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        煤炭地下氣化巖層移動與控制進展及展望

        2018-09-13 12:25:18郭廣禮李懷展
        現(xiàn)代測繪 2018年4期
        關鍵詞:覆巖氣化爐煤柱

        郭廣禮李懷展

        (中國礦業(yè)大學國土環(huán)境與災害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室、江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室,江蘇 徐州221116)

        0 引 言

        煤炭地下氣化(簡稱UCG)是將地下煤炭進行有控制的燃燒,通過煤的熱作用及化學作用而產(chǎn)生可燃氣體輸出到地表并進行利用的方法[1-6];其實質是直接提取煤中含能成分,將灰渣等廢棄物留在地下;同時通過與巖層控制技術相結合消除或大幅度減輕巖層和地表沉陷的災害性影響,可回收傳統(tǒng)井工開采難以開采的“三下”壓煤呆滯資源和薄煤層及深部煤層難采資源;可以實現(xiàn)真正意義上的煤炭綠色開采與清潔利用。因此,順應世界低碳發(fā)展的能源供應結構調整需求,發(fā)展煤炭地下氣化是環(huán)境保護的需要,也是我國流態(tài)化開采開展的重要技術方向之一。

        1868年德國科學家Sir William首次提出了煤炭地下氣化概念[7]。經(jīng)過世界學者150年左右的努力,已基本形成了滿足產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)需求的煤炭地下氣化工藝。煤炭地下氣化可分為無井式氣化工藝和有井式氣化工藝,應用于工業(yè)性試驗的無井式煤炭地下氣化工藝主要有美國后退式控制注氣地下氣化工藝(CRIP)[8]、加拿大εUCGTM技術[8]和中國“條采-面采”氣化爐后退式控制注氣地下氣化工藝(SMFM-CRIP)[9];有井式地下氣化工藝應用最廣泛的是中國“長通道、大斷面、兩階段”氣化工藝[10]??偟脕碚f,煤炭地下氣化發(fā)展勢頭很好,現(xiàn)有氣化工藝基本能滿足產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)。

        在目前已完成的地下氣化工業(yè)性試驗中,如澳大利亞Chinchilla項目[8]、安格連斯可(Angren)UCG項目[8]、南非 Majuba UCG項目[8]、中國烏蘭察布礦UCG項目[9]、中國華亭UCG項目[11],由于實驗區(qū)規(guī)模相對較小,同時氣化面間隔離煤柱相對較大,試驗中較好保證了氣化爐和燃空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性,也沒有導致明顯的地表沉降發(fā)生。但是,隨著地下氣化試驗規(guī)模的擴大和推廣應用以及必須顧及的資源采出率問題,地下氣化爐圍巖失穩(wěn)、巖層及地表沉陷等巖層移動與控制問題將成為制約煤炭地下氣化技術進一步發(fā)展的核心瓶頸問題。

        基于此,本文在簡要分析不同煤炭地下氣化工藝特征和燃空區(qū)空間形態(tài)基礎上,介紹了地下燃空區(qū)圍巖高溫效應、燃空區(qū)圍巖移動與變形機理、燃空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律以及地下氣化地表沉陷預測方法等方面的國內外進展,并提出了相應研究思路,以期通過本文促進學者了解及掌握煤炭地下氣化巖層移動與控制方面的研究現(xiàn)狀,吸引更多學者加入這項研究,加速煤炭地下氣化高溫-地應力耦合作用下巖層移動與控制體系的建立。

        1 煤炭地下氣化巖層移動與控制研究進展

        無論是無井式還是有井式地下氣化工藝,主要區(qū)別在于氣化通道的建立方式不同和燃燒控制工藝的區(qū)別。對于煤炭地下氣化的巖層移動與控制,需要關注的重點是煤炭地下氣化場中氣化爐燃空區(qū)、氣化爐間隔離煤柱的幾何特征及其圍巖在高溫、地應力耦合作用下的力學特征,以及上述因素對上覆巖層移動和地表沉陷的影響機理與控制問題。本節(jié)主要介紹煤炭地下氣化巖層移動與控制的研究進展。

