与应用及煤炭地下气化试验系统与方法。该装置包括实验舱，实验舱设有实验腔；实验腔包括可拆卸连接的实验腔端盖和实验腔桶体，实验腔桶体由包括内筒和外筒的双层筒体和桶底构成；外筒的内壁与内筒的外壁之间形成空腔，空腔内设有围压施加部件，围压施加部件与围压管线连接；内筒的筒壁上设有孔压注入孔，孔压注入孔与孔压管线连接；实验腔端盖和/或实验腔桶体的桶底上设有实验流体注入通道以及实验流体产出通道；实验流体注入通道以及实验流体产出通道均与实验腔内筒内部连通。该装置能够实现模拟煤炭真实赋存条件具体能够模拟深煤层的围压、孔压。该装置与其他设备配合实现考虑煤层真实赋存条件的煤炭地下气化试验。

Description

一种装置与应用及煤炭地下气化试验系统与方法

技术领域

本发明涉及一种装置及煤炭地下气化试验系统与方法。

背景技术

煤炭地下气化是将气化反应炉建在地下煤层，根据生产需求，通过地面合理的控制手段将地下煤炭有控制的热解、气化，生成含有CH₄、H₂等有效组分的合成气的系统技术。它将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，能够有效动用采矿工程无法开发的中深部(大于800m)煤层资源，可实现薄煤层、高含硫、高灰份、高倾角以及“三下”煤层的有效开发。而且煤炭地下气化相比煤炭地面气化在经济、环保、资源利用率上更具优势，是煤炭清洁化利用和国家能源转型的重要技术途径，同时也符合我国低碳、绿色、可持续的能源发展战略。

我国油气消费量增长迅速，供需缺口持续扩大，对外依存度加速增长。2018年原油对外依存度已达69.8％；国内天然气对外依存度45.3％，受能源结构调整和消费需求增长等因素推动，未来油气对外依存度将进一步扩大。中国“富煤油气不足”的资源禀赋决定了煤炭在相当长时间内仍会占据一次能源消费的主导地位。煤炭地下气化技术不仅可将深部地层煤炭资源清洁化利用，缓解天然气供应紧张局面，还能有效解决我国由煤炭燃烧排放CO₂引起的环境问题，更能为“氢经济”时代到来储备资源和技术。

中深层煤炭地下气化将是未来发展方向，相比浅层，中深层煤炭地下气化具备以下优势：一是远离地表及饮用水，避免了直接环境污染；二是埋深增大有利于增加气化炉的密闭性，避免了大量裂隙导致的产出气泄漏；三是随埋深增大温度提高，气化反应速度和热值随之提高。同时随着深度的增加，煤炭地下气化的地质、工程风险也随之增加，为了提高项目成功率、降低复杂事故发生率和综合成本、优化工艺参数和实施方案，必须在工程试验前开展室内大型物模试验。

目前煤炭地下气化大型物理模拟试验装置均存在以下问题：1、现有大型物模装置不能满足高压气化条件。波兰中央矿业学院的大物模装置最高模拟气化压力为3.5MPa，中国矿业大学和新奥公司的大物模装置只能模拟常压和小于1MPa的气化压力，均无法指导800m以上深煤炭地下气化工程试验。2、煤炭地下气化过程中煤层受到水平、垂直作用力以及孔隙压力的作用，虽然CN 107152267 A公开了一种模拟煤炭原位地下气化的试验装置及方法，CN 200910135795.6公开了一种地下煤的气化中试验气化炉及其工艺方法，但是目前国内外的试验装置都不能模拟地下煤层真实围压、孔压，导致试验条件与真实条件相差很大，试验结果难以精确指导工程实践。3、现有大型物模装置模拟的煤层产状和开发井型过于单一，无法实现不同煤层产状(倾向、走向)下复杂井型的模拟，对不同煤层条件下气化井型优选和气化参数优化缺乏指导意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够模拟煤炭真实赋存条件的物模实验装置，该装置能够模拟深煤层(例如1500米以下的煤层)的围压、孔压。该物模实验装置与其他设备配合实现考虑煤层真实赋存条件的煤炭地下气化试验，通过模拟更真实的煤炭地下气化条件更科学、有效的指导煤炭地下气化工程实践和参数优化，填补了煤炭地下气化试验技术的空白。

为了实现上述目的，本发明提供了一种装置，该装置包括实验舱，实验舱设有实验腔；

所述实验腔包括可拆卸连接的实验腔端盖和实验腔桶体，所述实验腔桶体由桶底和双层筒体构成，所述双层筒体包括内筒和外筒；其中，所述内筒用于装载待检测样品；

所述外筒的内壁与所述内筒的外壁之间形成空腔，所述空腔内设有围压施加部件，围压施加部件与围压管线连接；施加围压所用的注入介质通过所述围压管线进入所述围压施加部件实现所述围压施加部件对所述实验腔内筒施加围压从而实现对装载于所述实验腔内筒中的待检测样品施加围压；

所述内筒的筒壁上设有孔压注入孔，所述孔压注入孔与孔压管线连接，施加孔压所用的注入介质通过所述孔压管线进入所述孔压注入孔内对装载于所述实验腔内筒中的待检测样品施加孔压；

实验腔桶体的桶底和/或实验腔端盖上设有实验流体注入通道、实验流体产出通道；实验流体注入通道以及实验流体产出通道均与实验腔内筒内部连通。

在上述装置中，所述实验腔桶体的桶底和/或实验腔端盖上设有实验流体注入通道、实验流体产出通道，具体可以在实验腔桶体的桶底上同时设有实验流体注入通道和实验流体产出通道，此时实验腔端盖上可以设也可以不设实验流体注入通道和/或实验流体产出通道；也可以在实验腔端盖上同时设有实验流体注入通道和实验流体产出通道，此时实验腔桶体的桶底上可以设也可以不设实验流体注入通道和/或实验流体产出通道；还可以在实验腔端盖上设实验流体注入通道，在实验腔桶体的桶底上设实验流体产出通道；还可以在实验腔端盖上设实验流体产出通道，在实验腔桶体的桶底上设实验流体注入通道。

在上述装置中，优选地，所述围压施加部件包括若干液压杆，所述液压杆一端固定于所述外筒的内壁上，另一端作用于所述实验腔内筒的外壁上；更优选地，所述液压杆设有液压杆滑动头，所述内筒的外壁设有液压杆滑轨，通过所述液压杆的液压杆滑动头与所述外筒的液压杆滑轨进行滑轨滑动连接的方式实现液压杆与内筒的外壁连接；进一步优选地，所述液压杆设有依次连接的液压杆固定底座、液压伸缩杆和液压杆滑动头，所述液压杆通过所述液压杆固定底座固定在所述外筒的内壁上。在一优选实施方式中，所述实验腔的内筒是由4块板围成的两端开口的长方体(包括正方体)；对于每块板，其中该板仅一端抵靠在与其相邻的一块板的板面上且该板的板面作为与其相邻的另一块板的抵靠板面；每块板均能够沿其抵靠板面滑动；由此所述板形成的空间可以沿水平和/或竖直方向缩小或放大。在该优选方案中，压液杆采用了外壁固定，而内壁采用滑轨滑动的设计方式，更有助于解决在单一方向施加围压时内壁板可能会在铅锤面上发生移动的问题。

在上述装置中，优选地，实验腔能够承受至少35MPa压力并实现密封；更优选地，实验腔内筒、外筒、实验腔端盖以及实验腔桶体的桶底选用抗温抗压钢材。

在上述装置中，优选地，孔压注入管线能够承受至少35MPa压力，围压注入管线能够承受至少35MPa压力。

在上述装置中，孔压注入管线上可以设置单向阀，用以避免孔压注入介质回流。

在上述装置中，优选地，实验舱进一步设有围压数据监测件，围压数据监测件用以采集实验腔内筒上的围压数据，围压数据监测件优选使用应力传感器且该应力传感器设置于实验腔内筒的筒壁上。

在上述装置中，优选地，实验舱进一步设有孔压数据监测件，孔压数据监测件用以采集孔压注入孔的压力数据，孔压数据监测件优选使用压力传感器且该压力传感器与孔压注入孔连接。

在上述装置中，优选地，所述实验舱进一步设有实验舱外壳，所述实验舱外壳设于实验腔外部，所述实验舱外壳包括可拆卸连接的外壳盖和外壳桶体，所述外壳盖和外壳桶体可以通过至少两个密封螺栓可拆卸的连接在一起；更优选地，所述实验舱进一步设有耐火砖，所述耐火砖设于实验舱外壳与实验腔之间的空腔内。其中，实验舱外壳可以选用耐高压钢板材料。所述实验腔外壳桶体可以通过桶壁和桶底一体成型形成实验腔外壳桶体也可以通过桶壁和桶底可拆卸的连接在一起组成实验腔外壳桶体。

在上述装置中，优选地，该装置包括支架，所述支架与实验舱连接，用于固定、支撑实验舱并能实现实验舱自转；更优选地，该支架设有底座，底座上固定有至少一个齿轮，实验舱的外壁上相应的设有能够与底座上的齿轮相配合的轮齿，通过底座上的齿轮与实验舱外壁上的轮齿啮合能够实现实验舱的旋转以及实验舱的固定和支撑，其中实验舱的外壁优选为圆柱状。更优选地，支架进一步包括控制器，所述控制器用以控制支架上的齿轮。

在上述装置中，优选地，该装置包括支架，所述支架与实验舱连接，用于固定、支撑实验舱并能实现调整实验舱与水平面之间的夹角；更优选地，该支架设有底座以及至少两个与底座连接的可升降的支柱，实验舱固定在所述底座上，通过调节支柱的高度调节实验舱与水平面的夹角。其中，所述支柱可以选用液压支柱。调节实验舱与水平面的夹角可以实现模拟实验腔内筒内装载的待检测样品在真实地层中的倾角。当支架既能实现实验舱自转又能实现调整实验舱与水平面之间的夹角时，若使用该装置进行待检测样品为煤样的物模实验模拟，通过实验舱的旋转、以及高度调节能够模拟不同产状的煤层，并能够模拟井眼与煤层复杂几何关系。

在一具体实施例中，上述装置包括支架，所述支架与实验舱连接，用于固定、支撑实验舱并能实现实验舱自转和调整实验舱与水平面之间的夹角；该支架设有底座以及至少两个与底座连接的可升降的支柱；通过调节支柱的高度调节实验舱与水平面的夹角；底座上固定有至少一个齿轮，实验舱的外壁上相应的设有能够与底座上的齿轮相配合的轮齿，通过底座上的齿轮与实验舱外壁上的轮齿啮合能够实现实验舱的旋转以及实验舱的固定和支撑。

