劉瀟鵬， 郭廣禮，董志勇，郭 超，周 峻，李懷展

（1.安徽理工大學(xué) 空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030024）

0 引 言

煤炭地下氣化作為第2 代采煤方法，能夠?qū)⒚禾抠Y源在地下原位轉(zhuǎn)化為可燃燒的氣體，實(shí)現(xiàn)煤炭開(kāi)采的井下無(wú)人、井上無(wú)矸，同時(shí)與CO2捕獲與封存技術(shù)結(jié)合后還可減少溫室氣體的排放，能夠真正實(shí)現(xiàn)煤炭資源的綠色開(kāi)發(fā)、清潔利用，是關(guān)閉礦山遺煤資源開(kāi)發(fā)的重要途徑之一［1－4］。 經(jīng)過(guò)近200 a 的發(fā)展，現(xiàn)代煤炭地下氣化采場(chǎng)采用類(lèi)似于條帶開(kāi)采的氣化面與煤柱間隔的帶狀布置，氣化過(guò)程中產(chǎn)生的1 000 ℃以上的高溫在氣化面圍巖內(nèi)部的傳播，不但產(chǎn)生高溫?zé)釕?yīng)力還會(huì)造成煤巖的燒變，高溫－地應(yīng)力－煤巖燒變的耦合效應(yīng)下礦壓及覆巖變形破壞特征更為復(fù)雜，對(duì)后續(xù)氣氣化采場(chǎng)圍巖變形破壞特征、污染物富集與運(yùn)移規(guī)律、地表沉陷規(guī)律及氣化采場(chǎng)設(shè)計(jì)造成一定的阻礙。

在煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展的各個(gè)階段，學(xué)者們利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬、理論計(jì)算等多種手段對(duì)煤炭地下氣化采場(chǎng)圍巖的熱效應(yīng)開(kāi)展了研究。 Duba等［5］利用Electrical Resistivity Tomography（ERT）技術(shù)對(duì)地下氣化過(guò)程中圍巖溫度場(chǎng)變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，認(rèn)為巖層內(nèi)部溫度變化在300 ～1 000 ℃，并發(fā)現(xiàn)利用此技術(shù)也可對(duì)燃空區(qū)形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。唐芙蓉［6］運(yùn)用Comsol Multiphysics 多相耦合數(shù)值模擬軟件來(lái)研究煤炭地下氣化燃空區(qū)覆巖的溫度場(chǎng)演化特征。 MOJTABA 等［7］為了研究CRIP 工藝條件下燃空區(qū)形態(tài)、溫度場(chǎng)分布、生產(chǎn)氣體組分等問(wèn)題，利用CGM 數(shù)值模擬軟件對(duì)煤炭地下燃燒反應(yīng)過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行了分析，結(jié)論認(rèn)為其燃燒面溫度在995 ℃上下，燃空區(qū)溫度范圍為250 ～800℃，在煤層干燥區(qū)域及原煤區(qū)域溫度在250 ℃以下。辛林等［8］利用拉普拉斯變換研究了第4 種邊界條件下多層覆巖下氣化爐頂板的溫度場(chǎng)分布，并利用Comsol 數(shù)值模擬軟件研究了不同熱學(xué)參數(shù)變化對(duì)溫度場(chǎng)的影響。 WANG 等［9］認(rèn)為由于邊界條件不同溫度場(chǎng)在頂板、底板和煤層中的傳播規(guī)律也不相同，溫度場(chǎng)在煤層中的傳播與火焰面在煤層中的移動(dòng)速度有關(guān)。 李懷展等［10］分別利用拉普拉斯變換及數(shù)值模擬的方法對(duì)SMFM－CRIP 工藝條件下溫度場(chǎng)在燃空區(qū)圍巖內(nèi)的傳播范圍進(jìn)行了研究，認(rèn)為溫度的影響邊界在頂板、煤層、底板中分別為16.7、8.7、13.6 m［10］。 由以上分析可知，針對(duì)煤炭地下氣化圍巖溫度場(chǎng)的擴(kuò)展取得了較大成果，但以往的研究中往往將煤巖的熱學(xué)參數(shù)看作為常數(shù)，然而當(dāng)前材料熱物性的研究顯示，不同溫度下材料的熱學(xué)參數(shù)是不相同的，利用固定參數(shù)取得的研究成果將會(huì)在結(jié)果上造成一定的偏差。 因此必須開(kāi)展高溫?zé)釋W(xué)參數(shù)耦合條件下的煤炭地下氣化圍巖溫度場(chǎng)擴(kuò)展規(guī)律研究。

