CN114936353A - 一种煤炭地下气化地表残余变形计算方法 - Google Patents

一种煤炭地下气化地表残余变形计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种煤炭地下气化地表残余变形计算方法，适用于煤炭地下气化场地使用。说先确定气化后煤柱的高度、宽度以及拱高，之后实测数据计算煤炭地下气化后灰分生成率，从而确定气化后残留在燃空区的灰分厚度，根据煤柱剥离后煤块的碎胀系数、灰分厚度、气化后煤柱高度、宽度以及拱高计算气化后煤柱实际剥离宽度，确定灰分的力学属性，根据煤柱力学参数、高度与拱高、灰分厚度及其力学参数、上覆岩层压力计算气化后煤柱屈服区宽度，最终视气化后煤柱的屈服区宽度与剥离宽度为气化燃空区扩大宽度，并认为剥离前后气化区地表沉陷变形差值为地表残余变形值。其计算方法简单，为煤炭地下气化地表残余变形计算提供了科学的理论依据。

Description

一种煤炭地下气化地表残余变形计算方法
技术领域
本发明涉及一种地表残余变形计算方法，尤其适用于煤炭地下气化施工区域使用的一种煤炭地下气化地表残余变形计算方法。
技术背景
煤炭地下气化(UCG)是指集建井﹑采煤﹑转化工艺为一体的多学科开发清洁能源与化工合成气的新技术，是煤炭流态化开采的重要组成部分，是我国先进能源技术领域的重要方向之一。目前多种工艺的小规模煤炭地下气化工业性实验陆续取得成功，为进一步大规模实验和生产奠定了基础。但未来煤炭地下气化规模化生产设计及推广应用时，必然要计算地表残余变形值，来保证建(构)筑物及水体下安全气化采煤。因此，如何计算煤炭地下气化地表残余变形是亟待解决的瓶颈难题。
影响煤炭地下气化场地稳定的因素很多，其中煤炭地下气化地表残余变形是影响气化场地稳定的核心因素之一。虽然目前不少学者围绕传统井工开采后地表残余变形展开研究，但这些方法都未考虑气化后煤柱与燃空区特点不适用于煤炭地下气化地表残余变形，目前尚未有计算煤炭地下气化地表残余变形的计算方法。
发明内容
针对上述技术不足之处，提供一种步骤简单，精准度高，兼顾煤柱双曲线结构特点及残留固体废弃物性质的地下气化地表残余变形的计算方法。
为了实现上述技术目的，本发明的煤炭地下气化后煤柱两侧为双曲线型结构，气化后产生的燃空区两侧为煤柱或未气化煤层；
根据资料与实测数据确定双曲线型煤柱的高度数据、宽度数据、竖直方向的倾角以及拱高数据；
通过实测数据计算出煤炭地下气化后的灰分生成率，从而利用灰分生成率以及煤柱高度计算出气化后残留在燃空区的灰分厚度；
采集煤柱剥离后的煤块进行测试获得碎胀系数；
然后根据煤柱剥离后煤块的碎胀系数、燃空区的灰分厚度、双曲线型煤柱的高度、宽度和拱高计算气化后煤柱实际剥离宽度；
采集煤层上的煤样进行模拟气化，并根据规范或三轴试验确定煤层与顶底板岩层间的内聚力、内摩擦角；确定煤柱内的应力集中系数、上覆岩层容重以及侧压系数；确定灰分的平均容重、灰分内摩擦角、最危险滑面倾角以及气化后煤柱与灰分的摩擦角；
基于上述数据，计算气化后煤柱屈服区宽度，将屈服区宽度与剥离宽度认定为气化燃空区扩大宽度，并认定剥离前后气化区地表沉陷的变形差值等同于地下气化地表残余变形。
进一步，在风化、地下水浸蚀以及上覆岩层压力的协同作用下，气化后煤柱上部出现剥离，剥离后的煤块散落到气化后产生的燃空区内，并形成依靠气化后煤柱侧面堆积形成侧表面倾斜延伸至气化后煤柱顶端的煤堆，通过等效采厚理论，基于气化后灰分生成率kp，推导出灰分厚度H′＝kpm，m为气化后煤柱高度。
进一步，以气化后煤柱中心为原点，水平方向为x轴；垂直方向为y轴建立坐标系，设气化后煤柱剥离边界曲线为四分之一椭圆，气化后煤柱不高于灰分厚度的部分受灰分侧压力的影响产生少量剥离与膨胀，因此认为剥离煤块的碎胀系数为1；