在上述装置中，优选地，实验舱设有至少一个数据采集布线通道，所述布线通道供实验腔内筒中装载的待检测样品的温度数据采集布线、供实验腔内筒中装载的待检测样品的应力应变数据采集布线和供实验腔内筒中装载的待检测样品的孔隙压力数据采集布线三者中的至少一者使用。更优选地，实验舱进一步设有数据采集组件，所述数据采集组件包括温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件三者中的至少一者；其中，温度数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的温度数据，应力应变数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的应力应变数据，孔隙压力数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的孔隙压力；其中，温度数据采集件优选包括热电偶和温度采集器，热电偶设于实验舱内部而温度采集器设于实验舱外部，热电偶与温度采集器通过数据布线通道实现线路连接；应力应变数据采集件优选包括应力应变传感器和应力应变数据采集器，应力应变传感器设于实验舱内部而应力应变采集器设于实验舱外部，应力应变传感器与应力应变采集器通过数据布线通道实现线路连接；孔隙压力数据采集件优选包括压力传感器和压力采集器，压力传感器设于实验舱内部而压力采集器设于实验舱外部，压力传感器与压力采集器通过数据布线通道实现线路连接。在一具体实施例中，根据温度测试需要，在待测样品上自上到下，自左到右、自前到后设置若干热电偶。在另一具体实施例中，根据应力应变测试需要，在待测样品的局部上自上到下，自左到右、自前到后设置若干应力应变传感器。在一具体实施例中，根据孔隙压力的测试需要，在待测样品的局部上自上到下，自左到右、自前到后设置若干孔隙压力传感器。

在上述装置中，优选地，实验腔设有至少两个实验流体产出通道，其中至少一个实验流体产出通道与所述实验流体注入通道设于实验腔的同一端面上，至少一个实验流体产出通道在实验腔上的设置端面与所述实验流体注入通道在实验腔上的设置端面相对。在一具体实施例中，实验腔设有两个实验流体产出通道，其中一个实验流体产出通道与所述实验流体注入通道均设于实验腔端盖上，另一个实验流体产出通道设置于实验腔的桶体的桶底上。该优选方案有利于实现模拟不同井型，在进行煤炭地下气化试验时，可以实现模拟不同气化井型的气化剂和合成气进出通道。

在上述装置中，优选地，通过所述围压施加部件能够实现对实验腔内桶中装载的待测样品施加垂向作用力和水平作用力。更优选地，用以施加水平作用力的围压施加部件、用以施加垂向作用力的围压施加部件分别与不同的围压注入管线连接从而实现水平作用力、垂向作用力大小的分别控制。

在一具体实施方式中，所述实验腔内筒为左右开口的筒体，实验腔内筒的上壁与实验腔外筒的上桶筒之间形成的空腔设有围压施加部件、实验腔内筒的前壁与实验腔外筒的前壁之间形成的空腔设有围压施加部件、实验腔内筒的后壁与实验腔外筒的后壁之间形成的空腔设有围压施加部件。

在上述装置中，优选地，通过所述孔压注入孔能够实现对实验腔内筒中装载的待测样品施加垂向上的孔压和水平方向上的孔压。更优选地，用以对实验腔内筒中装载的待测样品施加垂向上的孔压的孔压注入孔与用以对实验腔内筒中装载的待测样品施加水平方向上的孔压的孔压注入孔分别和不同的孔压注入管线连接从而实现。在一具体实施方式中，实验腔桶体为右端开口的桶体，实验腔内筒的的上壁、下壁、前壁、后壁均设置有孔压注入孔。气化过程中如果气化腔发生了垮塌后会导致煤层上部地层出现垮塌带、导水裂隙带和弯曲带，上三带的出现会直接导致顶板涌水，因此除了对煤层中加载孔隙压力外，最好对顶板也施加孔隙压力。

在上述装置中，优选地，所述实验腔端盖和实验腔桶体通过至少两个密封螺栓可拆卸的连接在一起。

在上述装置中，优选地，实验舱外壁是圆柱体形状的。

在上述装置中，优选地，孔压注入孔在实验腔内筒上等距排布。通常可以按照一定规律等距排布，在一具体实施方式中，实验腔内筒的形状为左右两端开口的长方体，实验腔内筒的上壁、下壁按照横向距离为a纵向距离为b等间距设置孔压注入孔、实验腔内筒的前壁、后壁按照横向距离为e纵向距离为f等间距设置孔压注入孔。

在上述装置中，优选地，所述实验舱设有孔压卸压孔。

在上述装置中，所述实验腔桶体可以通过外筒和桶底一体成型形成也可以通过双层筒体和桶底可拆卸的连接在一起组成实验腔桶体。

上述装置可以用做煤炭地下气化试验用试验气化炉，当使用上述装置做试验气化炉时，实验腔选材符合煤炭地下试验用试验气化炉常规要求如耐高温要求、实验舱密闭性符合煤炭地下试验用试验气化炉常规要求即可。

本发明还提供一种上述装置在煤炭地下气化试验中作为试验气化炉的应用。

当使用上述装置作为试验气化炉时，实验腔用于进行待测样品气化试验可以称为为气化腔，相应的实验腔端盖可以称为气化腔盖、实验腔桶体可以称为气化腔桶体、实验腔外筒可以称为气化腔外筒、实验腔内筒可以称为气化腔内筒、实验舱可以称为气化炉炉体、实验舱外壳可以称为炉体外壳、实验腔的外壳盖可以称为气化炉盖、实验腔的外壳桶体可以称为气化炉外桶、实验流体注入通道可以称为气化剂注入通道、实验流体产出通道可以称为合成气产出通道。

本发明还提供一种煤炭地下气化试验系统，该系统包括试验气化炉，气化剂制备单元，围压、孔压加载单元，合成气处理单元和点火单元；

所述试验气化炉使用本发明提供的上述装置；

所述气化剂制备单元与所述试验气化炉的实验流体注入通道连接，用以向所述试验气化炉注入气化剂；围压、孔压加载单元分别与所述试验气化炉的围压注入管线和孔压注入管线连接，用以向所述试验气化炉施加围压和孔压；合成气处理单元与所述试验气化炉的实验流体产出通道连接，用以处理所述试验气化炉产出的合成气；点火单元与气化剂制备单元以及试验气化炉连接，用以实现所述试验气化炉的实验腔内筒中装载的待检测样品的点火操作。

在上述煤炭地下气化试验系统中，优选地，所述气化剂制备单元能够实现空气、富氧空气、富氧空气与水蒸气的混合气三种气化剂类型中至少一者的制备；更优选地，所述气化剂制备单元包括氧气瓶、氧气流量控制组件、氮气瓶、氮气流量控制组件、蒸汽生成器、蒸汽流量控制组件、空气压缩机、空气流量控制组件，氧气流量控制组件连接与氧气瓶连接用以控制氧气的供给流量、氮气流量控制组件与氮气瓶连接用以控制氮气的供给流量、蒸汽流量控制组件与蒸汽生成器连接用以控制蒸汽的供给流量、空气流量控制组件与空气压缩机连接用以控制空气的供给流量，其中，氧气流量控制组件、氮气流量控制组件、蒸汽流量控制组件、空气流量控制组件均可以包括气体流量计以及可控制开度的阀门；进一步优选地，所述气化剂制备单元进一步包括压力计量表和温度计两者中的至少一者，压力计量表用以计量氧气瓶供给的氧气和/或氮气瓶供给的氮气和/或蒸汽生成器供给的蒸汽和/或空气压缩机供给的空气和/或供给的气化剂的压力，温度计用以计量氧气瓶供给的氧气和/或氮气瓶供给的氮气和/或蒸汽生成器供给的蒸汽和/或空气压缩机供给的空气和/或供给的气化剂的温度，其中，温度计优选为热电偶温度计。

在上述煤炭地下气化试验系统中，优选地，所述试验气化炉的实验腔内筒中装载的待检测样品包括煤层，且煤层预制有井眼，所述井眼分别与所述实验流体注入通道和实验流体产出通道连通；更优选地，所述井眼中设有可燃筛管或者套管用以支撑井眼。其中，待测样品优选进一步包括顶板和底板，顶板设于煤层之上，底板设于煤层之下。在一具体实施方式中，煤层由立方体煤块依次排列组成。在一具体实施方式中，顶板、底板的设置符合相似准则(通常制备好的顶板、底板和实际地层的顶板、底板的岩石力学性质一致)。在一具体实施方式中，顶板、底板的厚度设置符合相似准则，试验系统中顶板厚度比真实地层顶板厚度为1/5-1/40，试验系统中底板厚度比真实地层底板厚度为1/5-1/40。进一步优选地，当实验舱设有温度数据采集件时，温度数据采集件用以采集实验过程中煤层、顶板和/或底板的温度数据；在一具体实施例中，在待测样品中沿井眼延伸方向等间距设置多组热电偶，每组热电偶均设置于待测样品上垂直于井眼延伸方向的一个截面上且每组热电偶设有若干热电偶；其中，在每组热电偶的设置截面上，沿自顶板到底板的纵向上设置多排热电偶且越靠近井眼相邻热电偶之间的排间距越小，在每排热电偶中越靠近井眼相邻热电偶的间距越小。进一步优选地，当实验舱设有应力应变数据采集件时，用以采集顶板的应力应变数据；在一具体实施方式中，应力应变传感器设置于煤层顶部和/或顶板上沿井眼延伸方向等间距设置多组应力应变传感器，每组应力应变传感器均设置于待测样品上垂直于井眼延伸方向的一个截面上且每组应力应变传感器设有若干应力应变传感器。进一步优选地，当实验舱设有孔隙压力数据采集件时，孔隙压力数据采集件用以采集煤层和/或顶板的孔隙压力；在一具体实施方式中，孔隙压力传感器设置于煤层和/或顶板上沿井眼延伸方向等间距设置多组孔隙压力传感器，每组孔隙压力传感器均设置于待测样品上垂直于井眼延伸方向的一个截面上且每组孔隙压力传感器设有若干孔隙压力传感器。