以往研究氣化燃空區(qū)圍巖溫度場(chǎng)擴(kuò)展時(shí)未考慮高溫對(duì)熱學(xué)參數(shù)的影響，造成圍巖溫度場(chǎng)分布的計(jì)算結(jié)果相對(duì)失真，為準(zhǔn)確獲取氣化爐圍巖溫度場(chǎng)分布，通過(guò)總結(jié)煤巖熱學(xué)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，利用Fish 語(yǔ)言編寫(xiě)程序，建立改進(jìn)了基于FLAC3D建立高溫?zé)釋W(xué)參數(shù)耦合條件下的煤炭地下氣化圍巖溫度場(chǎng)擴(kuò)展的數(shù)值模擬研究方法，通過(guò)數(shù)值模擬研究，得出了溫度場(chǎng)在不同階段在頂板、底板、煤壁內(nèi)部的傳播特征，為優(yōu)化煤炭地下氣化采場(chǎng)圍巖控制技術(shù)，推進(jìn)煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)化提供了重要的理論基礎(chǔ)。

1 煤炭地下氣化圍巖熱傳導(dǎo)特性的高溫效應(yīng)

在以往進(jìn)行熱傳導(dǎo)條件下的溫度場(chǎng)擴(kuò)展的研究時(shí)，由于溫差變化較小，材料的組成及結(jié)構(gòu)也不會(huì)發(fā)生太大的變化，其熱傳導(dǎo)參數(shù)一般認(rèn)為是穩(wěn)定的，但煤炭地下進(jìn)程將會(huì)產(chǎn)生1 000 ℃以上的高溫，使煤層及周?chē)鷰r體發(fā)生各種物理、化學(xué)變化，使其熱傳導(dǎo)參數(shù)相對(duì)于常溫下發(fā)生了極大的改變，在于高溫的耦合條件下影響著燃空區(qū)圍巖的溫度場(chǎng)分布。

部分學(xué)者總結(jié)了煤系地層常見(jiàn)巖體的熱傳導(dǎo)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律：砂巖的比熱容在200 ℃前緩慢降低至室溫下的0.97 倍，在200～400 ℃急速降低至室溫下的0.7 倍，400 ℃后基本保持穩(wěn)定。 砂巖的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的升高基本呈線性下降，至1 000 ℃時(shí)降低至室溫的0.6 倍左右。 泥巖的比熱容隨溫度的變化規(guī)律與砂巖相似，200 ℃前緩慢降低至室溫下的0.95 倍，200～600 ℃迅速降低至室溫下的0.5 倍，600 ℃后基本保持穩(wěn)定；泥巖的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的升高呈負(fù)指數(shù)降低，至500 ℃基本保持為室溫下的0.75 倍。

煤炭的比熱容隨溫度的升高而增大，200 ℃之前其比熱容基本保持不變，200～400 ℃迅速增大至室溫下的2.7 倍，隨后基本保持不變；煤炭的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的升高呈指數(shù)增長(zhǎng)，200 ℃前基本保持不變，1 000 ℃后可增加至室溫下的14 倍［11－17］。 對(duì)以往研究成果中熱學(xué)參數(shù)隨溫度的變化分析變化趨勢(shì)并進(jìn)行回歸分析，擬合得到變化規(guī)律的公式如圖1 所示（Cst為砂巖的比熱容；T為溫度；T0＝20 ℃；λst為砂巖的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Cms為泥巖的比熱容；λms為泥巖的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Cc為煤的比熱容；λc為煤的熱傳導(dǎo)系數(shù)）。