        1.1 地下氣化爐燃空區(qū)和隔離煤柱的幾何概化模型

        隨著氣化作用的進行,一個由煤、焦、碎石、煤灰和它們之間的空腔組成的燃空區(qū)逐漸形成并不斷擴大。燃空區(qū)擴展過程中形態(tài)變化一方面影響氣化通道的穩(wěn)定性;另一方面還決定煤炭資源的回收效率和生成合成氣的質量,從而決定了煤炭地下氣化的可行性分析、規(guī)劃、選址、工藝選擇和氣化過程中對環(huán)境的影響。

        為此,眾多學者對UCG的燃空區(qū)幾何形態(tài)進行了大量的研究。主要集中在以下2個方面:① 煤炭地下氣化燃空區(qū)形態(tài)擴展現(xiàn)場探測與理論分析,如 Oliver[12]、Jerald[13]、 Wilk[14]、 Mellors[15]、Najafi[16]等利用現(xiàn)場實測及理論分析方法研究了地下氣化燃空區(qū)形態(tài);② 煤炭地下氣化燃空區(qū)形態(tài)擴展 模 擬 研 究, 如 Daggupati[17]、Prabu[18]、Nourozieh[19]等利用數(shù)值模擬及物理方法研究了地下氣化燃空區(qū)形態(tài)?,F(xiàn)有圍繞煤炭地下氣化燃空區(qū)形態(tài)的研究主要是針對CRIP工藝開展的。根據(jù)CRIP工藝燃空區(qū)形態(tài)研究成果及其工藝特征,可以推測出最終燃空區(qū)形態(tài)為寬度約30多米,高度約為煤厚的長條狀、扁橢圓型空間體。

        在分析、歸納國內外學者關于地下氣化燃空區(qū)幾何形態(tài)及其擴展過程基礎上,筆者結合理論分析和烏蘭察布地下氣化試驗場“條采-面采”氣化爐后退式控制注氣地下氣化工藝的燃空區(qū)形態(tài)現(xiàn)場實測成果,提出了“條采-面采”后退式控制地下氣化燃空區(qū)最終幾何形態(tài)的概化模型[20]。

        (1)單一氣化爐燃空區(qū)的橫斷面形態(tài)為寬扁圓形態(tài)(圖1a)。寬扁圓形態(tài)燃空區(qū)的寬度取決于地下氣化工藝,一般為15~35 m;燃空區(qū)的高度一般為氣化煤層厚度,當存在高含碳量泥巖偽頂時,其高度應為煤層和偽頂總高度;燃空區(qū)的縱向長度取決于地下氣化爐設計推進長度。

        (2)相鄰氣化爐燃空區(qū)中間隔離煤柱的橫斷面形態(tài)為“雙曲線型”扁柱體(圖1b)。扁柱體兩側的曲線形態(tài)取決于煤層結構等因素,煤層結構越簡單、均質性越好,則曲線形態(tài)約規(guī)則,可近似看作是圓曲線;柱體的高度近似等于兩側燃空區(qū)的高度。

        圖1 “條采-面采”地下氣化爐后退式控制地下燃空區(qū)幾何形態(tài)概化模型

        1.2 地下燃空區(qū)圍巖高溫效應

        除幾何形態(tài)外,地下氣化燃空區(qū)圍巖的物理力學性質是影響其移動與變形的另一個主要控制因素。因此,掌握地下燃空區(qū)圍巖高溫效應是研究圍巖移動與變形機理的關鍵。地下燃空區(qū)圍巖的高溫效應包括溫度場的空間分布及溫度場作用下圍巖力學性質變化規(guī)律。萬志軍[20]、Ranjith[21]、唐芙蓉[22]、Hettema[23]、Akbarzadeh[24]等對煤系地層高溫和高溫后巖石基本物理力學性質變化規(guī)律進行了研究,為煤炭地下氣化高溫-地應力耦合環(huán)境氣化爐圍巖高溫效應研究提供了重要參考。同時Seifi[25]、楊蘭和[26]、辛林[27]、趙明東[28]及李懷展[20]等利用數(shù)值模擬與理論分析方法研究了地下氣化燃空區(qū)圍巖溫度場的空間分布規(guī)律。