在上述煤炭地下气化试验系统中，优选地，所述围压、孔压加载单元包括伺服增压器、压力控制器、围压增压泵、孔压增压泵、围压液源罐和孔压液源罐，所述围压液源罐和孔压液源罐分别提供施加围压所用的注入介质和施加孔压所用的注入介质，围压液源罐、围压增压泵、伺服增压器依次连接，孔压液源罐、孔压增压泵连接、伺服增压器依次连接，伺服增压器的流体出口分别与试验气化炉的围压注入管线和孔压注入管线连接从而实现围压、孔压加载单元分别与试验气化炉的围压注入管线和孔压注入管线连接，压力控制器与伺服增压器连接用以控制伺服增压器的压力施加控制。围压液源罐提供的注入介质经过围压增压泵进行一级加压、然后再经过伺服增压器进行二级加压，然后通过围压注入管线流入试验气化炉的围压施加部件为试验气化炉的围压施加部件提供压力，其中服增压器按照所述压力控制器中的压力值对注入介质进行二级增压并达到设定值；孔压液源罐提供的注入介质经过孔压增压泵进行一级加压、然后再经过伺服增压器进行二级加压，然后通过孔压注入管线流入试验气化炉的孔压注入孔为试验气化炉的孔压注入孔提供压力，其中伺服增压器按照所述压力控制器中的压力值对注入介质进行二级增压并达到设定值。伺服增压器通过高压密封管线与围压管线和孔压管线相连。更优选地，试验气化炉设有围压数据监测件和孔压数据监测件，围压数据监测件用以采集实验腔内筒上的围压数据，孔压数据监测件用以采集孔压注入孔的压力数据，围压数据监测件和孔压数据监测件分别与压力控制器连接，将围压数据监测件和孔压数据监测件采集到的数据传输到压力控制器中；其中，围压数据监测件优选使用应力传感器且该应力传感器设置于实验腔内筒的筒壁上、孔压数据监测件优选使用压力传感器且该压力传感器与孔压注入孔连接。其中，围压、孔压加载单元优选进一步包括计算机，所述计算机与压力控制器连接，用以对围压、孔压压力加载和卸载过程进行实时的监控、数据采集和分析。

在上述煤炭地下气化试验系统中，优选地，所述点火单元包括点火控制器和电热丝，所述点火控制器作为点火开关，用于控制试验过程中初始点火和连续的后退点火操作，所述电热丝设置于实验腔装载的待测样品中用于提供试验过程中煤炭燃烧所需温度，配合助燃剂实现点火操作。更优选地，所述电热丝的一端设置于实验腔装载的待测样品中，另外一端设置于试验气化炉外，能够电热丝在实验腔装载的待测样品中拖动。通过拖动电热丝能够实现模拟不同的点火位置从而模拟受控注入点连续后退工艺。

在上述煤炭地下气化试验系统中，优选地，当所述试验气化炉的实验舱设有温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件三者中的至少一者时，所述煤炭地下气化试验系统进一步包含数据采集单元，数据采集单元包括计算机，所述计算机与温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件三者中的至少一者连接，用以存储、分析与该计算机连接的数据采集件采集到的数据；其中，温度数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的温度数据，应力应变数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的应力应变数据，孔隙压力数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的孔隙压力。

在上述煤炭地下气化试验系统中，优选地，合成气处理单元包括除尘器、除焦器、除硫器和燃烧室，其中除尘器、除焦器、除硫器均设置于燃烧室之前即所述实验流体产出通道排出的合成气经过除尘器、除焦器和除硫器处理后再进入燃烧室进行处理；其中，除尘器用于除去实验流体产出通道排出的合成气中的固体粉尘，除焦器用于除去所述合成气中的焦油，除硫器用于除去所述合成气中的含硫毒气，燃烧室用于对所述合成气进行燃烧处理。更优选地，所述合成气处理单元进一步包括气相色谱仪，气相色谱仪用以对除尘器、除焦器、除硫器处理后的合成气进行组分分析和计量。

在上述煤炭地下气化试验系统中，所有承压的连接管线优选使用能够承受至少35MPa压力并能够实现良好的密封的耐高压管线。

本发明还提供一种煤炭地下气化试验方法，该方法使用上述煤炭地下气化试验系统进行，该方法包括：

1)准备气化试验用顶板、底板和煤层，在煤层中按照需要模拟的井型预制井眼并按照初次点火位置在预制的井眼中设置电热丝，在实验腔内筒中按照由下到上为底板-煤层-顶板的顺序将底板、煤层和顶板填充进实验腔内筒中，并将上述煤炭地下气化试验系统连接好；通过调整实验舱与水平面的夹角以及使实验腔自转一定角度实现实验舱中煤层产状的调整，使实验舱中煤层产状与模拟地区煤层的产状相符；

2)根据模拟地区煤层的围压及孔压值进行围压、孔压施加；

3)进行煤层模拟气化：在对煤层注入助燃剂的条件下使用点火单元在点火位置进行煤层点火，煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化，完成煤层模拟气化过程；煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理后排放；

4)气化腔注浆：向实验腔注浆从而对实验腔中煤层模拟气化燃烧区进行充填，气化腔注浆有助于对煤层气化后的形态进行研究；

5)围压、孔压卸载及试验气化炉剖解：待实验腔注入的浆凝固后进行围压卸压和孔压卸压，围压卸压、孔压卸压结束且试验气化炉冷却后，对试验气化炉进行剖解取出实验腔注浆凝固后的产物；

从而完成煤炭地下气化试验。

在上述煤炭地下气化试验方法中，优选地，在准备气化试验用顶板、煤层、底板之前，进行模拟地区煤层的真实顶板、底板的岩石力学试验，然后根据测得的力学性质结合材料相似原理，制备气化试验用顶板、底板；

在上述煤炭地下气化试验方法中，优选地，采用自模拟地区煤层获得的煤块制备气化试验用煤层。更优选地，制备气化试验用煤层的各煤块之间用煤粉、黏土进行涂抹，确保煤层的完整性。在一具体实施方式中，将自模拟地区煤层获得的煤块切割成规则的立方体煤块，利用这些煤块组合形成气化试验用煤层。

在上述煤炭地下气化试验方法中，优选地，煤层与顶板、底板连接处用煤粉和黏土进行涂抹，确保煤层和顶板、底板的密封性和完整性。

在上述煤炭地下气化试验方法中，优选地，在煤层和顶板与实验腔内筒中设有孔压注入孔的内壁间填充砂子。利用细砂层良好的渗流、力学缓冲特性，在模拟地层材料与实验腔内壁间填充细砂缓冲层以减少孔压注入介质对地层材料的破坏，降低孔压注入介质的注入难度，缩短顶板、煤层的孔压平衡时间，提高孔压平衡效率。

在上述煤炭地下气化试验方法中，优选地，根据气化试验需要在气化试验用顶板和/或底板和/或煤层中预制温度数据采集件、应力应变数据采集件以及孔隙压力数据采集件的安装孔，并将温度数据采集件、应力应变数据采集件以及孔隙压力数据采集件安装到气化试验用顶板和/或底板和/或煤层中。更优选地，在步骤3)煤层模拟气化过程中，使用温度数据采集件、应力应变数据采集件、孔隙压力数据采集件进行数据采集。采集到的数据可以在数据采集单元(例如计算机)中进行存储、分析。

在上述煤炭地下气化试验方法中，优选地，在煤层预制井眼中下入可燃筛管和/或套管用以支撑井眼。

在上述煤炭地下气化试验方法中，当模拟U型水平井气化工艺时，可以在煤层中预制单孔井眼；当模拟双水平井气化工艺时，可以在煤层中预制两个平行井眼。当模拟U型水平井气化工艺时，气化剂进口与合成气出口分别在试验气化炉的相对的两端即实验流体注入通道以及实验流体产出通道分别在实验腔内筒的相对的两端例如(桶底所在端面以及端盖所在端面)；当模拟双水平井气化工艺时，气化剂进口与合成气出口均在试验气化炉的同一端即实验流体注入通道以及实验流体产出通道在实验腔内筒的同一端面上。

在上述煤炭地下气化试验方法中，优选地，步骤1)中将煤炭地下气化试验系统连接好后，先进行调试，调试无问题在进行后续步骤2)。

在上述煤炭地下气化试验方法中，优选地，模拟地区煤层的围压及孔压值根据模拟地区的煤层气井资料、煤层钻孔资料、试井资料、阵列声波测井资料等分析获得。

在上述煤炭地下气化试验方法中，优选地，围压施加包括施加垂向作用力和水平作用力。

在一具体实施方式中，围压施加过程包括：施加围压所用的注入介质经过围压增压泵进行一级增压，通过压力控制器输入所要施加的围压数值，压力控制器控制伺服增压器对一级增压后的施加围压所用的注入介质进行二级增压，实验腔中的围压施加部件在二级增压后的施加围压所用的注入介质的作用下对实验腔内筒施加围压从而实现对煤层施加围压。更优选地，当围压数据监测件采集到的围压数据达到压力控制器设定的围压数值后，围压维持在设定数值不变。

在上述地下气化试验方法中，优选地，孔压施加包括对煤层施加孔压和对顶板施加孔压。气化过程中如果气化腔发生了垮塌后会导致煤层上部地层出现垮塌带、导水裂隙带和弯曲带，上三带的出现会直接导致顶板涌水，因此除了对煤层中加载孔隙压力外，最好对顶板也施加孔隙压力。

在一具体实施方式中，孔压施加过程包括：施加孔压所用的注入介质经过孔压增压泵进行一级增压，通过压力控制器输入所要施加的孔压数值，压力控制器控制伺服增压器对一级增压后的施加孔压所用的注入介质进行二级增压，实验腔中的孔压注入孔在二级增压后的施加孔压所用的注入介质的作用下施加孔压。更优选地，当孔压数据监测件采集到的孔压数据达到压力控制器设定的孔压数值后，孔压维持在设定数值不变。

在上述地下气化试验方法中，优选地，围压、孔压施加后在进行步骤3)前进行试压，试压合格则进行步骤3)，试压不合格，则对煤炭地下气化试验系统进行检修后重新进行步骤1)；其中，围压、孔压施加完成36h，围压变化范围在±5％以内、孔压变化范围在±5％，试压合格。试压合格，可以认为煤炭地下气化试验系统密闭性良好具备进行后续操作的本条件。