根据气化后煤柱剥离后的几何特点，推导出双曲线型气化后煤柱剥离煤块体积Vp计算式为
Figure BDA0003672012720000021
式中，k为剥离煤块碎胀系数，设为1；d为气化后煤柱顶部剥离区宽度；θ为休止角；m为气化后煤柱高度；其中Vt表示气化后“双曲线”型煤柱与顶底板相交点的连线同煤柱“双曲线”型边界线组成的拱形的面积，Vr表示灰分在成拱区域的面积，Vs为剥离煤块中膨胀系数为1部分的面积。
其中，
Figure BDA0003672012720000022
Figure BDA0003672012720000023
Figure BDA0003672012720000024
上式中，
Figure BDA0003672012720000031
k为剥离煤块碎胀系数，d为气化后煤柱顶部剥离宽度；θ为休止角；a为拱高；L为气化后煤柱宽度与两侧拱高之和；u为双曲线右支的顶点位置，v为双曲线虚轴的一半；
根据煤块体积Vp建立等式：
Figure BDA0003672012720000032
通过迭代计算确定气化后煤柱顶部剥离区宽度d的值，迭代计算的计算误差小于10-5，进而通过下式计算气化后煤柱中部的剥离宽度即气化后煤柱实际剥离宽度b：
Figure BDA0003672012720000033
式中T为气化后煤柱宽度。
进一步，气化后煤柱边界曲型所受灰分侧压力为
Figure BDA0003672012720000034
式中，H′为灰分厚度；γ′为灰分的平均容重；φ为灰分内摩擦角；δ为气化后煤柱与灰分的摩擦角；α为气化后煤柱在竖直方向的倾角；θ′为最危险滑面倾角。
根据极限条件下平衡微分方程，求解得气化后煤柱发生塑性变形后屈服区宽度为
Figure BDA0003672012720000035
式中，m为气化后煤柱高度；A为弹性区与塑形区的侧压系数；
Figure BDA0003672012720000036
为煤层与顶底板岩层间的内摩擦角；P为灰分侧压力；Z为煤炭开采深度；k为煤柱内的应力集中系数；γ为上覆岩层的平均容重；C为煤层与顶底板岩层间的内聚力。
进一步，为保证气化场地安全稳定，当气化后煤柱剥离与屈服区宽度之和与燃空区扩大面积相等时最为可靠；若气化后煤柱剥离与屈服前采空区宽度为s1，根据概率积分法地表移动与变形预测模型计算气化后煤柱剥离与屈服前地表移动与变形值W1；然后采用提出的气化后煤柱剥离与屈服区宽度计算公式计算气化后煤柱剥离宽度b与屈服区宽度x0；在气化后煤柱屈服与剥离后采空区宽度扩大为s1+b+x0，并根据概率积分法预测模型得到气化后煤柱屈服与剥离后地表移动与变形值W2，将概率积分法预测模型计算得到的“双曲线”型气化后煤柱屈服与剥离前后地表移动与变形值作差，得到煤炭地下气化地表残余变形量W2-W1，进而实现气化场地地表残余变形预测。
有益效果：本方法通过考虑煤炭地下气化后煤柱为“双曲线”型的特点以及残留固体废弃物性质,建立了顾及“双曲线”型煤柱与灰分条件下的煤炭地下气化煤柱剥离与屈服区宽度计算方法，计算过程简便；并以此提出了煤炭地下气化地表残余变形计算方法，从而实现气化后地表残余变形的预测，在保证安全的情况下计算出可靠的地表残余变形值，为气化场地利用提供了科学的理论依据。
附图说明
图1为本发明煤炭地下气化中“双曲线”型煤柱剥离模型示意图。
图2为本发明对煤柱计算分区示意图。
图3为本发明煤炭地下气化地表残余变形计算方法中煤炭地下气化后煤柱力学模型示意图。
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、图2和图3所示，本发明的一种煤炭地下气化地表残余变形计算方法，煤炭地下气化后煤柱两侧为双曲线型结构，气化后产生的燃空区两侧为煤柱或未气化煤层；