圖1 煤巖熱學(xué)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律Fig.1 Variation law of thermal parameters of coal and rock with temperature

2 高溫－熱學(xué)特性耦合條件下溫度場(chǎng)擴(kuò)展的數(shù)值模擬方法

2.1 方法和過(guò)程

在以往煤炭地下氣化圍巖溫度場(chǎng)擴(kuò)展的研究中，由于熱傳導(dǎo)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律十分復(fù)雜，往往忽略了熱傳導(dǎo)參數(shù)隨溫度的變化，從而影響到燃空區(qū)圍巖溫度場(chǎng)擴(kuò)展的計(jì)算精度。 高溫在固體中傳導(dǎo)常用傅里葉熱傳導(dǎo)定理進(jìn)行計(jì)算：

式中，C為比熱容；ρ為材料密度；λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)；t為時(shí)間。

該公式僅能應(yīng)用于熱學(xué)參數(shù)變化較小的均勻介質(zhì)的溫度場(chǎng)擴(kuò)散的計(jì)算，對(duì)于煤炭地下氣化來(lái)說(shuō)，由于氣化面溫度高達(dá)1 000 ℃以上，且高溫的擴(kuò)展過(guò)程長(zhǎng)達(dá)1 a 以上，煤巖的熱學(xué)參數(shù)發(fā)生極大的變化，此時(shí)熱傳導(dǎo)過(guò)程的計(jì)算公式則轉(zhuǎn)化為

此時(shí)比熱容及熱傳導(dǎo)系數(shù)都變成了溫度及時(shí)間的函數(shù)，微分方程非線性程度增強(qiáng)，在考慮材料參數(shù)不穩(wěn)定及邊界條件不穩(wěn)定的情況下，很難得出其解析解，此時(shí)只能用數(shù)值模擬的方法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行求解。

目前在巖土工程領(lǐng)域常用的數(shù)值模擬軟件如FLAC3D能夠很好地解決煤炭地下氣化過(guò)程中的熱力耦合問(wèn)題，為地下氣化過(guò)程中的圍巖控制研究提供基礎(chǔ)。 但其在溫度場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中不能適用于地下氣化高溫－熱學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)耦合條件。 利用Fish 語(yǔ)言對(duì)FLAC3D自帶的熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)展高溫－熱學(xué)特性耦合條件下溫度場(chǎng)擴(kuò)展的數(shù)值模擬研究。

高溫－熱學(xué)特性耦合條件下溫度場(chǎng)擴(kuò)展的數(shù)值模擬過(guò)程大致分以下幾步：①根據(jù)需求建立數(shù)值模型，確定模型各部分的形狀尺寸及模型單元的大小；確定模型的初始溫度場(chǎng)，熱學(xué)參數(shù)及邊界條件。②確定熱傳導(dǎo)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，基于FLAC3D軟件進(jìn)行2 次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)高溫－熱學(xué)特性耦合效應(yīng)。 ③根據(jù)程序設(shè)定熱學(xué)參數(shù)更新的時(shí)間步長(zhǎng)及溫度步長(zhǎng)，在一定的步長(zhǎng)后對(duì)模型的熱傳導(dǎo)參數(shù)進(jìn)行更新，步長(zhǎng)越短模擬越精確。 ④模擬計(jì)算。 其具體流程如圖2 所示。

圖2 高溫－熱學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)耦合模擬方法流程Fig.2 Flow chart of dynamic coupling simulation method for high temperature－thermal parameters

