吳財(cái)芳,蔣秀明

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤炭地下氣化(UCG)是一種將煤炭在原位狀態(tài)下進(jìn)行燃燒氣化，最后向地表輸出高熱值氣體的煤炭開發(fā)技術(shù)[1-2]。該技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，相關(guān)工藝和開發(fā)方式已經(jīng)較為成熟[3]。其核心模式為“U”型井位布置，即一口注氣井向煤層內(nèi)部輸入氧氣等氣化劑，使得煤炭在地層內(nèi)部發(fā)生燃燒、熱解等化學(xué)反應(yīng)，再由一口產(chǎn)氣井，將生產(chǎn)的高熱值氣體輸出地表[4-5]。與煤炭地面氣化的過程不同，UCG過程需要在地下進(jìn)行鉆井形成氣化爐[6]，此處是煤炭發(fā)生燃燒等物理化學(xué)反應(yīng)的主要場所。煤炭氣化時(shí)，氣化爐內(nèi)溫度可高達(dá)1 200 ℃[7-8]，煤層和圍巖在該溫度下，其物理化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生巨大變化，進(jìn)而影響UCG過程的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[9]。

UCG過程的溫度場主要分為2個(gè)部分：① 氣化爐內(nèi)高溫氣體在氣化過程通過輻射和對流的方式向地層傳熱。煤炭地下氣化時(shí)，氣化爐內(nèi)并不是完全的空腔模式，而是由煤焦、灰分等形成高滲透性結(jié)構(gòu)，此處發(fā)生的是一系列多場耦合的復(fù)雜過程，包括氣化過程中傳熱、傳質(zhì)、滲流、對流等多個(gè)過程的綜合；氣化爐內(nèi)的溫度場由混合氣體傳熱系數(shù)決定，煤炭氣化時(shí)產(chǎn)生的混合氣體成分發(fā)生動態(tài)變化，使得氣化爐向圍巖傳熱時(shí)，溫度場難以達(dá)到穩(wěn)態(tài)[1-2]。② 氣化爐作為一個(gè)整體的熱源，高溫的混合氣體沿著產(chǎn)出氣通道運(yùn)移至地表，在這個(gè)過程中，氣化爐產(chǎn)生的熱量以熱對流、熱傳導(dǎo)的方式向圍巖傳熱，影響圍巖的熱物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)[1-2]。

基于此，針對煤炭地下氣化過程中氣化爐的溫度變化及傳熱特征，綜合分析了國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀，總結(jié)了UCG過程中熱量的來源、溫度場的變化及其傳熱特征、氣化爐溫度隨工藝和地質(zhì)條件的變化情況，提出了主要存在問題，以期為增強(qiáng)氣化爐熱穩(wěn)定性、提高UCG成功率方面的研究提供依據(jù)。

1 UCG過程中熱量來源及溫度場分布

1.1 熱量來源

煤炭地下氣化是一個(gè)復(fù)雜多階段的物理化學(xué)過程，根據(jù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的不同，沿著氣化通道的整個(gè)氣化爐的區(qū)域從內(nèi)到外可以分為氧化區(qū)、還原區(qū)、干燥干餾區(qū)[10](圖1)。由于整個(gè)過程發(fā)生在地下，地面難以對其進(jìn)行具體調(diào)控，因此這3個(gè)區(qū)域并沒有嚴(yán)格的實(shí)際界限[11]。在煤層內(nèi)，3個(gè)區(qū)域混合交替存在。氧化區(qū)主要發(fā)生煤炭的燃燒等氧化放熱反應(yīng)，溫度為900～1 200 ℃；還原區(qū)主要發(fā)生碳的還原反應(yīng)，溫度為600～900 ℃；干燥干餾區(qū)在氣化爐的最外圍，這部分煤層并未暴露在氣化劑接觸范圍內(nèi)，此處由于受到氣化爐傳導(dǎo)出的高溫影響，煤層在缺氧的情況下發(fā)生干餾反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣體，溫度為200～600 ℃[12]。