根据资料与实测数据确定双曲线型煤柱的高度数据、宽度数据、竖直方向的倾角以及拱高数据；
通过实测数据计算出煤炭地下气化后的灰分生成率，从而利用灰分生成率以及煤柱高度计算出气化后残留在燃空区的灰分厚度；在风化、地下水浸蚀以及上覆岩层压力的协同作用下，气化后煤柱上部出现剥离，剥离后的煤块散落到气化后产生的燃空区内，并形成依靠气化后煤柱侧面堆积形成侧表面倾斜延伸至气化后煤柱顶端的煤堆，通过等效采厚理论，基于气化后灰分生成率kp，推导出灰分厚度H′＝kpm，m为气化后煤柱高度；
采集煤柱剥离后的煤块进行测试获得碎胀系数；
然后根据煤柱剥离后煤块的碎胀系数、燃空区的灰分厚度、双曲线型煤柱的高度、宽度和拱高计算气化后煤柱实际剥离宽度；
采集煤层上的煤样进行模拟气化，并根据规范或三轴试验确定煤层与顶底板岩层间的内聚力、内摩擦角；确定煤柱内的应力集中系数、上覆岩层容重以及侧压系数；确定灰分的平均容重、灰分内摩擦角、最危险滑面倾角以及气化后煤柱与灰分的摩擦角；
以气化后煤柱中心为原点，水平方向为x轴；垂直方向为y轴建立坐标系，设气化后煤柱剥离边界曲线为四分之一椭圆，气化后煤柱不高于灰分厚度的部分受灰分侧压力的影响产生少量剥离与膨胀，因此认为剥离煤块的碎胀系数为1；
根据气化后煤柱剥离后的几何特点，推导出双曲线型气化后煤柱剥离煤块体积Vp计算式为
Figure BDA0003672012720000051
式中，k为剥离煤块碎胀系数，设为1；d为气化后煤柱顶部剥离区宽度；θ为休止角；m为气化后煤柱高度；其中Vt表示气化后“双曲线”型煤柱与顶底板相交点的连线同煤柱“双曲线”型边界线组成的拱形的面积，Vr表示灰分在成拱区域的面积，Vs为剥离煤块中膨胀系数为1部分的面积；
其中，
Figure BDA0003672012720000052
Figure BDA0003672012720000053
Figure BDA0003672012720000054
上式中，
Figure BDA0003672012720000061
k为剥离煤块碎胀系数，d为气化后煤柱顶部剥离宽度；θ为休止角；a为拱高；L为气化后煤柱宽度与两侧拱高之和；u为双曲线右支的顶点位置，v为双曲线虚轴的一半；
根据煤块体积Vp建立等式：
Figure BDA0003672012720000062
通过迭代计算确定气化后煤柱顶部剥离区宽度d的值，迭代计算的计算误差小于10-5，进而通过下式计算气化后煤柱中部的剥离宽度即气化后煤柱实际剥离宽度b：
Figure BDA0003672012720000063
式中T为气化后煤柱宽度。
基于上述数据，计算气化后煤柱屈服区宽度，将屈服区宽度与剥离宽度认定为气化燃空区扩大宽度，并认定剥离前后气化区地表沉陷的变形差值等同于地下气化地表残余变形。
为保证气化场地安全稳定，当气化后煤柱剥离与屈服区宽度之和与燃空区扩大面积相等时最为可靠；若气化后煤柱剥离与屈服前采空区宽度为s1，根据概率积分法地表移动与变形预测模型计算气化后煤柱剥离与屈服前地表移动与变形值W1；然后采用提出的气化后煤柱剥离与屈服区宽度计算公式计算气化后煤柱剥离宽度b与屈服区宽度x0；在气化后煤柱屈服与剥离后采空区宽度扩大为s1+b+x0，并根据概率积分法预测模型得到气化后煤柱屈服与剥离后地表移动与变形值W2，将概率积分法预测模型计算得到的“双曲线”型气化后煤柱屈服与剥离前后地表移动与变形值作差，得到煤炭地下气化地表残余变形量W2-W1，进而实现气化场地地表残余变形预测。
实施例一、
首先利用矿区资料确定检测区域中待气化区域的地层情况，获得煤柱高度信息，同时确认该处煤层的物理力学性质，分析煤层的成分，其中地层情况包括煤炭地下气化区域地质采矿条件以及该区域煤样的物理、化学与力学性质资料。