在上述地下气化试验方法中，优选地，对围压数据、孔压数据、围压施加过程中所使用的注入介质的体积、围压施加过程中所使用的注入介质的流速、孔压施加过程中所使用的注入介质的体积和孔压施加过程中所使用的注入介质的流速中的至少一者进行采集。在一具体实施方式中，围压数据监测件将采集到的围压数据传输到压力控制器中，孔压数据监测件将采集到的孔压数据传输到压力控制器中，伺服增压器将围压、孔压施加过程中所用的注入介质的流速、体积等数据反馈到压力控制器中，压力控制器将所述围压数据、所述孔压数据、所述液量数据、流速数据、体积数据传输到计算机中进行存储和/或显示。

在上述地下气化试验方法中，优选地，所述进行煤层模拟气化包括：在对煤层注入助燃剂的条件下使用点火单元在第一点火位置进行煤层点火，煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，在下一点火位置重复进行煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的过程，直到最后的点火位置完成煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的操作，完成整个煤层模拟气化过程；煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理后排放；煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理后排放。更优选地，点火位置的设置自远离注入气化剂的位置至靠近注入气化剂的位置依次设置(第一点火位置相较于其他点火位置，距离注入气化剂的位置最远，后续点火位置距离注入气化剂的位置依次变近)。为了提高单个气化腔的煤炭气化量，同时控制点火位置改变过程中合成气热值降幅，避免合成气热值出现较大波动，当合成气热值降低到初始热值的65％-75％范围内时，下一点火位置重复进行煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的过程以开始新位置处的气化试验。点火位置自远离注入气化剂的位置至靠近注入气化剂的位置依次设置实现了模拟受控注入点连续后退工艺。

在上述地下气化试验方法中，优选地，在进行步骤3)煤层点火之前先进行管路吹扫；在一具体实施方式中，煤层点火之前先控制气化剂制备单元提供氮气对上述煤炭地下气化试验系统进行管路吹扫，吹扫半小时后开始进行煤层点火。

在上述地下气化试验方法中，优选地，所述助燃剂为氧气。

在上述地下气化试验方法中，助燃剂、气化剂的注入速度可以按照常规方式进行确定，例如基于气化剂压力、煤岩煤质、阻燃剂类型、模拟井眼直径多因素进行确定。

在一具体实施方式中，步骤3)煤层点火和向点着后的煤层注入气化剂的过程包括：通过点火控制器使井眼中的电热丝发热，并持续小排量注入氧气作为助燃剂，当确认煤层点着后注入气化剂，控制气化剂的注入流量和方式进行煤层气化。

在上述地下气化试验方法中，优选地，所述气化剂包括：空气气化剂、富氧空气气化剂和富氧空气+水蒸气气化剂中的至少一种。更优选地，当气化剂为富氧空气+水蒸气气化剂时，气化剂的注入采用两段式注入或者采用一段式注入；其中，两段式注入包括：第一段注入富氧空气，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-50％，富氧空气流速优选为0-30m³/h；这一阶段主要是煤炭氧化燃烧放热反应；第二段注入水蒸汽，水蒸气流速优选为0-30m³/h，这一阶段主要是发生水煤气反应和甲烷化反应；两个阶段依次重复进行；一段式注入为将富氧空气与水蒸气同时注入到煤层中，其中，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-50％且气化剂中水蒸气与氧气的质量比为2:1-4:1，气化剂流速优选为0-30m³/h。

在上述地下气化试验方法中，优选地，气化剂的流速优选为0-30m³/h。

在一具体实施方式中，使用空气作为气化剂，控制气化剂流速为0-30m³/h，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，拖动电热丝到下一点火位置，重复煤层点火和向点着后的煤层注入气化剂的过程。

在一具体实施方式中，使用富氧空气作为气化剂，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-90％，气化剂流速为0-30m³/h，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，拖动电热丝到下一点火位置，重复煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的过程。

在一具体实施方式中，使用富氧空气+水蒸气作为气化剂，气化剂的注入采用两段式注入；第一段注入富氧空气，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-50％，富氧空气流速为0-30m³/h，这一阶段主要是煤炭氧化燃烧放热反应；第二段注入水蒸汽，水蒸气流速为0-30m³/h，这一阶段主要是发生水煤气反应和甲烷化反应；两个阶段依次重复进行；，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，拖动电热丝到下一点火位置，重复煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的过程。

在一具体实施方式中，使用富氧空气+水蒸气作为气化剂，气化剂的注入采用一段式注入；富氧空气与水蒸气同时注入到煤层中，其中，富氧空气中氧气的体积浓度为21％-50％且气化剂中水蒸气与氧气的质量比为2:1-4:1，气化剂流速优选为0-30m³/h，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65％-75％时，拖动电热丝到下一点火位置，重复煤层点火和煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化的过程。

在一具体实施方式中，使用合成气处理单元中的气相色谱仪对合成气进行组分分析和计量，确定合成气的热值。

在上述地下气化试验方法中，优选地，在步骤3)中对气化剂的注入流速、压力、和温度数据进行采集。

在一具体实施方式中，煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理包括：产生的合成气经过除尘器、除焦器、除硫器分别除去合成气中的固体粉尘、焦油和含硫毒气，然后进入燃烧室进行合成气体燃烧处理，燃烧处理后的气体进行排放；其中，经过除尘器、除焦器、除硫器处理后的合成气使用气相色谱仪每间隔1-5分钟进行一次组分分析和计量。

在上述地下气化试验方法中，优选地，气化腔注浆使用石膏浆。

在一具体实施方式中，围压、孔压卸载及试验气化炉剖解包括：待实验腔注入的浆凝固后，关闭围压增压泵、孔压增压泵、通过压力控制器将围压、孔压归零，实验腔内的围压加压部件(例如液压杆)的泵压缓慢减小、作用力缓慢释放，直至围压数据监测件采集到的围压值为零，表明围压已经全部卸载；打开实验舱上的孔压卸压孔，直至孔隙压力采集件采集到的孔隙压力值为零，表明孔压已经全部卸载；待围压、孔压卸载完毕并冷却12小时后，对试验气化炉进行剖解取出实验腔注浆凝固后的产物。

真实煤层中含有煤层水，国内煤层一般都处于欠压实状态，即煤层的孔隙压力一般小于1MPa/100m，出于安全和环保考虑，煤炭地下气化现场试验时气化剂的注入压力都要小于煤层的孔隙压力，以减少气化过程中合成气向外运移，煤层孔隙压力的大小直接限制了煤炭地下气化过程中气化剂的注入压力，1500m以浅的煤层的气化压力必然小于15MPa，为了更科学的指导煤炭地下气化试验，需要在真实孔隙压力下进行开展气化模拟实验。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供的装置能够模拟煤炭真实赋存条件，能够模拟深煤层(例如1500米以下的煤层)的围压、孔压，解决了煤层围压、孔压加载难题、填补了该项试验技术空白。在一优选方案中，还能够实现模拟不同煤层产状和气化井型(例如U型水平井、双水平井)。在另一优选方案中，还能够模拟顶板坍塌后涌水对气化的影响。

(2)本发明提供的装置与其他设备配合组成的煤炭地下气化试验系统能够实现考虑煤层真实赋存条件的煤炭地下气化试验，通过模拟更真实的煤炭地下气化条件更科学、有效的指导煤炭地下气化工程实践和参数优化，填补了煤炭地下气化试验技术的空白。

(3)本发明提供的装置与其他设备配合组成的煤炭地下气化试验方法可以对煤层真实赋存状态进行模拟，考虑了煤层的真实产状和多种气化井型，能够实现煤层真实赋存条件下不同气化剂类型下的气化模拟以及数据采集分析，能够更加科学的指导工程实践。

附图说明

图1为实施例1提供的试验气化炉正视图。

图2为实施例1提供的试验气化炉左视图。

图3为实施例1提供的试验气化炉俯视图。

图4为实施例1提供的试验气化炉的实验腔左右内壁(侧)孔压注入孔示意图。

图5为实施例1提供的试验气化炉的实验腔上下内壁(侧)孔压注入孔示意图。

图6为实施例1提供的试验气化炉的外壳盖示意图。

图7为实施例1提供的孔压注入孔的局部放大图。

图8为实施例1提供的液压杆的局部放大图。

图9为实施例1提供的气化腔内筒的放大图。

图10实施例2提供的试验气化炉的热电偶、压力压变传感器、孔隙压力传感器的布置示意图。

图11为实施例2提供的煤炭地下气化试验系统示意图。

图12为实施例3提供的煤炭地下气化试验方法流程图。

主要附图标号：

1氧气瓶，2氮气瓶，3蒸汽生成器，4空气压缩机，5流量压力计量表，6热电偶温度计，7气化剂管线分阀门，8气化剂管线总阀门，9点火控制器，10气化炉外桶，11气化炉左端盖，12气化炉外壁旋转轮齿，13气化数据采集预留柱，14电动齿轮，15围压、孔压布线通道，16孔压卸压孔，17密封螺栓，18耐火砖，19支架，20液压支柱，21温度采集器，22应力数据采集器，23应变数据采集器，24孔隙压力采集器，25计算机，26孔压液源罐，27围压液源罐，28围压增压泵，29孔压增压泵，30压力控制阀，31伺服增压器，32压力控制器，33计算机，34净化管线控制阀，35除尘器，36除焦器，37除硫器，38气相色谱仪，39燃烧室，40气化腔外筒，41气化腔内筒，42液压杆，43孔压注入孔，44顶板，45底板，46气化腔左端盖，47密封螺栓，48井眼，49合成气产出通道1，50气化煤层，51气化剂注入通道，52合成气产出通道2，53压力传感器，54单向阀，55应力应变传感器，56热电偶，57孔隙压力传感器,58液压杆滑轨，59孔压布线槽，60液压杆固定底座，61液压伸缩杆62液压杆滑动头。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供一种能够适用于煤炭地下气化试验的试验气化炉，该实验气化炉的结构如图1-图9所示，具体包括气化炉炉体(即实验舱)和支架19；

所述气化炉炉体设有气化腔(即实验腔)、炉体外壳(即实验舱外壳)和耐火砖18；炉体外壳设于气化腔外部，耐火砖18设于炉体外壳与气化腔之间的空腔内；其中，

炉体外壳使用厚度1cm的耐高压钢板制备能够承受35MPa高压，其形状为圆柱体状，具体尺寸为长7m、外径2.8m；炉体外壳包括可拆卸连接的气化炉左端盖11(即外壳盖)和气化炉外桶10(即外壳桶体)，气化炉外桶10与气化炉左端盖11通过4个密封螺栓17可拆卸的连接在一起；气化炉外桶10的桶壁中部对称设有14个气化数据采集预留柱13(即数据采集布线通道)，作为气化腔中的围压数据监测件、孔压数据监测件、温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件的布线通道；气化炉外桶10的桶壁靠近桶底位置对称设有2个预留柱，分别作为围压、孔压布线通道15和孔压卸压孔16；