圖1 UCG過程中三區(qū)分布示意[10]

煤炭地下氣化最主要的能量反應(yīng)就是煤的燃燒。煤中水分在低溫情況下發(fā)生蒸發(fā)[13-15]；含水過高時(shí)，水分蒸發(fā)會吸收大量熱量，導(dǎo)致氧化反應(yīng)中斷致使整個(gè)UCG項(xiàng)目失敗[16]。當(dāng)溫度高于300 ℃時(shí)，還原區(qū)煤炭在無氧的情況下開始熱解放熱，產(chǎn)生大量CO等還原性氣體，與鄰近煤炭發(fā)生反應(yīng)[15]。

WELLBORN[17]發(fā)現(xiàn)氣化劑中氧氣濃度和摩爾體積分?jǐn)?shù)越高，氧化區(qū)的溫度越高。POON[18]通過Texas褐煤燃燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤層層理方向決定了氣化擴(kuò)展的優(yōu)勢面，煤中水分和揮發(fā)分決定了受熱后收縮裂隙的擴(kuò)展方向，褐煤中黏土礦物決定了受熱時(shí)熱膨脹的主要方向。LIN等[19]利用低揮發(fā)分煙煤研究了氣化灰燼的影響，發(fā)現(xiàn)覆蓋的灰燼厚度小于1.3 mm時(shí)，不會對氧氣擴(kuò)散造成影響；當(dāng)灰燼層較厚時(shí)，CO發(fā)生燃燒導(dǎo)致灰燼融化形成爐渣，阻礙傳熱。地面通過調(diào)控氣化劑的注入位置、成分、流速等參數(shù)來控制這些復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。

煤炭地下氣化時(shí)，“三區(qū)”逐漸擴(kuò)大并向前擴(kuò)展形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終完成氣化[20]。在該過程中，氣化爐內(nèi)發(fā)生了大量復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)[21]，這些反應(yīng)決定了氣化過程中熱源穩(wěn)定性和隨時(shí)間的變化規(guī)律，見表1。

表1 煤炭地下氣化的化學(xué)反應(yīng)及熱量變化[1-2]

1.2 溫度場分布

理想情況下，氣化通道縱向截面的溫度場為一組平行的矩形或者近矩形，但是由于煤層地質(zhì)條件和氣化工藝不同，熱量難以均勻向外傳播從而形成規(guī)則等溫面。

煤層與圍巖具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性和各向異性，熱導(dǎo)率的各向異性導(dǎo)致熱量發(fā)生熱傳導(dǎo)時(shí)具有明顯方向差異，煤系地層巖石熱導(dǎo)率各向異性指數(shù)(λmax-λmin)/λmean為0.1～0.4，部分可達(dá)0.8。滲透率的各向異性造成了氣化劑和產(chǎn)出氣發(fā)生對流換熱時(shí)的復(fù)雜性，煤層滲透率在3個(gè)正交方向上的滲透率之比約為10∶5∶1，高滲透率方向上氣化劑擴(kuò)展速率更快，成為溫度場擴(kuò)展優(yōu)勢方向。氣化初期，溫度場在氣化通道徑向上的傳播速率大于軸向上，擴(kuò)展速率之比大于3[22-24]。

氣化工藝對于溫度場的控制作用也十分明顯，當(dāng)O2/N2混合氣和O2/空氣混合氣氣化劑中氧氣濃度提高時(shí)，注氣點(diǎn)的氧化反應(yīng)強(qiáng)度增大，產(chǎn)生大量熱量并隨著產(chǎn)出氣向前移動，溫度場軸向擴(kuò)展速率逐漸大于徑向速率并形成“圓錐形”溫度場，這與氣化燃空區(qū)的擴(kuò)展規(guī)律相異。同時(shí)，隨著氣化劑流量增大，溫度場徑向上的擴(kuò)展速率大于軸向上，“圓錐”更加尖銳。然而，O2/H2O氣化劑中氧氣濃度升高時(shí)，水會參與一系列反應(yīng)使得煤層溫度場擴(kuò)展為不均勻彌散狀。溫度場在頂?shù)装逯械臄U(kuò)展與在煤層中不同，徑向擴(kuò)展速率大于軸向速率[23，25-26]。