然后依据煤层的物理力学性质和成分信息确定该区域煤层中灰分占总成分的平均灰分率kp；利用公式：H′＝kpm，则可以推导出该区域煤层若煤炭气化后遗留的灰分厚度H′，m为煤柱高度；
利用钻孔的方式获取待气化区域的煤层中的煤样，然后对采集的煤样进行燃烧处理并收集燃烧后的灰分，之后对燃烧后的灰分进行压力测试，进而得到灰分的力学参数。
如图1、图2所示，根据煤柱高度、宽度、拱高以及灰分厚度等计算煤柱剥离宽度。
如图3所示，根据煤柱力学性质以及灰分侧压力计算煤柱的屈服宽度。
根据概率积分法，选取适当的预测参数，并求解煤柱剥离与屈服前地下气化地表残余变形值；将煤柱剥离与屈服宽度相加作为燃空区扩大宽度，并代入概率积分法，求解煤柱剥离与屈服后地下气化地表残余变形值。
将上述剥离与屈服前后的地表残余变形值做差，所得值即为煤炭地下气化地表残余变形值。
实施例一、
步骤1：针对煤炭地下气化区域，收集研究区域地质采矿条件以及煤的物理、化学与力学性质等相关资料，了解煤炭地下气化工艺以及气化后的产物类型；
步骤2：根据收集的资料确定煤柱高度5m,依据煤层的性质和成分组成确定煤的平均灰分率27.85％,则可以计算得到煤的灰分厚度H′＝1.39m。
步骤3：根据资料确定，煤柱宽度为24m，煤柱高度为5m，可以计算得到煤柱剥离宽度为0.91m。
步骤4：根据经验以及物理力学试验得到灰分与煤柱与灰分间的力学参数以及煤柱力学参数如下表1与表2.
表1煤柱与灰分间的力学参数
Figure BDA0003672012720000071
表2煤柱力学参数
Figure BDA0003672012720000072
Figure BDA0003672012720000081
计算得灰分侧压力为26.57kN，代入公式解得煤柱最大屈服宽度为7.03m。从最不利的条件考虑，认为失去承载的总宽度为燃空区两侧煤柱剥离宽度和屈服区宽度之和，即为：7.03+0.91＝7.94m。
煤炭地下气化前后地表沉陷预测参数见表3和表4.
表3煤炭地下气化后煤柱剥离与屈服前的地表沉陷预计参数
Figure BDA0003672012720000082
表4煤炭地下气化后煤柱剥离与屈服后的地表沉陷预计参数
Figure BDA0003672012720000083
将上述参数带入概率积分法计算得剥离与屈服前地表沉陷最大值为39mm，剥离后地表沉陷最大值为74mm，故煤炭地下气化试验区的地表残余变形最大值为74-39＝35mm。

Claims (5)

1.一种煤炭地下气化地表残余变形计算方法，其特征在于：煤炭地下气化后煤柱两侧为双曲线型结构，气化后产生的燃空区两侧为煤柱或未气化煤层；
根据资料与实测数据确定双曲线型煤柱的高度数据、宽度数据、竖直方向的倾角以及拱高数据；
通过实测数据计算出煤炭地下气化后的灰分生成率，从而利用灰分生成率以及煤柱高度计算出气化后残留在燃空区的灰分厚度；
采集煤柱剥离后的煤块进行测试获得碎胀系数；
然后根据煤柱剥离后煤块的碎胀系数、燃空区的灰分厚度、双曲线型煤柱的高度、宽度和拱高计算气化后煤柱实际剥离宽度；
采集煤层上的煤样进行模拟气化，并根据规范或三轴试验确定煤层与顶底板岩层间的内聚力、内摩擦角；确定煤柱内的应力集中系数、上覆岩层容重以及侧压系数；确定灰分的平均容重、灰分内摩擦角、最危险滑面倾角以及气化后煤柱与灰分的摩擦角；
基于上述数据，计算气化后煤柱屈服区宽度，将屈服区宽度与剥离宽度认定为气化燃空区扩大宽度，并认定剥离前后气化区地表沉陷的变形差值等同于地下气化地表残余变形。