气化腔为长方体状包括可拆卸连接的气化腔左端盖46(即实验腔端盖)和气化腔桶体(即实验腔桶体)，气化腔桶体与气化腔左端盖46通过4个密封螺栓47可拆卸的连接在一起，所述气化腔桶体由双层筒体和桶底构成，所述双层筒体包括气化腔外筒40(即实验腔外筒)和气化腔内筒41(即实验腔内筒)，所述气化腔外筒40与桶底一体成型；所述气化腔内筒41由4个尺寸为面积为6m×1m的平板围成且该4块板围成两端开口的长方体或者正方体，对于每个平板而言，其中该平板仅一端抵靠在与其相邻的一个平板的板面上且该平板的板面作为与其相邻的另一个平板的抵靠板面，每个平板均可以沿其抵靠板面滑动(如图9所示)；由此所述平板形成的空间可以沿水平和竖直方向缩小或放大；气化腔外筒40使用抗温压钢材制备能够承受35MPa高压；气化腔外筒40的内壁与气化腔内筒41的外壁之间形成空腔，该空腔内设有围压施加部件，围压施加部件与围压管线连接(围压管线包括第一围压管线、第二围压管线)，所述围压施加部件为液压杆42；液压杆42设有依次连接的液压杆固定底座60、液压伸缩杆61和液压杆滑动头62，气化腔内筒41的外壁设有液压杆滑轨58；液压杆42的液压杆固定底座60固定于气化腔外筒40的内壁上，液压杆42的另一端液压杆滑动头62设置在气化腔内筒41的液压杆滑轨58内，液压杆滑动头62可以沿着液压杆滑轨58滑动；施加围压所用的注入介质通过围压管线进入液压杆42实现液压杆42对气化腔内筒41施加围压从而实现对装载于气化腔内筒41中的待检测样品施加围压；气化腔内筒41的上壁与气化腔外筒40的上壁之间形成的空腔等间距设有与第一围压管线连接的液压杆42共7×31个(7排×31列)、气化腔内筒41的前壁与气化腔外筒40的前壁之间形成的空腔等间距设有与第二围压管线连接的液压杆42共6×31个(6排×31列)、气化腔内筒41的后壁与气化腔外筒40的后壁之间形成的空腔等间距设有与第二围压管线连接的液压杆42共6×31个(6排×31列)、气化腔内筒41的下壁与气化腔外筒40的下壁之间形成的空腔等间距设有与第一围压管线连接的液压杆42共7×31个(7排×31列)；

气化腔内筒41的上壁、下壁、前壁、后壁内均设有孔压布线槽59，孔压布线槽59中铺设有孔压管线；气化腔内筒41的上壁、下壁、前壁、后壁均设有孔压注入孔43，孔压注入孔43与孔压管线(孔压管线包括第一孔压管线、第二孔压管线)连接且在孔压管线上设有单向阀54(设置单向阀54用以避免孔压注入介质回流)，施加孔压所用的注入介质通过孔压管线进入孔压注入孔43内对装载于气化腔内筒41中的待检测样品施加孔压；气化腔内筒41的上壁等间距设有与第二孔压管线连接的孔压注入孔43共8×30个(8排×30列)、气化腔内筒41的前壁等间距设有与第一孔压管线连接的孔压注入孔43共11×30个(11排×30列)、气化腔内筒41的后壁等间距设有与第一孔压管线连接的孔压注入孔43共11×30个(11排×30列)、气化腔内筒41的下壁等间距设有与第二孔压管线连接的孔压注入孔43共8×30个(8排×30列)；

气化腔进一步设有围压数据监测件和孔压数据监测件，其中，围压数据监测件用以采集气化腔内筒41的围压数据，选用应力传感器且该应力传感器设置于气化腔内筒41的筒壁表面；孔压数据监测件用以采集孔压注入孔的压力数据，选用压力传感器53且该压力传感器53与孔压注入孔43连接；

气化腔进一步设有数据采集组件，所述数据采集组件包括温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件；其中，温度数据采集件用以采集气化腔内筒41中装载的待检测样品的温度数据，温度数据采集件包括热电偶56和温度采集器21，热电偶56设于气化腔内筒41内部而温度采集器21设于气化炉炉体外部，热电偶56与温度采集器21通过气化数据采集预留柱13实现线路连接；应力应变数据采集件用以采集气化腔内筒41中装载的待检测样品的应力应变数据，应力应变数据采集件包括应力应变传感器55、应力数据采集器22和应变数据采集器23，应力应变传感器55设于气化腔内筒41内部而应力数据采集器22、应变数据采集器23设于气化炉炉体外部，应力应变传感器55与应力数据采集器22通过气化数据采集预留柱13实现线路连接，应力应变传感器55与应变数据采集器23通过气化数据采集预留柱13实现线路连接；孔隙压力数据采集件用以采集气化腔内筒41中装载的待检测样品的孔隙压力，孔隙压力数据采集件包括孔隙压力传感器57和孔隙压力采集器24，孔隙压力传感器57设于气化腔内筒41内部而孔隙压力采集器24设于气化炉炉体外部，孔隙压力传感器57与孔隙压力采集器24通过气化数据采集预留柱13实现线路连接；

气化炉外桶10的桶底设有圆柱状突起；

气化炉炉体设有一个气化剂注入通道51(即实验流体注入通道)以及合成气产出通道52(即实验流体产出通道)和合成气产出通道49(即实验流体产出通道)；实验流体注入通道以及实验流体产出通道均与气化腔内筒41连通；气化剂注入通道51和其中一个合成气产出通道52设于气化腔左端盖46上并通过气化炉左端盖11与外界连通，另一个合成气产出通道49设于气化腔桶体的桶底上并通过气化炉外桶10的桶底圆柱状突起与外界连通；

支架19设有底座以及与底座连接的立杆，底座下部设有与底座连接的可升降的液压支柱20，底座上部固定有两个电动齿轮14，气化炉外桶10的外表面设有能够与底座上的两个电动齿轮14相配合的轮齿称为气化炉外壁旋转轮齿12；底座上的电动齿轮14与气化炉外桶10外表面上的气化炉外壁旋转轮齿12啮合；气化炉炉体通过气化炉外桶10桶底的圆柱状突起坐落在支架19的立杆的滚动轴承中，同时配合支架19底座上的电动齿轮14实现支架19对气化炉炉体的固定和支撑，通过底座上的电动齿轮14与气化炉外桶10外表面上的轮齿啮合能够实现气化炉炉体的旋转，通过调节液压支柱20的高度能够调节实验舱与水平面的夹角；通过气化炉炉体旋转、高度调节可以模拟不同产状煤层，并能够模拟井眼与煤层复杂几何关系。

实施例2

本实施例提供一种能够适用于煤炭地下气化试验的煤炭地下气化试验系统，该煤炭地下气化试验系统如图11所示，具体包括实施例1提供的试验气化炉，气化剂制备单元，围压、孔压加载单元，合成气处理单元，数据采集单元和点火单元；气化剂制备单元与试验气化炉的气化剂注入通道51连接，用以向试验气化炉注入气化剂；围压、孔压加载单元分别通过试验气化炉的围压、孔压布线通道15与试验气化炉的围压注入管线和孔压注入管线连接，用以向试验气化炉施加围压和孔压；合成气处理单元与试验气化炉的合成气产出通道49(或合成气产出通道52)连接，用以处理试验气化炉产出的合成气；点火单元与气化剂制备单元以及试验气化炉连接，用以实现试验气化炉的气化腔内筒41中装载的待检测样品的点火操作；数据采集单元与试验气化炉中的数据采集件温度采集器21、应力数据采集器22、应变数据采集器23和孔隙压力采集器24连接，实时存储气化试验过程中的温度、应力应变和孔隙压力数据，用于后续分析；

气化剂制备单元能够实现空气、富氧空气、富氧空气与水蒸气的混合气三种气化剂类型的制备；气化剂制备单元包括氧气瓶1、氧气流量控制组件、氮气瓶2、氮气流量控制组件、蒸汽生成器3、蒸汽流量控制组件、空气压缩机4、空气流量控制组件，其中氧气流量控制组件、氮气流量控制组件、蒸汽流量控制组件、空气流量控制组件均包括依次连接的流量压力计量表5、热电偶温度计6和可控制开度的气化剂管线分阀门7；氧气瓶1与氧气流量控制组件连接形成氧气供给支路、氮气瓶2与氮气流量控制组件连接形成氮气供给支路、蒸汽生成器3与蒸汽流量控制组件连接形成蒸汽供给支路、空气压缩机4与空气流量控制组件连接用以形成空气供给支路；氧气供给支路、氮气供给支路、蒸汽供给支路和空气供给支路并联后与试验气化炉的气化剂注入通道51连接实现气化剂制备单元与试验气化炉的气化剂注入通道51连接，且在连接管路上设有气化剂管线总阀门8；

所述试验气化炉的气化腔内筒41中装载的待检测样品包括顶板44、煤层50、底板45，顶板44设于煤层50之上，底板45设有煤层50之下，且煤层50预制有井眼48，井眼48分别与气化剂注入通道51和合成气产出通道49(或者合成气产出通道52)连通；井眼48中设有可燃筛管或者套管用以支撑井眼；试验气化炉中的热电偶56设置于煤层50中用以采集实验过程中煤层50以及顶板44和底板45的温度数据，在待测样品中沿井眼48延伸方向等间距设置6组热电偶56，每组热电偶56均设置于待测样品上垂直于井眼48延伸方向的一个截面上且每组热电偶56设有4排共23个热电偶56，具体排布如图10所示，在每组热电偶56的设置截面上沿自顶板44到底板45的纵向上设置4排热电偶56且越靠近井眼48相邻热电偶56之间的排间距越小，在每排热电偶56中越靠近井眼48相邻热电偶56的间距越小；应力应变传感器55设置于煤层50顶部和顶板44上用以采集顶板44的应力应变数据，在待测样品中沿井眼48延伸方向等间距设置6组应力应变传感器55，每组应力应变传感器55均设置于待测样品上垂直于井眼48延伸方向的一个截面上且每组应力应变传感器55设有2排共14个应力应变传感器55，具体排布如图10所示，在每组应力应变传感器55的设置截面上越靠近井眼48相邻应力应变传感器55的间距越小；孔隙压力传感器57设置于煤层50上用以采集煤层50的孔隙压力，沿井眼48延伸方向等间距设置6组孔隙压力传感器57，每组孔隙压力传感器57均设置于待测样品上垂直于井眼48延伸方向的一个截面上且每组孔隙压力传感器57在井眼48两侧设置2个孔隙压力传感器57，具体排布如图10所示；每组热电偶56的设置截面与每组应力应变传感器55的设置截面以及每组孔隙压力传感器57的设置截面为同一截面；