2 圍巖的溫度變化

煤炭地下氣化過程中，氣化爐內(nèi)火焰工作面和燃燒空間區(qū)域溫度高達(dá)1 200 ℃，高溫氣流以熱對流和熱傳導(dǎo)的方式向圍巖傳熱。許多學(xué)者利用物理模擬、試驗(yàn)監(jiān)測、理論計(jì)算和數(shù)值模擬方法，對這一過程中溫度場特征、氣化爐溫度動態(tài)變化及其傳熱過程等進(jìn)行了深入研究[27]。

2.1 物理模擬

由于UCG過程發(fā)生在地下深部，因此，常規(guī)觀測手段難以查明氣化過程中溫度變化情況，特別是氣化爐不同區(qū)域溫度隨時(shí)間變化的特征。物理模擬可操控性強(qiáng)，可以控制煤炭的成分、傾角等地質(zhì)條件以及氣化劑成分、流速等工藝條件。相關(guān)學(xué)者利用物理模擬試驗(yàn)對氣化過程中的氣化劑等因素進(jìn)行了控制變量法研究，討論不同地質(zhì)條件和氣化工藝下溫度的變化[28]。

為模擬實(shí)際的氣化過程，有學(xué)者利用相似材料模擬地層系統(tǒng)，用竹炭、砂、石膏等材料模擬煤層以及頂?shù)装?。研究發(fā)現(xiàn)，氣化時(shí)頂板發(fā)生塌陷形成頂板離層結(jié)構(gòu)，離層中充滿導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于巖層的氣體，形成了“保溫層”，維持氣化爐溫度[29]。為保證模擬試驗(yàn)和實(shí)際情況相吻合，模擬地層系統(tǒng)圍巖的厚度最小為0.34 m。影響氣化爐溫度場的另外一個(gè)重要因素是氣化劑成分，氣化劑中氧氣濃度較低時(shí)，單位體積內(nèi)煤基質(zhì)與氣化劑接觸面積越大，煤炭的反應(yīng)越劇烈，產(chǎn)生熱量越多，溫度場擴(kuò)展主要受裂隙發(fā)育狀態(tài)控制。氧氣濃度較高時(shí)，氣化劑中高濃度CO2或N2能夠延長氣化時(shí)間，導(dǎo)致氣化爐溫度場主要向豎直方向發(fā)展[23,30-32]。WANG等[33-34]利用內(nèi)蒙古烏蘭察布和新疆褐煤進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過改變氣化劑組分和注氣方式，討論氣化過程中溫度場的影響范圍和變化情況；通過產(chǎn)出氣組分測試，劃定了氣化“三區(qū)”的溫度范圍：氧化區(qū)大于900 ℃、還原區(qū)600～900 ℃、干燥干餾區(qū)300～600 ℃。

UCG物理模擬試驗(yàn)由于試驗(yàn)對象為采集的樣品或者相似材料搭建的地層系統(tǒng)，難以模擬真實(shí)情況下的地應(yīng)力、地層流體以及地層接觸關(guān)系，影響了物理模擬試驗(yàn)的可靠性。

2.2 試驗(yàn)監(jiān)測

近百年間，世界各國進(jìn)行了大量先導(dǎo)性試驗(yàn)，探索氣化過程中溫度場的分布。1975年，美國Wyoming州Hanna煤炭地下氣化試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置了氣化同步監(jiān)測井，用以記錄煤層及圍巖溫度場的分布，監(jiān)測熱電偶被安裝在煤層和頁巖蓋層中的不同高度如圖2所示(圖2中2—圖9為熱電偶所處位置)。并通過氣化結(jié)束后的殘?jiān)鼫y試氣化爐內(nèi)溫度。研究發(fā)現(xiàn)，氣化爐內(nèi)溫度在245～670 ℃，最高為1 200 ℃[35]。