2.2 試樣模擬分析

為初步分析熱學(xué)參數(shù)高溫耦合作用對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，同時(shí)研究不同的時(shí)間步長(zhǎng)及不同的網(wǎng)格尺寸劃分形式對(duì)模型分布的作用，擬建立一個(gè)小型試樣模型進(jìn)行研究分析。

模型為長(zhǎng)度1 m，寬度1 m，高度10 m 的數(shù)值模型，由100 個(gè)正六面體單元組成，每個(gè)單元長(zhǎng)1 m 寬1 m，高0.01 m，用以模擬溫度在高度方向的傳播。溫度場(chǎng)傳播的本構(gòu)模型為傅里葉熱傳導(dǎo)模型，初始溫度為20 ℃。 模型材料選用煤炭，其初始比熱容為1 670 J／（kg·℃），熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.5 W／（m·℃），密度為1 400 kg／m3，熱傳導(dǎo)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律如圖1 所示。 溫度場(chǎng)傳播前，模型的熱學(xué)參數(shù)是均勻的。 在模型底部施加一個(gè)1 000 ℃的邊界溫度，溫度場(chǎng)在模型內(nèi)部傳播的同時(shí)，模型內(nèi)部的熱學(xué)參數(shù)也發(fā)生變化（圖3）。

圖3 高溫下試樣溫度場(chǎng)及熱學(xué)參數(shù)分布Fig.3 Temperature field and thermal parameter distribution of sample at high temperature

圖4 為不同加熱時(shí)間溫度－熱學(xué)參數(shù)耦合與非耦合條件下溫度場(chǎng)擴(kuò)展及熱學(xué)參數(shù)分布特征。 由圖4 可知，高溫傳播過(guò)程中，煤體的熱學(xué)參數(shù)發(fā)生了極大的變化，隨著溫度場(chǎng)的擴(kuò)展，其熱學(xué)參數(shù)的變化范圍也逐漸擴(kuò)大。 從導(dǎo)熱系數(shù)方面看，距離熱源越近煤炭的導(dǎo)熱系數(shù)越大，最大增至常溫下的20 倍以上，隨著距離熱源的距離的增大其導(dǎo)熱系數(shù)也逐漸減小，最終穩(wěn)定至原巖的導(dǎo)熱系數(shù)。 隨著時(shí)間的推移導(dǎo)熱系數(shù)的變化范圍也不斷擴(kuò)大，由10 d 的2 m擴(kuò)大至50 d 后的4.6 m。 從煤炭的比熱容看，其變化趨勢(shì)與導(dǎo)熱系數(shù)相比具有很大的不同，由于在大于400 度后煤炭的比熱容基本不變，因此在距離熱源的一定范圍內(nèi)比熱容保持不變，隨著時(shí)間的推移，該范圍從10 d 后的0.8 m 擴(kuò)大至50 d 后的2.2 m。溫度20～400 ℃內(nèi)比熱容急劇增長(zhǎng)2.6 倍，急劇變化區(qū)范圍也隨之?dāng)U大，由10 d 的0.9 m，擴(kuò)展至50 d的1.7 m。

圖4 熱傳導(dǎo)過(guò)程中模型熱學(xué)參數(shù)分布特征Fig.4 Distribution characteristics of thermal parameters of the model during heat conduction

圖5 為高溫?zé)釋W(xué)參數(shù)耦合及非耦合條件下煤炭溫度場(chǎng)的擴(kuò)展特征。 邊界溫度保持不變的情況下，高溫作用時(shí)間越長(zhǎng)溫度場(chǎng)擴(kuò)展范圍越大，但與非熱學(xué)參數(shù)耦合條件相比，耦合條件下其溫度場(chǎng)擴(kuò)展發(fā)生了顯著變化，以20.1 ℃為溫度場(chǎng)影響邊界時(shí)，10 d 后參數(shù)非耦合條件下溫度場(chǎng)擴(kuò)展范圍為2.5 m，耦合條件下溫度場(chǎng)擴(kuò)展范圍為2.1 m，但對(duì)比高溫區(qū)域同一位置的溫度，距離熱源1.45 m 以?xún)?nèi)耦合條件下內(nèi)溫度較高，大于1.45 m 非耦合條件下溫度較高。隨著高溫作用時(shí)間的增大，溫度場(chǎng)隨之?dāng)U展，但溫度場(chǎng)分布規(guī)律基本保持不變，非耦合條件下溫度場(chǎng)的擴(kuò)展范圍較大，但在距熱源一定范圍內(nèi)耦合條件下溫度較高，即參數(shù)耦合條件下溫度場(chǎng)的衰減速度大于非耦合條件。