2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化地表残余变形计算方法，其特征在于：在风化、地下水浸蚀以及上覆岩层压力的协同作用下，气化后煤柱上部出现剥离，剥离后的煤块散落到气化后产生的燃空区内，并形成依靠气化后煤柱侧面堆积形成侧表面倾斜延伸至气化后煤柱顶端的煤堆，通过等效采厚理论，基于气化后灰分生成率kp，推导出灰分厚度H′＝kpm，m为气化后煤柱高度。
3.根据权利要求1所述煤炭地下气化地表残余变形计算方法，其特征在于：以气化后煤柱中心为原点，水平方向为x轴；垂直方向为y轴建立坐标系，设气化后煤柱剥离边界曲线为四分之一椭圆，气化后煤柱不高于灰分厚度的部分受灰分侧压力的影响产生少量剥离与膨胀，因此认为剥离煤块的碎胀系数为1；
根据气化后煤柱剥离后的几何特点，推导出双曲线型气化后煤柱剥离煤块体积Vp计算式为
Figure FDA0003672012710000011
式中，k为剥离煤块碎胀系数，设为1；d为气化后煤柱顶部剥离区宽度；θ为休止角；m为气化后煤柱高度；其中Vt表示气化后“双曲线”型煤柱与顶底板相交点的连线同煤柱“双曲线”型边界线组成的拱形的面积，Vr表示灰分在成拱区域的面积，Vs为剥离煤块中膨胀系数为1部分的面积；
其中，
Figure FDA0003672012710000021
Figure FDA0003672012710000022
Figure FDA0003672012710000023
上式中，
Figure FDA0003672012710000024
k为剥离煤块碎胀系数，d为气化后煤柱顶部剥离宽度；θ为休止角；a为拱高；L为气化后煤柱宽度与两侧拱高之和；u为双曲线右支的顶点位置，v为双曲线虚轴的一半；
根据煤块体积Vp建立等式：
Figure FDA0003672012710000025
通过迭代计算确定气化后煤柱顶部剥离区宽度d的值，迭代计算的计算误差小于10-5，进而通过下式计算气化后煤柱中部的剥离宽度即气化后煤柱实际剥离宽度b：
Figure FDA0003672012710000026
式中T为气化后煤柱宽度。
4.根据权力要求1所述的煤炭地下气化地表残余变形计算方法，其特征在于：气化后煤柱边界曲型所受灰分侧压力为：
Figure FDA0003672012710000027
式中，H′为灰分厚度；γ′为灰分的平均容重；φ为灰分内摩擦角；δ为气化后煤柱与灰分的摩擦角；α为气化后煤柱在竖直方向的倾角；θ′为最危险滑面倾角；
根据极限条件下平衡微分方程，求解得气化后煤柱发生塑性变形后屈服区宽度为
Figure FDA0003672012710000031
式中，m为气化后煤柱高度；A为弹性区与塑形区的侧压系数；
Figure FDA0003672012710000032
为煤层与顶底板岩层间的内摩擦角；P为灰分侧压力；Z为煤炭开采深度；k为煤柱内的应力集中系数；γ为上覆岩层的平均容重；C为煤层与顶底板岩层间的内聚力。
5.根据权利要求1所述的煤炭地下气化地表残余变形计算方法，其特征在于：为保证气化场地安全稳定，当气化后煤柱剥离与屈服区宽度之和与燃空区扩大面积相等时最为可靠；若气化后煤柱剥离与屈服前采空区宽度为s1，根据概率积分法地表移动与变形预测模型计算气化后煤柱剥离与屈服前地表移动与变形值W1；然后采用提出的气化后煤柱剥离与屈服区宽度计算公式计算气化后煤柱剥离宽度b与屈服区宽度x0；在气化后煤柱屈服与剥离后采空区宽度扩大为s1+b+x0，并根据概率积分法预测模型得到气化后煤柱屈服与剥离后地表移动与变形值W2，将概率积分法预测模型计算得到的“双曲线”型气化后煤柱屈服与剥离前后地表移动与变形值作差，得到煤炭地下气化地表残余变形量W2-W1，进而实现气化场地地表残余变形预测。
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