圖2 美國Wyoming州Hanna UCG項(xiàng)目溫度監(jiān)測井示意[35]

由于在實(shí)際UCG項(xiàng)目中，布置溫度監(jiān)控井不具備經(jīng)濟(jì)性，之后的UCG項(xiàng)目未見設(shè)置溫度監(jiān)控井[1-4]。因此科研工作者探索使用其他的監(jiān)測手段，包括聲發(fā)射[36]、探地雷達(dá)等地球物理方法來研究氣化爐的溫度場。KOTYRBA等[37-38]利用探地雷達(dá)技術(shù)監(jiān)測了UCG實(shí)際項(xiàng)目和模擬試驗(yàn)(波蘭Barbara煤礦UCG項(xiàng)目)的溫度動態(tài)變化。但是，這種技術(shù)只能用于監(jiān)測淺層煤炭地下氣化項(xiàng)目，對于深部煤層，利用鉆孔和氣化通道中進(jìn)行監(jiān)測則更加合理選擇。

2.3 理論計(jì)算

為了查明氣化過程中溫度的精確數(shù)值，除利用物理模型來進(jìn)行試驗(yàn)測試外，相關(guān)學(xué)者還利用理論計(jì)算的辦法確定圍巖溫度場的分布與變化情況。

理論計(jì)算主要利用微分方程建立氣化通道的高溫導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型，確定模型的初始和邊界條件，求出圍巖導(dǎo)熱微分方程的解析解[39-41]，分析圍巖的傳熱機(jī)理和導(dǎo)熱狀態(tài)。通過對傳熱過程的簡化，利用多層大平壁模型分析求解氣化爐頂?shù)装宓臏囟葓?，利用空心圓柱模型計(jì)算氣化通道的溫度場如圖3所示，圖3b中C為該層比熱容；ρ為該層密度。

圖3 圓柱模型和多層大平壁模型[42]

理論計(jì)算氣化通道圍巖溫度場分布情況時(shí)，圍巖導(dǎo)熱微分方程的區(qū)別在于方程邊界條件的選取。求解氣化爐頂?shù)装宓臏囟葓鰰r(shí)，一般將遠(yuǎn)離氣化通道無限遠(yuǎn)處的圍巖溫度簡化為地層溫度，并以第四類邊界條件為約束，利用Laplace變換，求解出n層圍巖溫度場的傳熱方程[41-42]。但是，由于實(shí)際地層的溫度傳導(dǎo)情況較為復(fù)雜，在求解導(dǎo)熱微分方程解析解時(shí)，為了降低求解難度，一般需要設(shè)定一些假設(shè)條件，如地層各向同性、圍巖熱導(dǎo)率不隨溫度變化等[43-45]。

CHENG等[46]類比UCG過程和采空區(qū)煤炭自燃(UCSC)過程，建立了表征溫度分段線性變化的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型，討論了煤層頂板與氣體發(fā)生對流換熱時(shí)的溫度場。結(jié)果表明：在升溫和近似穩(wěn)態(tài)階段，圍巖溫度持續(xù)升高，最高溫度出現(xiàn)在圍巖邊界處；在降溫階段，各點(diǎn)溫度先升高后降低，溫度曲線峰值逐漸降低并向覆蓋層內(nèi)部移動。在熱傳導(dǎo)過程中，圍巖內(nèi)存在一條溫度曲線簇的包絡(luò)線，各點(diǎn)溫度最高值由包絡(luò)線決定，且熱導(dǎo)率k和熱容c的變化對包絡(luò)線分布和熱增量的影響較大，而對流換熱系數(shù)h的影響較小?；诖搜芯?，WANG等[12]采用同樣方法求解煤層溫度場在第一類邊界條件下的解析解，發(fā)現(xiàn)氣化爐的溫度場由非穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的時(shí)間與氣化工作面推進(jìn)速度成反比，降溫階段對頂板、底板及周邊煤層溫度場的影響大于升溫階段，升溫階段的影響與氣化工作面推進(jìn)速度有關(guān)，但是當(dāng)氣化工作面推進(jìn)速度超過一定值時(shí)，這種影響可忽略不計(jì)。