圖5 單側(cè)加熱條件下的溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature field distribution under unilateral heating

由圖6 可知，時(shí)間步長(zhǎng)由3 h 增長(zhǎng)至24 h 過(guò)程中，溫度場(chǎng)在模型內(nèi)部的傳播特征基本保持不變，在一定范圍內(nèi)時(shí)間步長(zhǎng)變化對(duì)溫度場(chǎng)的傳播特征影響不大。 圖7 為不同網(wǎng)格尺寸下溫度場(chǎng)的變化特征，由圖可知，網(wǎng)格尺寸對(duì)溫度場(chǎng)的擴(kuò)展有一定的影響，但影響較小。

圖6 不同時(shí)間步長(zhǎng)溫度場(chǎng)分布Fig.6 Temperature field distribution in different time steps

圖7 不同網(wǎng)格尺寸下的溫度場(chǎng)分布Fig.7 Temperature field distribution under different grid sizes

3 煤炭地下氣化圍巖溫度場(chǎng)擴(kuò)展特征

3.1 煤炭地下氣化進(jìn)程

控制后退注氣點(diǎn)法（CRIP）及其各種變體的無(wú)井式煤炭地下氣化工藝被世界各地廣泛采用，基于該項(xiàng)技術(shù)新奧集團(tuán)烏蘭察布地下氣化項(xiàng)目開(kāi)發(fā)出了條采－面采控制后退注氣點(diǎn)法（SMFM－CRIP）煤炭地下氣化工藝，以該試驗(yàn)區(qū)煤炭地下氣化采場(chǎng)布置方式開(kāi)展研究

烏蘭察布礦地下氣化采場(chǎng)的布置方式如圖8 所示，首先利用定向鉆井技術(shù)溝通進(jìn)氣列及出氣列，然后在設(shè)計(jì)位置利用定向鉆井技術(shù)形成溝通進(jìn)氣列與出氣列的氣化通道，氣化通道位于煤層中央，隨后以進(jìn)氣列為起點(diǎn)開(kāi)始點(diǎn)火，直至燃燒面移動(dòng)至出氣列該氣化面氣化完成，該氣化過(guò)程大約需90 d，最終形成長(zhǎng)度170 m、寬度16 m 的燃空區(qū)。

圖8 地下氣化采場(chǎng)布置示意［18］Fig.8 Schematic diagram of underground gasification stope layout ［18］

重點(diǎn)研究單個(gè)氣化面氣化對(duì)圍巖溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，試驗(yàn)煤層為2 煤，煤層平均厚度為5 m，每個(gè)氣化面設(shè)置4 個(gè)燃燒點(diǎn)，燃空區(qū)擴(kuò)展至指定范圍后下個(gè)燃燒點(diǎn)點(diǎn)燃?xì)饣?，各燃燒點(diǎn)點(diǎn)燃的順序與氣流方向相反，一般由煤層下山方向向上山方向推進(jìn)，直至該工作面氣化完成。