数据采集单元包括计算机25，计算机25与试验气化炉中的数据采集件温度采集器21、应力数据采集器22、应变数据采集器23和孔隙压力采集器24连接，实时存储气化试验过程中的温度、应力应变和孔隙压力数据，用于后续分析；

所述围压、孔压加载单元包括伺服增压器31、压力控制器32、围压增压泵28、孔压增压泵29、围压液源罐27、孔压液源罐26和计算机33，所述围压液源罐27和孔压液源罐26分别提供施加围压所用的注入介质油和施加孔压所用的注入介质水；围压液源罐27与围压增压泵28连接形成围压一级增压支路，孔压液源罐26与孔压增压泵29连接形成孔压一级增压支路，围压一级增压支路与孔压一级增压支路并联后与伺服增压器31连接并且在连接管路上设有压力控制阀30，伺服增压器31的流体出口通过试验气化炉的围压、孔压布线通道15分别与试验气化炉的围压注入管线和孔压注入管线连接从而实现围压、孔压加载单元分别通过试验气化炉的围压、孔压布线通道15与试验气化炉的围压注入管线和孔压注入管线连接；压力控制器32与伺服增压器31连接用以控制伺服增压器31的压力施加控制，试验气化炉的围压数据监测件和孔压数据监测件分别与压力控制器31连接，将围压数据监测件和孔压数据监测件采集到的数据传输到压力控制器31中；计算机33与压力控制器31连接，用以对围压、孔压压力加载和卸载过程进行实时的监控、数据采集和分析；在进行围压加压时，围压液源罐27提供的注入介质经过围压增压泵28进行一级加压、然后再经过伺服增压器31进行二级加压，然后通过围压注入管线流入试验气化炉的围压施加部件为试验气化炉的围压施加部件提供压力，其中伺服增压器31按照所述压力控制器32中的压力值对注入介质进行二级增压并达到设定值；在进行孔压加压时，孔压液源罐26提供的注入介质经过孔压增压泵29进行一级加压、然后再经过伺服增压器31进行二级加压，然后通过孔压注入管线流入试验气化炉的孔压注入孔为试验气化炉的孔压注入孔提供压力，其中伺服增压器31按照所述压力控制器中的压力值对注入介质进行二级增压并达到设定值。伺服增压器通过高压密封管线与围压管线和孔压管线相连；

所述点火单元包括点火控制器9和电热丝，点火控制器9设置于气化剂制备单元与试验气化炉连接的管路上，所述点火控制器9作为点火开关，用于控制试验过程中初始点火和连续的后退点火操作，所述电热丝设置于试验气化炉装载的待测样品的井眼48中(具体而言，电热丝通过气化剂注入通道51进行设置，电热丝的一端设置于井眼48中，另外一端设置于试验气化炉外)用于提供试验过程中煤炭燃烧所需温度，配合助燃剂实现点火操作；通过拖动电热丝能够实现模拟不同的点火位置从而模拟受控注入点连续后退工艺；

合成气处理单元包括依次连接的除尘器35、除焦器36、除硫器37和燃烧室39，其中除硫器37与燃烧室39的连接管路上设有气相色谱仪38，除尘器35与试验气化炉的合成气产出通道49(或合成气产出通道52)连接从而实现合成气处理单元与试验气化炉的合成气产出通道49(或合成气产出通道52)连接且连接管路上设有净化管线控制阀34；除尘器35用于除去试验气化炉的合成气产出通道49(或合成气产出通道52)排出的合成气中的固体粉尘，除焦器36用于除去合成气中的焦油，除硫器37用于除去合成气中的含硫毒气，燃烧室39用于对合成气进行燃烧处理，气相色谱仪用以对除尘器35、除焦器36、除硫器37处理后的合成气进行组分分析和计量；

在上述煤炭地下气化试验系统中，所有承压的连接管线均使用能够承受至少35MPa压力并能够实现良好的密封的耐高压管线，所有管线上的阀门均能够有效控制管路的连通，并能良好密封。

实施例3

本实施例提供一种煤炭地下气化试验方法，该方法使用实施例2提供的煤炭地下气化试验系统进行流程如图12所示，该方法包括：

1)准备气化试验用顶板44、底板45和煤层50：根据待模拟地区的煤层的顶板、底板取心资料开展岩石力学试验，测得力学性质(弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度)，结合材料相似原理制备气化试验用顶板44、底板45；顶板44厚度为0.25m、长6m、宽1m，煤层50厚度为0.5m长6m、宽1m，底板45厚度为0.25m长6m、宽1m，将自模拟地区煤层获得的煤块切割成0.5m×0.5m×0.5m的规则立方体煤块，使用这些规则立方体煤块制备气化试验用煤层50；

预制井眼48并按照初次点火位置在预制的井眼48中设置电热丝：在煤层50中预制模拟U型水平井气化工艺所需要的井眼48，具体为在煤层50中预制单孔井眼48，人工预制井眼48直径为10cm，下入可燃套管以支撑井眼48，电热丝设置在距气化腔桶体的桶底约0.5m处即距离煤层填充进气化腔内筒41后靠近气化腔内筒41的右端面0.5m处；气化剂注入通道51与合成气产出通道49分别与井眼48连通，作为实验流体注入通道和实验流体产出通道；

顶板44、底板45和煤层50预安装热电偶56、应力应变传感器55、孔隙压力传感器57：在顶板44、底板45和煤层50中预制温度数据采集件、应力应变数据采集件以及孔隙压力数据采集件的安装孔，并将热电偶56、应力应变传感器55、孔隙压力传感器57安装到顶板44、底板45和煤层50中；热电偶56、应力应变传感器55、孔隙压力传感器57在顶板44、底板45和煤层50中的排布方式按照实施例2中热电偶56、应力应变传感器55、孔隙压力传感器57的排布方式(参见如图10所示)；

顶板44、底板45和煤层50装填：在气化腔内筒41中按照由下到上为底板45-煤层50-顶板44的顺序将底板45、煤层50和顶板44填充进气化腔内筒41中；其中，制备气化试验用煤层50的各煤块之间用煤粉、黏土进行涂抹，确保煤层的完整性；煤层50与顶板44、底板45连接处用煤粉和黏土进行涂抹，确保煤层50和顶板44、底板45的密封性和完整性；并在煤层50与气化腔内筒41的内壁间填充砂子；

然后将试验气化炉装配好，通过调整气化炉支架19上的电动齿轮14使气化炉炉体自转一定角度使煤层倾角为3.5°，并将整个煤炭地下气化试验系统连接好；对连接好的煤炭地下气化试验系统进行调试(确定线路连接正确，各部件功能正常、开关性能良好)，调试无问题后进行后续步骤2)；

2)根据模拟地区煤层的围压及孔压值进行围压、孔压施加：

本实施例中模拟的煤层深度为1000m，根据煤层气井资料、煤层钻孔资料、试井资料、阵列声波测井资料等获得煤层所受垂向应力为25.4MPa，水平主应力为18MPa，孔隙压力为8.5Mpa；

分别控制与第一围压管线连接的液压杆42、与第二围压管线连接的液压杆42进行围压施加，具体地：施加围压所用的注入介质经过围压增压泵28进行一级增压，通过压力控制器32输入所要施加的围压数值(其中，垂向作用力即与第一围压管线连接的液压杆42施加的围压数值为25.4MPa，水平作用力即与第二围压管线连接的液压杆42的围压数值为18MP)，压力控制器32控制伺服增压器31对一级增压后的施加围压所用的注入介质进行二级增压，在二级增压后的施加围压所用的注入介质的作用下气化腔中的液压杆42缓慢发生位移从而对气化腔内筒41施加垂向作用力和水平作用力用于模拟煤层上覆地层压力和水平主应力；当围压数据监测件采集到的围压数据达到压力控制器32设定的围压数值后，围压维持在设定数值不变；分别控制与第一孔压管线连接的孔压注入孔43、与第二孔压管线连接的孔压注入孔43进行孔压施加，具体地：施加孔压所用的注入介质经过孔压增压泵29进行一级增压，通过压力控制器32输入所要施加的围压数值(其中，顶板44孔压数值即与第二孔压管线连接的孔压注入孔43施加的孔压数值为8.4MPa，煤层50孔压数值即与第一孔压管线连接的孔压注入孔43施加的孔压数值为8.5MPa)，压力控制器32控制伺服增压器31对一级增压后的施加孔压所用的注入介质进行二级增压，在二级增压后的施加孔压所用的注入介质的作用下气化腔中的孔压注入孔43对煤层50、顶板44和底板45施加孔压；当孔压数据监测件采集到的孔压数据达到压力控制器32设定的孔压数值后，孔压维持在设定数值不变；

围压、孔压施加后进行试压，围压、孔压施加完成36h，围压变化范围在±5％以内、孔压变化范围在±5％，认为试压合格，试压合格则进行后续步骤3)，试压不合格，则对煤炭地下气化试验系统进行检修后重新进行步骤1)；

在围压、孔压施加过程中，对围压数据、孔压数据、围压施加过程中所使用的注入介质的体积、围压施加过程中所使用的注入介质的流速、孔压施加过程中所使用的注入介质的体积和孔压施加过程中所使用的注入介质的流速进行采集，具体的：围压数据监测件将采集到的围压数据传输到压力控制器32中，孔压数据监测件将采集到的孔压数据传输到压力控制器32中，伺服增压器31将围压、孔压施加过程中所用的注入介质的流速、体积等数据反馈到压力控制器32中，压力控制器将所述围压数据、所述孔压数据、所述液量数据、流速数据、体积数据传输到计算机33中进行存储和显示；