由于煤炭與砂巖等其他沉積巖的熱導(dǎo)率差異較大，所以溫度場在煤層與頂?shù)装鍍?nèi)的影響范圍不同。在煤層中的影響范圍小于2 m，頂?shù)装逯械挠绊懛秶∮?0 m，氣化通道由于存在持續(xù)高溫氣流，影響范圍遠(yuǎn)大于氣化爐。BROWN等[47]認(rèn)為氣化爐向圍巖傳熱時(shí)，在壁面熱通量恒定情況下，溫度的影響范圍遠(yuǎn)大于實(shí)際情況。LIU等[48]利用顯式有限差分法建立了氣化爐圍巖溫度場隨時(shí)間擴(kuò)展的數(shù)學(xué)模型，用微分法求解了氣化通道軸向和徑向溫度場的分布情況。研究發(fā)現(xiàn)，隨著氣化的進(jìn)行，氣化爐溫度場的影響范圍逐漸擴(kuò)大，并嚴(yán)重破壞5 m之內(nèi)煤層與圍巖的力學(xué)強(qiáng)度；沿氣化通道軸向，溫度在較長距離內(nèi)緩慢下降，離氧化區(qū)150 m處的氣化通道溫度仍高于200 ℃[20]。

PERKINS[4,49]建立了零維穩(wěn)態(tài)空穴模型和二維軸對稱計(jì)算流體動力學(xué)模型，計(jì)算了高溫產(chǎn)出氣和煤壁發(fā)生自然對流情況下氣化通道的散熱情況。計(jì)算結(jié)果表明，離氣化爐中心50 m處，溫度將趨于穩(wěn)定，為600 ℃；在徑向70 m以外的原巖區(qū)域，氣化通道不會對圍巖產(chǎn)生熱效應(yīng)[50]。

2.4 數(shù)值模擬

煤炭地下氣化是一個(gè)三維非穩(wěn)態(tài)綜合反應(yīng)過程，包括了均相和非均相反應(yīng)[51]。在這個(gè)過程中，氣化劑和產(chǎn)出氣混合在氣化通道中不斷流動，并與煤層發(fā)生一系列可逆的物理化學(xué)反應(yīng)。氣化通道中的溫度、物質(zhì)成分、流體狀態(tài)等，都隨著氣化過程不斷進(jìn)行而發(fā)生空間位置和狀態(tài)的變化[52-53]。氣化通道中的“三區(qū)”隨著氣化工作面向前推進(jìn)，位置和比例關(guān)系也在不斷地發(fā)生變化，形成穩(wěn)定的溫度場向圍巖傳熱[54]。數(shù)值模擬手段對于研究這種極復(fù)雜過程具有明顯、不可取代的優(yōu)勢[55-58]。

相關(guān)學(xué)者利用不同的數(shù)值模擬軟件對UCG過程進(jìn)行模擬，例如ANSYS/Fluent、ABAQUS、FEMALB[59-60]，建立固定床、熱-力耦合、熱-應(yīng)力-滲流全耦合等數(shù)學(xué)模型，探究氣化爐的溫度分布。模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化區(qū)點(diǎn)火溫度為1 366 ℃時(shí)，溫度場的擴(kuò)展速率為28.75 ℃/min[61]，隨著氣化進(jìn)行，“三區(qū)”向外擴(kuò)展，氧化區(qū)逐漸擴(kuò)展至出口[62]。圍巖內(nèi)的擴(kuò)展速率和影響范圍受溫度邊界條件和氣化通道徑向延伸速率的影響，徑向延伸速率越大，溫度的影響范圍越小[63]。氣化空腔頂板會隨氣化進(jìn)行逐漸下陷造成垮落，導(dǎo)致溫度場在頂板的影響范圍大于底板[42]。