按照氣化過(guò)程中圍巖系統(tǒng)總熱量的增減可將溫度場(chǎng)的擴(kuò)展分為3 個(gè)階段：第1 階段，從燃燒點(diǎn)被點(diǎn)燃，到該氣化區(qū)域氣化完成，在這一點(diǎn)可認(rèn)為燃燒點(diǎn)點(diǎn)燃后即可達(dá)到指定溫度，直至該燃燒點(diǎn)氣化完成，最終形成的燃空區(qū)長(zhǎng)42.5 m，每個(gè)燃燒點(diǎn)氣化完成需22.5 d，這個(gè)過(guò)程中由于煤炭燃燒產(chǎn)生高溫，圍巖系統(tǒng)熱量增大，可認(rèn)為是地下氣化圍巖溫度場(chǎng)的高溫?cái)U(kuò)展階段。 第2 階段，從該氣化區(qū)域氣化完成到整個(gè)氣化面氣化完成，最終形成的燃空區(qū)長(zhǎng)42.5 m，本階段需67.5 d，在這個(gè)過(guò)程中由于與進(jìn)氣列通入的氣體對(duì)流散熱，圍巖系統(tǒng)熱量減小，可認(rèn)為是地下氣化圍巖溫度場(chǎng)的冷卻擴(kuò)展階段。 第3 階段，該氣化面氣化完成后，由于地下氣化爐封閉，與外界不再產(chǎn)生溝通，整個(gè)圍巖系統(tǒng)熱量不變，此時(shí)可認(rèn)為是地下氣化圍巖溫度場(chǎng)的穩(wěn)定擴(kuò)展階段。

3.2 單一燃燒點(diǎn)氣化過(guò)程中截面形態(tài)變化特征

由煤炭地下氣化的工藝可知，氣化初期煤炭在燃燒點(diǎn)處被點(diǎn)燃，由于氣化劑在煤炭表面均勻分布，所以可認(rèn)為燃燒面可沿氣化孔徑方向均勻擴(kuò)展，此時(shí)氣化通道橫截面為圓形。 由于煤層厚度相對(duì)于燃空區(qū)寬度較小，所以此過(guò)程時(shí)間較短。 隨著氣化作用的進(jìn)行，燃燒面擴(kuò)展至煤層頂?shù)装?，由于燃燒面不能繼續(xù)向上及向下擴(kuò)展，所以此后在燃燒面擴(kuò)展的過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)平頂及平底的現(xiàn)象，而燃空區(qū)兩側(cè)隨著氣化作用的進(jìn)行，煤炭地下氣化燃空區(qū)逐漸呈曲線型，研究認(rèn)為，隨著溫度場(chǎng)逐漸向煤層內(nèi)部延伸，煤炭在高溫的作用下發(fā)生干燥、熱解、氣化等變異現(xiàn)象，使其發(fā)生體積收縮、強(qiáng)度降低等物理變化，使燃燒面煤炭產(chǎn)生破碎，曲線煤柱易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，頂部煤炭在重力作用下落入燃空區(qū)底部，使燃燒面頂部無(wú)法保持曲線狀態(tài)，與此同時(shí)隨著頂板擴(kuò)展，煤層直接垮入燃空區(qū)底部［19］，造成燃空區(qū)底部氣化效率降低，擴(kuò)展速度小于燃空區(qū)頂部，最終使燃空區(qū)形態(tài)近似呈倒置的曲邊梯形（圖9）。

圖9 煤炭地下氣化燃空區(qū)形態(tài)擴(kuò)展示意Fig.9 Schematic diagram of expansion of coal underground gasification empty area

3.3 數(shù)值模型建立

為研究參數(shù)動(dòng)態(tài)變化條件下煤炭地下氣化燃空區(qū)圍巖移動(dòng)破壞特征的變化，依據(jù)煤炭地下氣化燃空區(qū)的演化特征建立了數(shù)值模型如圖10 所示。

圖10 燃空區(qū)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程中燃空區(qū)圍巖溫度場(chǎng)模擬數(shù)值模型Fig.10 Numerical model of temperature field of surrounding rock during dynamic expansion of goaf