        綜上所述,煤炭地下氣化巖層移動中的高溫效應主要體現(xiàn)在高溫影響下煤的焦化特征和巖石物理力學性能的變化。因此,在研究地下氣化巖層移動理論模型、數(shù)值模型或相似材料模型時,可以根據(jù)地下氣化溫度場分布特征與不同煤種及巖石物理力學性質與溫度變化關系的實驗室成果,通過科學劃定溫度影響帶及其相應的材料性質,實現(xiàn)高溫效應對巖層移動的影響研究。

        1.3 燃空區(qū)圍巖移動與變形機理

        掌握隔離煤柱支撐下的覆巖及地表移動機理與規(guī)律是建立帶狀地下氣化地表沉陷預測模型的關鍵。為此,必須要研究氣化爐間隔離煤柱的承載機理及其支撐下的覆巖和地表移動機理與規(guī)律。故本節(jié)主要圍繞煤柱承載機理及穩(wěn)定性和覆巖及地表移動機理與規(guī)律等2方面進行現(xiàn)狀概述。

        1.3.1 煤柱承載機理及穩(wěn)定性

        同時部分學者圍繞地下氣化爐間隔離煤柱承載機理與穩(wěn)定性評價開展了探索性研究。如Najafi[29]基于安全系數(shù)法開發(fā)了煤炭地下氣化條帶煤柱穩(wěn)定性分析軟件;余鋒[30]提出了依靠干餾組合碹提高氣化爐周圍煤體的承載能力和整體穩(wěn)定性。但是現(xiàn)有圍繞地下氣化隔離煤柱承載機理與穩(wěn)定性的研究均未考慮隔離煤柱的形態(tài)、高溫-地應力耦合環(huán)境以及煤種影響。隔離煤柱的形態(tài)、高溫-地應力耦合環(huán)境均會影響煤柱承載機理,進而影響覆巖及地表移動規(guī)律。同時不同種類的煤在氣化后力學性質變化規(guī)律不同,焦煤、肥煤等煙煤氣化后會在燃空區(qū)兩側煤柱形成焦化殼,使煤柱在一定范圍強度增大。褐煤、煙煤、氣煤、不粘煤等氣化后不能形成焦炭,氣化后兩側煤柱在一定范圍內強度減小。因此,后續(xù)可利用數(shù)值模擬、物理模擬及理論分析相結合的方法,研究隔離煤柱形態(tài)、高溫-地應力環(huán)境以及煤種對隔離煤柱穩(wěn)定性的影響,進而建立更為合理的氣化隔離煤柱穩(wěn)定性評價方法。

        1.3.2 覆巖及地表移動機理與規(guī)律

        部分學者圍繞煤炭地下氣化巖層及地表移動規(guī)律開展了探索性研究。如Evans等[31]采用二維有限元模型研究了采場圍巖的干燥、熱載荷、熱軟化以及時變巖石力學性質等因素對地表沉陷規(guī)律的影響;Sutherland[32]運用塊體模型模擬了因氣化空間擴展而引起的地表沉陷;辛林[27]根據(jù)建立的條帶地下氣化工作面覆巖移動與地表沉陷觀測站,分析了條帶氣化工作面極不充分開采引起的地表移動與變形規(guī)律。

        從現(xiàn)有研究現(xiàn)狀來看,目前圍繞煤炭地下氣化巖層及地表移動機理與規(guī)律的研究主要是針對CRIP工藝和“長通道、大斷面、兩階段”氣化工藝,而對于“條采-面采”氣化爐后退式控制注氣地下氣化工藝的覆巖及地表移動機理與規(guī)律,亟待開展相關研究。

        1.4 燃空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律

        掌握覆巖裂隙發(fā)育機理、控制覆巖裂隙發(fā)育是進行水體下安全采煤的關鍵。以下顯示了“條采-面采”氣化爐后退式控制注氣地下氣化覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律(圖2)??紤]煤炭地下氣化后將固體廢棄物遺留至地下燃空區(qū),若裂隙發(fā)育波及含水層,則引起的地下水污染相對常規(guī)井工開采更為嚴重。因此,開展燃空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育機理與規(guī)律研究迫在眉睫,且要求更高。