另外，在UCG項(xiàng)目的開發(fā)中，形成了專門的數(shù)值模擬軟件來研究氣化過程中的溫度場變化情況。Akbarzadeh等[64]利用STARS2012軟件結(jié)合FLAC?3D，對加拿大Albert省Swan Hills UCG項(xiàng)目的溫度場進(jìn)行了模擬分析，模擬結(jié)果表明，溫度場隨著氣化工作面的移動向前推進(jìn)。JIANG等[65-66]利用STARS對北美西部的煤炭進(jìn)行模擬，研究了反向燃燒連接技術(shù)(RCL)下煤炭燃燒前鋒溫度的變化特征。KLEBINGAT等[58]利用模擬軟件Aspen Plus，對美國Hanna的UCG項(xiàng)目進(jìn)行模擬。

COMSOL multiphysics是一個(gè)多物理場耦合數(shù)值模擬軟件，特別適合用于UCG復(fù)雜的過程模擬[67-68]。氣化爐的溫度場并不是簡單的熱源向圍巖發(fā)生熱傳導(dǎo)的過程，由于地層的滲透性，傳熱過程中，滲流場、應(yīng)力場等多個(gè)場也會與溫度場發(fā)生耦合。XIN等[44]利用COMSOL multiphysics對多層上覆圍巖情況下二維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣化工作面向前推進(jìn)導(dǎo)致圍巖邊界溫度線性降低時(shí)，圍巖溫度隨時(shí)間先升高后降低，熱影響范圍為氣化爐10 m范圍內(nèi)的圍巖。趙明東[69]利用COMSOL multiphysics對UCG的溫度場進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)溫度場在頂板的傳播范圍為20.5 m。

3 高溫下巖石熱力學(xué)特征

巖石熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱容是巖石傳熱的重要物理參數(shù)，決定了巖石的傳熱效率。其值受眾多因素綜合影響，不僅與巖石本身物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)包括組成、孔隙度、滲透率等有關(guān)，而且對于它自身所處的狀態(tài)也有較大的響應(yīng)，例如巖石所處的圍壓狀態(tài)、地層內(nèi)部的流體情況以及巖石本身的溫度[70]。

溫度對于巖石熱導(dǎo)率、比熱容、熱擴(kuò)散率的影響各不相同。高溫下，巖漿巖熱導(dǎo)率下降較為明顯，且在不同溫度范圍內(nèi)，下降幅度也不同。溫度較低時(shí)，升溫對于巖漿巖的影響主要是巖石中的自由水減少，引起熱導(dǎo)率緩慢下降；溫度進(jìn)一步升高的情況下，巖漿巖中束縛水開始脫出，巖漿巖開始破裂、熔融造成熱導(dǎo)率進(jìn)一步降低(圖4)。

圖4 幾種巖漿巖熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率隨溫度變化情況[71-74]

在高溫下，熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率接近恒定值[71-74]。MIAO[75]利用激光法導(dǎo)熱儀(LFA)對白云巖、灰?guī)r、砂巖等沉積巖的熱物理性質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：沉積巖熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散隨著溫度的上升逐漸下降，熱擴(kuò)散率降低了70%～75%，而熱導(dǎo)率降低了54%～63%，熱擴(kuò)散率受溫度的影響更為顯著；比熱容隨著溫度上升逐漸變大，在溫度較高時(shí)，熱導(dǎo)率同樣趨于定值，如圖5所示[76-77]。圖5的圖注字母加數(shù)字均為樣品編號，S為砂巖樣品，D為白云巖樣品，L為灰?guī)r樣品，C為大理巖樣品，YJSA和SZ均為砂巖樣品。

圖5 沉積巖、比熱容熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率隨溫度變化情況[73-77]