3)进行煤层50模拟气化：

在点火之前通过氮气2对管路进行吹扫，吹扫半小时后开始后续作业；

对煤层50注入助燃剂的条件下使用点火单元在第一点火位置进行煤层点火(具体的通过点火控制器9使得井眼48中在第一点火位置的电热丝工作，并持续以3m³/h小排量注入氧气作为助燃剂)，当确认煤层50点着后向煤层50注入气化剂进行煤层气化，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值70％时，在下一点火位置重复进行煤层点火和煤层50点着后向煤层50注入气化剂进行煤层气化的过程，直到最后的点火位置完成煤层点火和煤层50点着后向煤层50注入气化剂进行煤层气化的操作，完成整个煤层模拟气化过程；煤层50模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处单元进行处理后排放，具体为产生的合成气经过除尘器35、除焦器36、除硫器37分别除去合成气中的固体粉尘、焦油和含硫毒气，然后进入燃烧室39进行合成气体燃烧处理，燃烧处理后的气体进行排放；其中，经过除尘器35、除焦器36、除硫器37处理后的合成气使用气相色谱仪38每间隔1-5分钟进行一次组分分析和计量确定合成气中的可燃气体组分以及合成气的热值；

其中，点火位置一共有三个，由合成气产出通道49端到气化剂注入通道51端依次设置，相邻两个点火位置的间距为1.5m；

其中，注入的气化剂为空气气化剂，控制空气气化剂流速为25m³/h；

在煤层50模拟气化过程中对气化剂的注入流速、压力、和温度数据进行采集，使用试验气化炉的温度数据采集件、应力应变数据采集件、孔隙压力数据采集件进行数据采集，采集到的数据可以在数据采集单元计算机25中进行存储和分析；

4)气化腔注浆：煤层50模拟气化完成后，停止气化剂注入，使用氮气瓶2对气化炉进行吹扫，一方面排出气化炉中残存合成气，一方面冷却气化炉温度。氮气吹扫完成后，使用气化剂注入通道51向气化腔缓慢泵注石膏浆(泵注速度为28m³/h)，对气化燃烧区进行充填，候凝时间为36小时；

5)围压、孔压卸载及试验气化炉剖解：

待气化腔注入的石膏浆凝固后，关闭围压增压泵28、孔压增压泵29、通过压力控制器32将围压、孔压归零，伺服增压器31降低气化炉中液压杆42中压力值，液压杆42作用力缓慢释放，直至围压数据监测件采集到的围压值为零，表明围压已经全部卸载；打开气化炉炉体上的孔压卸压孔16，直至孔隙压力采集件采集到的孔隙压力值为零，表明孔压已经全部卸载；待围压、孔压卸载完毕后将试验气化炉冷却12小时，然后打开气化炉左端盖11、气化腔左端盖46，对试验气化炉进行剖解取出实验腔注浆凝固后的产物；

从而完成煤炭地下气化试验。

实施例4

本实施例提供一种煤炭地下气化试验方法，该方法与实施例3提供的气化试验方法区别仅在于注入的气化剂不同、气化剂流速不同，本实施例注入的气化剂为富氧空气，富氧空气中氧气的体积浓度为40％，控制气化剂流速为20m³/h。

实施例5

本实施例提供一种煤炭地下气化试验方法，该方法与实施例3提供的气化试验方法区别仅在于注入的气化剂不同、气化剂流速不同、气化剂注入方式不同，本实施例注入的气化剂为富氧空气+水蒸气，气化剂的注入采用两段式注入：第一段注入富氧空气，富氧空气中氧气的体积浓度为40％，控制气化剂流速为20m³/h，这一阶段主要是煤炭氧化燃烧放热反应；第二段注入水蒸汽，水蒸气流速为25m³/h，这一阶段主要是发生水煤气反应和甲烷化反应；两个阶段依次重复进行。

实施例6

本实施例提供一种煤炭地下气化试验方法，该方法与实施例3提供的气化试验方法区别仅在于注入的气化剂不同、气化剂流速不同，本实施例注入的气化剂为富氧空气+水蒸气，富氧空气中氧气的体积浓度为40％且气化剂中水蒸气与氧气的质量比为3:1，控制气化剂流速为25m³/h。

Claims (55)

1.一种煤炭地下气化试验系统，其中，该系统包括试验气化炉，气化剂制备单元，围压、孔压加载单元，合成气处理单元和点火单元；

所述试验气化炉包括实验舱，实验舱设有实验腔；所述实验腔包括可拆卸连接的实验腔端盖和实验腔桶体，所述实验腔桶体由桶底和双层筒体构成，所述双层筒体包括内筒和外筒；其中，所述内筒用于装载待检测样品；所述外筒与所述内筒之间形成空腔，所述空腔内设有围压施加部件，围压施加部件与围压注入管线连接；所述内筒的筒壁上设有孔压注入孔，所述孔压注入孔与孔压注入管线连接；所述实验腔桶体的桶底和/或实验腔端盖上设有实验流体注入通道、实验流体产出通道；所述实验流体注入通道以及实验流体产出通道均与实验腔内筒内部连通；

所述气化剂制备单元与所述试验气化炉的实验流体注入通道连接；围压、孔压加载单元分别与试验气化炉的围压注入管线和孔压注入管线连接；合成气处理单元与所述试验气化炉的实验流体产出通道连接；点火单元与气化剂制备单元以及试验气化炉连接，用以实现试验气化炉的实验腔内筒中装载的待检测样品的点火操作。

2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述围压施加部件包括若干液压杆，所述液压杆一端固定于所述外筒的内壁上，另一端作用于所述内筒的外壁上。

3.根据权利要求2所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述液压杆设有液压杆滑动头，所述内筒的外壁设有液压杆滑轨，通过所述液压杆的液压杆滑动头与所述内筒的液压杆滑轨进行滑轨滑动连接的方式实现液压杆与内筒的外壁连接。

4.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述实验腔的内筒是由4块板围成的两端开口的长方体；对于每块板，其中该板仅一端抵靠在与其相邻的一块板的板面上且该板的板面作为与其相邻的另一块板的抵靠板面；每块板均能够沿其抵靠板面滑动。

5.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述实验舱进一步设有围压数据监测件，该围压数据监测件用以采集实验腔内筒上的围压数据。

6.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述实验舱进一步设有孔压数据监测件，该孔压数据监测件用以采集孔压注入孔的压力数据。

7.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述实验舱进一步设有实验舱外壳，所述实验舱外壳设于所述实验腔的外部，所述实验舱外壳包括可拆卸连接的外壳盖和外壳桶体。

8.根据权利要求7所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述实验舱进一步设有耐火砖，所述耐火砖设于实验舱外壳与实验腔之间的空腔内。

9.根据权利要求7所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述试验气化炉还包括支架，所述支架与实验舱连接，用于固定、支撑实验舱并能实现实验舱自转。

10.根据权利要求9所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述支架设有底座，底座上固定有至少一个齿轮，所述实验舱的外壁上相应的设有能够与底座上的齿轮相配合的轮齿，通过底座上的齿轮与实验舱外壁上的轮齿啮合实现实验舱的旋转以及实验舱的固定和支撑。

11.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述试验气化炉还包括支架，所述支架与实验舱连接，用于固定、支撑实验舱并能实现调整实验舱与水平面之间的夹角。

12.根据权利要求11所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述支架设有底座以及至少两个与底座连接的可升降的支柱，实验舱固定在所述底座上。

13.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，实验舱设有至少一个数据采集布线通道，所述布线通道供实验腔内筒中装载的待检测样品的温度数据采集布线、供实验腔内筒中装载的待检测样品的应力应变数据采集布线和供实验腔内筒中装载的待检测样品的孔隙压力数据采集布线三者中的至少一者使用。

14.根据权利要求13所述的煤炭地下气化试验系统，其中，实验舱进一步设有数据采集组件，所述数据采集组件包括温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件三者中的至少一者；其中，温度数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的温度数据，应力应变数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的应力应变数据，孔隙压力数据采集件用以采集实验腔内筒中装载的待检测样品的孔隙压力。

15.根据权利要求14所述的煤炭地下气化试验系统，其中，温度数据采集件包括热电偶和温度采集器，热电偶设于实验舱内部而温度采集器设于实验舱外部，热电偶与温度采集器通过数据采集布线通道实现线路连接；应力应变数据采集件包括应力应变传感器和应力应变数据采集器，应力应变传感器设于实验舱内部而应力应变采集器设于实验舱外部，应力应变传感器与应力应变采集器通过数据采集布线通道实现线路连接；孔隙压力数据采集件包括压力传感器和压力采集器，压力传感器设于实验舱内部而压力采集器设于实验舱外部，压力传感器与压力采集器通过数据采集布线通道实现线路连接。

16.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，实验腔设有至少两个实验流体产出通道，其中至少一个实验流体产出通道与所述实验流体注入通道设于实验腔的同一端面上，至少一个实验流体产出通道在实验腔上的设置端面与所述实验流体注入通道在实验腔上的设置端面相对。

17.根据权利要求1-4任一项所述的煤炭地下气化试验系统，其中，通过所述围压施加部件能够实现对实验腔内筒中装载的待检测样品施加垂向作用力和水平作用力。

18.根据权利要求17所述的煤炭地下气化试验系统，其中，用以施加水平作用力的围压施加部件、用以施加垂向作用力的围压施加部件分别与不同的围压注入管线连接从而实现水平作用力、垂向作用力大小的分别控制。

19.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，通过所述孔压注入孔能够实现对实验腔内筒中装载的待检测样品施加垂向上的孔压和水平方向上的孔压。

20.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，用以对实验腔内筒中装载的待检测样品施加垂向上的孔压的孔压注入孔与用以对实验腔内筒中装载的待检测样品施加水平方向上的孔压的孔压注入孔分别和不同的孔压注入管线连接从而实现垂向上的孔压和水平方向上的孔压大小的分别控制。

21.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述实验舱设有孔压卸压孔。

22.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，孔压注入管线上设置单向阀。

23.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述实验舱外壁是圆柱体形状的。

24.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，实验腔能够承受至少35MPa压力并实现密封。

25.根据权利要求24所述的煤炭地下气化试验系统，其中，实验腔内筒、外筒、实验腔端盖以及实验腔桶体的桶底选用抗温抗压钢材。

26.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，孔压注入管线能够承受至少35MPa压力，围压注入管线能够承受至少35MPa压力。

27.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述气化剂制备单元能够实现空气、富氧空气、富氧空气与水蒸气的混合气三种气化剂类型中至少一者的制备。