        圖2 “條采-面采”氣化爐后退式控制注氣地下氣化覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律

        在煤炭地下氣化覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律方面,Su[33]利用物理模擬方法研究了CRIP燃空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律;唐芙蓉[22]、林剛[34]、趙明東[28]等利用相似模擬與物理模擬相結合的方法研究了SMFM-CRIP燃空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律。但上述研究主要是針對SMFM-CRIP走向裂隙發(fā)育規(guī)律開展的,類似垮落法開采,而未考慮傾向尺寸對裂隙發(fā)育規(guī)律的影響,也未考慮燃空區(qū)形態(tài)的影響。

        1.5 地下氣化地表沉陷規(guī)律和預計方法

        地表沉陷是煤礦開采環(huán)境問題的主要根源之一。目前地下氣化工業(yè)性試驗規(guī)模相對較小、氣化面間隔離煤柱相對較大,沒有出現(xiàn)明顯地表沉陷災害問題。但是,隨著地下氣化燃場規(guī)模的擴大,雖然成功的氣化爐和隔離煤柱尺寸設計可以保證地下氣化工程的順利實施,但難以完全避免地面沉陷現(xiàn)象;大量常規(guī)煤礦中條帶開采、房式開采區(qū)的地面沉陷現(xiàn)象及其造成的建(構)筑物損壞已經(jīng)證實了這一點。以下顯示了“條采-面采”氣化爐后退式控制注氣地下氣化巖層及地表移動(圖3)。因此,未來規(guī)模化的地下氣化場地表沉陷將成為該項技術推廣應用中必須考慮的問題。

        圖3 “條采-面采”氣化爐后退式控制注氣地下氣化巖層及地表移動圖

        目前針對煤炭地下氣化地表沉陷預計的相關研究較少且均未考慮煤種類的影響。為此,筆者及其團隊提出了以下兩個煤炭地下氣化地表沉陷預測方法。

        1.5.1 理論方法——連續(xù)-隨機介質耦合模型法

        基于前述煤炭地下氣化巖層移動的連續(xù)-隨機介質耦合模型:① 首先采用連續(xù)介質理論計算頂板-煤柱-底板支撐體系頂板巖層上界面的沉陷盆地(圖4);② 然后將這個沉陷盆地采用三角形剖分方法形成虛擬開采單元集合;③ 采用基于隨機介質理論的概率積分影響函數(shù)積分計算上方的地表移動與變形。

        圖4 燃空區(qū)頂板-煤柱-底板協(xié)同變形下頂板上界面的三維下沉圖

        結合烏蘭察布地下氣化場地質采礦條件,采用基于連續(xù)-隨機介質理論的地表沉陷預測方法編程計算,得到地表下沉最大值為52 mm,地面CG05監(jiān)測點處(偏離最大下沉點約10 m)的地表下沉預測值43 mm,與實測值36 mm相比,較為接近。

        顯然,該理論模型由于涉及計算參數(shù)眾多和上覆巖土層物理力學性質的復雜性,只能用于理論研究,而并不適用于現(xiàn)場實際應用。

        1.5.2 實用方法——基于“實際采厚”的概率積分法

        根據(jù)前述煤炭帶狀地下氣化地表沉陷的基本規(guī)律,可以近似認為其基本符合概率積分法地表移動模型;結合我國豐富的煤礦條帶開采地表沉陷預測經(jīng)驗,可構建一種比較實用的帶狀地下氣化地表沉陷預測方法——基于“實際采厚”的概率積分法。

        基本思想:假定煤炭帶狀地下氣化地表沉陷基本符合概率積分法模型;將氣化場帶狀燃空區(qū)和隔離煤柱近似看作是常規(guī)條帶開采的留設煤柱和帶狀采空區(qū);將包含隔離煤柱的整個氣化區(qū)域作為計算面積,用實際采厚(氣化煤層厚度減去燃空區(qū)灰分殘渣壓密厚度)作為開采厚度,基于采留比、煤種和上覆巖層性質綜合選定預計參數(shù);借用概率積分法模型計算地表移動和變形。

        初步研究成果表明,采用該方法計算較簡單,概率積分法參數(shù)可依據(jù)條帶開采經(jīng)驗參數(shù)根據(jù)上覆巖性、煤種等適當調整,或依據(jù)少量實測數(shù)據(jù)反演確定;燃空區(qū)殘渣壓密厚度可參照煤層灰分、含矸率估計和根據(jù)現(xiàn)場取樣實驗室測定。