煤與圍巖不同，由于煤中存在大量揮發(fā)分，煤層受熱后熱物理性質(zhì)的變化更為復(fù)雜。DENG等[78]利用LFA，測試了不同煤級煙煤在溫度小于300 ℃時(shí)熱物理性質(zhì)與溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，熱擴(kuò)散率先降低后升高；比熱容逐漸增大，然后趨于平穩(wěn)，直至開始減小；熱導(dǎo)率先緩慢后快速地增加，這與前人的研究一致(圖6)[78-79]。當(dāng)溫度高于300 ℃，煤炭開始發(fā)生熱解反應(yīng)，隨著煤層中揮發(fā)分大量熱解，熱導(dǎo)率等參數(shù)隨著溫度上升，呈現(xiàn)不規(guī)則的波動趨勢[79-80]。

圖6 煤熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散和比熱容率隨溫度變化情況[78]

LUO等[81]利用COMSOL Multiphysics對氣化爐的溫度場進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，巖石熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低，各種巖性表現(xiàn)出相似的行為，這與實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果一致。同時(shí)，得到了氣化過程中上覆巖層溫度分布情況，圍巖溫度與距氣化爐的距離成比例下降，并受控于氣化爐的高度和方向，不同類型巖石的溫度梯度不同。

OTTO等[57]利用FLAC?3D建立了2D模型，模擬美國Wyoming州Hanna UCG項(xiàng)目的溫度場分布特征，討論了巖石的熱導(dǎo)率隨溫度變化和不隨溫度變化情況下，圍巖溫度場、滲透率、彈性模量等參數(shù)的差異性。結(jié)果表明，除滲透率對熱導(dǎo)率變化響應(yīng)不強(qiáng)外，其他參數(shù)均存在較大差異，忽視熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系會導(dǎo)致過高估計(jì)圍巖溫度。

4 存在問題與發(fā)展趨勢

1)煤炭地下氣化是一個(gè)多相動態(tài)反應(yīng)的綜合過程，固/液/氣三相物質(zhì)發(fā)生許多可逆的物理化學(xué)反應(yīng)，并吸收和放出大量熱量，大幅度提高了氣化爐的溫度。溫度、壓力、滲流等大量因素相互耦合會嚴(yán)重影響整個(gè)氣化過程，進(jìn)一步導(dǎo)致氣化爐溫度場的復(fù)雜性。

2)UCG過程中溫度場的研究方法主要有4種：物理模擬、試驗(yàn)監(jiān)測、理論計(jì)算、數(shù)值建模，但是在實(shí)際研究過程中仍存在明顯不足。例如，地層接觸關(guān)系導(dǎo)致的界面熱阻使得物理模擬難以恢復(fù)原始地層的溫度場，經(jīng)濟(jì)成本限制了試驗(yàn)監(jiān)測的運(yùn)用，理論計(jì)算主要針對單一的物理場進(jìn)行研究，數(shù)值模擬對地層做出了大量簡化。因此，依托更加經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測設(shè)備，對UCG過程中溫度場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，有助于更為全面了解煤炭地下氣化的能量演化過程，能夠?yàn)樘岣邭饣癄t的熱穩(wěn)定性提供依據(jù)；另一方面，通過數(shù)值模擬軟件分析氣化過程中物理化學(xué)過程的相互影響作用，闡明多物理場之間的耦合機(jī)理，能夠從理論角度查明UCG溫度場演化機(jī)制，將是煤炭地下氣化十分重要的研究方向之一。

3)由于不同巖性頂?shù)装鍖囟鹊拿舾行圆煌琔CG過程中高溫將對煤層和圍巖的熱物理性質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。高溫使得煤層及其圍巖的熱導(dǎo)率等參數(shù)發(fā)生巨大變化，影響氣化溫度場的計(jì)算和模擬。因此，高溫下巖石熱物理參數(shù)的動態(tài)變化及其對溫度場的控制機(jī)理，也是UCG過程的重要研究方向之一。