28.根据权利要求14所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述气化剂制备单元包括氧气瓶、氧气流量控制组件、氮气瓶、氮气流量控制组件、蒸汽生成器、蒸汽流量控制组件、空气压缩机、空气流量控制组件，氧气流量控制组件与氧气瓶连接用以控制氧气的供给流量，氮气流量控制组件与氮气瓶连接用以控制氮气的供给流量，蒸汽流量控制组件与蒸汽生成器连接用以控制蒸汽的供给流量，空气流量控制组件与空气压缩机连接用以控制空气的供给流量。

29.根据权利要求28所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述气化剂制备单元进一步包括压力计量表和温度计两者中的至少一者，压力计量表用以计量氧气瓶供给的氧气和/或氮气瓶供给的氮气和/或蒸汽生成器供给的蒸汽和/或空气压缩机供给的空气和/或供给的气化剂的压力，温度计用以计量氧气瓶供给的氧气和/或氮气瓶供给的氮气和/或蒸汽生成器供给的蒸汽和/或空气压缩机供给的空气和/或供给的气化剂的温度。

30.根据权利要求29所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述试验气化炉的实验腔内筒中装载的待检测样品包括煤层，且煤层预制有井眼，所述井眼分别与所述实验流体注入通道和实验流体产出通道连通。

31.根据权利要求30所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述井眼中设有可燃筛管或者套管用以支撑井眼。

32.根据权利要求1、30、31中任一项所述的煤炭地下气化试验系统，其中，待检测样品进一步包括顶板和底板，顶板设于煤层之上，底板设于煤层之下。

33.根据权利要求32所述的煤炭地下气化试验系统，其中，当实验舱设有温度数据采集件时，温度数据采集件用以采集实验过程中煤层、顶板和/或底板的温度数据；当实验舱设有应力应变数据采集件时，用以采集顶板的应力应变数据；当实验舱设有孔隙压力数据采集件时，孔隙压力数据采集件用以采集煤层和/或顶板的孔隙压力。

34.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述围压、孔压加载单元包括伺服增压器、压力控制器、围压增压泵、孔压增压泵、围压液源罐和孔压液源罐，所述围压液源罐和孔压液源罐分别提供施加围压所用的注入介质和施加孔压所用的注入介质，围压液源罐、围压增压泵、伺服增压器依次连接，孔压液源罐、孔压增压泵、伺服增压器依次连接，伺服增压器的流体出口分别与试验气化炉的围压注入管线和孔压注入管线连接，压力控制器与伺服增压器连接。

35.根据权利要求34所述的煤炭地下气化试验系统，其中，试验气化炉设有围压数据监测件和孔压数据监测件，围压数据监测件用以采集实验腔内筒上的围压数据，孔压数据监测件用以采集孔压注入孔的压力数据，围压数据监测件和孔压数据监测件分别与压力控制器连接，将围压数据监测件和孔压数据监测件采集到的数据传输到压力控制器中。

36.根据权利要求34所述的煤炭地下气化试验系统，其中，围压、孔压加载单元进一步包括计算机，所述计算机与压力控制器连接，用以对围压、孔压压力加载和卸载过程进行实时的监控、数据采集和分析。

37.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述点火单元包括点火控制器和电热丝，所述点火控制器作为点火开关，用于控制试验过程中初始点火和连续的后退点火操作，所述电热丝设置于实验腔装载的待检测样品中。

38.根据权利要求37所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述电热丝的一端设置于实验腔装载的待检测样品中，另外一端设置于试验气化炉外，能够实现电热丝在实验腔装载的待检测样品中拖动。

39.根据权利要求14或15所述的煤炭地下气化试验系统，其中，当所述试验气化炉的实验舱设有温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件三者中的至少一者时，所述煤炭地下气化试验系统进一步包含数据采集单元，数据采集单元包括计算机，所述计算机与温度数据采集件、应力应变数据采集件和孔隙压力数据采集件三者中的至少一者连接，用以存储、分析与该计算机连接的数据采集件采集到的数据。

40.根据权利要求1所述的煤炭地下气化试验系统，其中，合成气处理单元包括除尘器、除焦器、除硫器和燃烧室，其中除尘器、除焦器、除硫器均设置于燃烧室之前；其中，除尘器用于除去实验流体产出通道排出的合成气中的固体粉尘，除焦器用于除去所述合成气中的焦油，除硫器用于除去所述合成气中的含硫毒气，燃烧室用于对所述合成气进行燃烧处理。

41.根据权利要求40所述的煤炭地下气化试验系统，其中，所述合成气处理单元进一步包括气相色谱仪，气相色谱仪用以对除尘器、除焦器、除硫器处理后的合成气进行组分分析和计量。

42.一种煤炭地下气化试验方法，该方法使用权利要求1-41中任一项所述的煤炭地下气化试验系统进行，该方法包括：

1）准备气化试验用顶板、底板和煤层，在煤层中按照需要模拟的井型预制井眼并按照初次点火位置在预制的井眼中设置电热丝，在实验腔内筒中按照由下到上为底板-煤层-顶板的顺序将底板、煤层和顶板填充进实验腔内筒中，并将上述煤炭地下气化试验系统连接好；通过调整实验舱与水平面的夹角以及使实验腔自转一定角度实现实验舱中煤层产状的调整，使实验舱中煤层产状与模拟地区煤层的产状相符；

2）根据模拟地区煤层的围压及孔压值进行围压、孔压施加；

3）进行煤层模拟气化：在对煤层注入助燃剂的条件下使用点火单元在点火位置进行煤层点火，煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化，完成煤层模拟气化过程；煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处理单元进行处理后排放；

4）气化腔注浆：向实验腔注浆从而对实验腔中煤层模拟气化燃烧区进行充填；

5）围压、孔压卸载及试验气化炉剖解：待实验腔注入的浆凝固后进行围压卸压和孔压卸压，围压卸压、孔压卸压结束且试验气化炉冷却后，对试验气化炉进行剖解取出实验腔注浆凝固后的产物；

从而完成煤炭地下气化试验。

43.根据权利要求42所述的煤炭地下气化试验方法，其中，

在准备气化试验用顶板、煤层、底板之前，进行模拟地区煤层的真实顶板、底板的岩石力学试验，然后根据测得的力学性质结合材料相似原理，制备气化试验用顶板、底板；

模拟地区煤层的围压及孔压值根据模拟地区的煤层气井资料、煤层钻孔资料、试井资料、阵列声波测井资料分析获得。

44.根据权利要求42所述的煤炭地下气化试验方法，其中，

当模拟U型水平井气化工艺时，在煤层中预制单孔井眼，实验流体注入通道以及实验流体产出通道分别在实验腔内筒的相对应的两端；

当模拟双水平井气化工艺时，在煤层中预制两个平行井眼，实验流体注入通道以及实验流体产出通道在实验腔内筒的同一端面上。

45.根据权利要求42所述的煤炭地下气化试验方法，其中，

围压施加包括施加垂向作用力和水平作用力；

孔压施加包括对煤层施加孔压和对顶板施加孔压。

46.根据权利要求42所述的煤炭地下气化试验方法，其中，所述进行煤层模拟气化包括：在对煤层注入助燃剂的条件下使用点火单元在第一点火位置进行煤层点火，煤层点着后向煤层注入气化剂进行煤层气化，当煤层气化产生的合成气热值降低到初始热值的65%-75%时，在下一点火位置重复进行煤层点火和气化操作，直到最后的点火位置完成煤层点火和气化，完成整个煤层模拟气化过程；煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处理单元进行处理后排放。

47.根据权利要求46所述的煤炭地下气化试验方法，其中，点火位置的设置自远离注入气化剂的位置至靠近注入气化剂的位置依次设置。

48.根据权利要求42所述的煤炭地下气化试验方法，其中，所述气化剂包括：空气气化剂、富氧空气气化剂和富氧空气+水蒸气气化剂中的至少一种。

49.根据权利要求48所述的煤炭地下气化试验方法，其中，当气化剂为富氧空气+水蒸气气化剂时，气化剂的注入采用两段式注入或者采用一段式注入；其中，

两段式注入包括：第一段注入富氧空气，富氧空气中氧气的体积浓度为21%-50%，富氧空气流速为0-30m³/h；第二段注入水蒸汽，水蒸气流速为0-30m³/h；两个阶段依次重复进行；

一段式注入为将富氧空气与水蒸气同时注入到煤层中，其中，富氧空气中氧气的体积浓度为21%-50%且气化剂中水蒸气与氧气的质量比为2:1-4:1，气化剂流速为0-30m³/h。

50.根据权利要求42所述的煤炭地下气化试验方法，其中，在气化试验用顶板和/或底板和/或煤层中预制温度数据采集件、应力应变数据采集件以及孔隙压力数据采集件的安装孔，并将温度数据采集件、应力应变数据采集件以及孔隙压力数据采集件安装到气化试验用顶板和/或底板和/或煤层中。

51.根据权利要求50所述的煤炭地下气化试验方法，其中，在步骤3）煤层模拟气化过程中，使用温度数据采集件、应力应变数据采集件、孔隙压力数据采集件进行数据采集。

52.根据权利要求42所述的煤炭地下气化试验方法，其中，对围压数据、孔压数据、围压施加过程中所使用的注入介质的体积、围压施加过程中所使用的注入介质的流速、孔压施加过程中所使用的注入介质的体积和孔压施加过程中所使用的注入介质的流速中的至少一者进行采集。

53.根据权利要求42所述的煤炭地下气化试验方法，其中，在步骤3）中对气化剂的注入流速、压力、和温度数据进行采集。

54.根据权利要求42所述的煤炭地下气化试验方法，其中，

步骤1）中将煤炭地下气化试验系统连接好后，先进行调试，调试无问题再进行后续步骤2）；

围压、孔压施加后在进行步骤3）前进行试压，试压合格则进行步骤3），试压不合格，则对煤炭地下气化试验系统进行检修后重新进行步骤1）；其中，围压、孔压施加完成36h，围压变化范围在±5%以内、孔压变化范围在±5%，试压合格；

在进行步骤3）煤层点火之前先进行管路吹扫；

使用合成气处理单元中的气相色谱仪对合成气进行组分分析和计量，确定合成气中的可燃气体组分以及合成气的热值；

煤层模拟气化过程中产生的合成气进入合成气处理单元进行处理包括：产生的合成气经过除尘器、除焦器、除硫器分别除去合成气中的固体粉尘、焦油和含硫毒气，然后进入燃烧室进行合成气体燃烧处理，燃烧处理后的气体进行排放。

55.根据权利要求42所述的煤炭地下气化试验方法，其中，在煤层与实验腔内筒中设有孔压注入孔的内壁间填充砂子。