        結合烏蘭察布地下氣化場地質采礦條件和鉆探資料,估算等價采高為3.608 m,反演得到本區(qū)地下氣化的概率積分法預測參數(shù)(表1),擬合得到地表下沉最大值為95 mm,地面CG05監(jiān)測點處的擬合地表下沉值為80 mm(實測值為36 mm)。預測值較實測結果偏大,這可能是由于工業(yè)性實驗規(guī)模較小,氣化范圍有限,覆巖結構起主導作用,從而致使預測結果偏大導致的。但從實際工程而言,預計結果偏大更有利于工程安全。

        表1 烏蘭察布礦帶狀地下氣化的概率積分法預測參數(shù)

        2 煤炭地下氣化巖層移動與控制研究展望

        煤炭地下氣化是前景廣闊的“第二代采煤法”,煤炭地下氣化場的巖層移動與控制問題是其未來大規(guī)模推廣的關鍵技術瓶頸之一。開展前瞻性的煤炭地下氣化巖層控制研究具有重要的理論意義和實用價值。由于地下氣化場的高溫-地應力耦合作用和地質條件與巖層移動的復雜性,系統(tǒng)的煤炭地下氣化巖層移動與控制研究才剛剛起步。根據(jù)近年來開展煤炭地下氣化巖層移動研究進展,結合長期以來煤礦開采沉陷及其控制研究實踐經(jīng)驗,提出下一步應該重點關注及開展的主要研究方向。

        (1)地下氣化燃空區(qū)形態(tài)及其擴展過程研究:地下氣化燃空區(qū)形態(tài)及其擴展的多源監(jiān)測與綜合探測技術研究,地下氣化工藝對燃空區(qū)形態(tài)及其擴展的控制作用,煤種、煤質及煤層結構對燃空區(qū)形態(tài)及其擴展的控制作用等。

        (2)燃空區(qū)圍巖高溫-地應力耦合作用變形機理:地層結構、巖性、水文地質條件對燃空區(qū)圍巖溫度場擴散與分布規(guī)律的影響,高溫-地應力耦合作用下頂板結構、巖性變化及其對燃空區(qū)穩(wěn)定性影響研究,燃空區(qū)隔離煤柱物理結構及力學與變形特征研究,面向氣化工藝的氣化爐、隔離煤柱幾何設計等。

        (3)地下氣化燃空區(qū)覆巖破裂與地下水滲流相互作用機制:高溫-地應力耦合作用下燃空區(qū)覆巖破裂與裂隙發(fā)育特征研究,氣化爐圍巖溫度及熱應力場與地下水滲流場相互作用機制,燃空區(qū)覆巖導水裂縫發(fā)育與防水安全設計等。

        (4)煤炭地下氣化場地表移動變形規(guī)律、預測和安全評價:地下氣化場地表移動精密遙控監(jiān)測技術與方法,煤炭地下氣化地表移動規(guī)律及其影響因素與作用機制研究,面向巖層和地表移動控制的地下氣化爐與隔離煤柱設計理論與技術等。

        3 結 語

        發(fā)展煤炭地下氣化是順應國家低碳發(fā)展和環(huán)境保護的煤炭綠色開采與清潔利用核心技術之一,前瞻性地開展煤炭地下氣化巖層控制問題具有重要意義。本文在簡要分析不同煤炭地下氣化特征和燃空區(qū)空間形態(tài)基礎上,重點介紹了地下燃空區(qū)圍巖高溫效應、燃空區(qū)圍巖移動與變形機理、燃空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律以及地下氣化地表沉陷預測方法等方面的國內外研究進展,并提出了相應的研究思路。最后指出了今后圍繞煤炭地下氣化巖層移動與控制應重點突破的科學問題,以期通過本文促進國內外學者了解及掌握煤炭地下氣化巖層移動與控制方面的研究現(xiàn)狀,吸引更多學者加入到這項研究中,加速煤炭地下氣化高溫-地應力耦合作用下巖層移動與控制體系的建立,豐富礦山巖層移動與控制理論。

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