煤炭地下气化燃空区覆岩裂隙演化及破断规律研究

It is accessible to clean coal mining by underground coal gasification, setting coal mining and converting process as a whole, which is widely considered as one of the most promising technologies to exploit clean energy and industrial chemicals at present. It is the key of theory and technology to efficiently control gasification space (or combustion space) not only for continuous, stable and safe aerogenesis of underground coal gasification, but also for gasification environment problems, such as prevention of gasescape, water inrush and subsidence. This research studies the deformation, crack evolution and fracture laws of cavity overlying rock during underground coal gasification, comprehensively using modern mechanics theory, advanced experiment technology, numerical simulation and similar physical simulation. The main research contents include: ①the physical mechanic properties, damage evolution laws and constitutive equations of cavity overlying rock under the coupled action of temperature and geostress; ②the space-time distribution features and the coupling mechanisms of temperature field and stress field in cavity overlaying rock; ③the deformation, crack development and evolution laws of cavity overlaying rock under the coupled action of temperature and geostress;④the structural fracture and caving laws of cavity overlaying rock;⑤the shape and its development features and the control mechanisms of cavity during underground coal gasification. The research results could provide significant theoretical basis and technology guidance for technology effective implement and overlaying rock control of underground coal gasification.

煤炭地下气化集采煤、转化工艺为一体，实现煤炭清洁开采，被广泛认为是目前开发清洁能源与化工原料最有前景的一项技术。有效控制煤炭地下气化空间(燃空区)扩展及覆岩顶板垮落是实现连续、稳定、安全产气的技术关键，也是防止煤气漏失、突水和控制地表沉陷等地下气化环境问题的理论与技术的关键。本项研究综合运用现代力学理论、先进的实验技术、数值模拟和相似物理模拟等手段，对煤炭地下气化过程中燃空区覆岩的变形、裂隙演化及破断规律进行系统研究，包括：温度与地应力耦合作用下燃空区覆岩的物理力学性能、损伤演化规律及本构方程等；燃空区覆岩应力场与温度场的时空分布特征及耦合作用机理；温度场与地应力场耦合作用下燃空区覆岩的变形运动、裂隙发育及演化规律；燃空区覆岩结构的破断及冒落规律等；煤炭地下气化过程中燃空区形态及其发展变化特征及控制机理等。研究成果可为煤炭地下气化技术的有效实施与覆岩控制提供重要的理论基础与技术指导。

本项目以国内某煤炭地下气化现场的工程地质条件为背景，综合采用物理相似模拟、数值模拟、理论分析以及现场实测相结合的研究手段和方法，对温度与应力共同作用下的燃空区覆岩变形、破坏以及裂隙扩展规律等进行了深入、系统地研究，取得了如下创新性成果：. (1) 进行了实时高温下(常温~800℃)不同岩性(包括泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩等)岩石试样的热物理性质和力学性质的实验室试验，获得了岩石比热容、导热系数、弹性模量以及抗压强度等参数随温度的演化规律，为研究温度场和应力场共同作用下燃空区覆岩裂隙演化及破断规律提供了基础试验数据。. (2) 以国内某煤炭地下气化现场的具体工程地质条件为原型，采用相似材料模拟试验手段对煤炭地下气化过程中燃空区扩展过程进行了物理模拟研究，获得了温度场和应力场影响下的燃空区覆岩破断、冒落形态及高度、裂隙扩展演化等规律，为煤炭地下气化现场工程设计提供了重要的指导依据。. (3) 基于实验室试验获得的岩石热物理和力学性质的参数，建立了高温下岩石热传导控制方程以及岩石损伤本构方程，并将其嵌入到RFPA以及COMSOL软件中，对温度和应力耦合作用下的燃空区扩展过程进行了数值模拟，深入研究了燃空区扩展过程中覆岩温度、应力的分布规律及覆岩破断和裂隙扩展演化规律。. (4) 在传统的岩层控制关键层理论的基础上，进一步借助热力学理论和弹性力学理论，建立了温度与应力共同作用下的燃空区覆岩关键层力学模型，从理论上研究了燃空区覆岩关键层的位置、初次破断及周期破断演化规律。. 本项目的研究成果对于指导煤炭地下气化燃空区覆岩稳定性控制具有重要的理论与工程意义。