模型依據(jù)某礦地層條件設(shè)計(jì)，模擬氣化條帶內(nèi)第1 個(gè)燃燒點(diǎn)從開(kāi)始點(diǎn)燃到單一條帶氣化完成整個(gè)過(guò)程，模擬地區(qū)煤層厚5 m，煤層距地面262 m，為提高模擬效率，模型未建立到地表，最終建立模型寬200 m，高112 m，網(wǎng)格最小約0.3 m，最大約4 m。 燃空區(qū)最終由8 次開(kāi)挖組成，每次向兩側(cè)擴(kuò)展2 m，最終形成一個(gè)曲邊倒梯形燃空區(qū)。 通過(guò)熱學(xué)試驗(yàn)獲取常溫下煤及頂?shù)装鍘r體熱物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 常溫下煤及頂?shù)装鍘r體熱物理參數(shù)Table 1 Thermal physical parameters of coal and roof－floor rock at normal temperature

模型邊界為絕熱邊界，由于地下氣化燃燒面溫度可達(dá)到1 200～1 400 ℃［18，20］。 因此本次模擬燃空區(qū)擴(kuò)展過(guò)程中可認(rèn)為高溫?cái)U(kuò)展階段燃燒邊界溫度為1 400 ℃，在冷卻擴(kuò)展階段表面溫度由1 400 ℃降低至200 ℃（圖11），在穩(wěn)定擴(kuò)展階段系統(tǒng)不再與外界發(fā)生熱交換，燃空區(qū)邊界認(rèn)為是絕熱的，溫度場(chǎng)自由擴(kuò)展。

圖11 氣化面溫度變化Fig.11 Temperature change of gasification surface

4 模擬結(jié)果分析

由于高溫在巖層內(nèi)部的傳播主要以熱傳導(dǎo)為主，因此溫度場(chǎng)的傳播規(guī)律與煤巖高溫后熱學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律緊密相關(guān)，溫度場(chǎng)傳播與煤巖熱學(xué)參數(shù)變化的耦合效應(yīng)，使得傳統(tǒng)的固定熱學(xué)參數(shù)的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果有所失真。

4.1 高溫?cái)U(kuò)展階段燃空區(qū)圍巖溫度場(chǎng)分布規(guī)律

分析圖12，煤炭地下氣化高溫?cái)U(kuò)展階段，由于高溫作用時(shí)間較短，溫度場(chǎng)擴(kuò)展范圍較小，熱學(xué)參數(shù)的耦合變化對(duì)溫度場(chǎng)的影響較小，造成耦合與非耦合條件下燃空區(qū)圍巖溫度場(chǎng)分布規(guī)律相差不大。 由圖12a 可知，以20.1 ℃為溫度場(chǎng)邊界時(shí)，參數(shù)耦合變化與非耦合時(shí)溫度場(chǎng)在頂板的擴(kuò)展范圍都為4.5 m，但同一位置下參數(shù)不變時(shí)溫度較高。 在燃空區(qū)兩側(cè)煤壁，參數(shù)耦合變化時(shí)溫度場(chǎng)向下擴(kuò)展3.2 m，參數(shù)不變時(shí)擴(kuò)展范圍為6.5 m，同一位置參數(shù)耦合條件下溫度較高（圖12b）。 不同情況下溫度場(chǎng)在底板的傳播范圍為1.3 m，但參數(shù)不變時(shí)衰減速度較快（圖12c）。

圖12 高溫?cái)U(kuò)展階段結(jié)束后圍巖溫度場(chǎng)分布Fig.12 Temperature field distribution of surrounding rock after high temperature expansion stage

4.2 冷卻擴(kuò)展階段燃空區(qū)圍巖溫度場(chǎng)分布規(guī)律

圖13 為冷卻擴(kuò)展階段結(jié)束后燃空區(qū)頂板、底板及兩側(cè)煤壁的溫度場(chǎng)分布。 當(dāng)前氣化點(diǎn)氣化完成后，燃空區(qū)表面溫度在熱對(duì)流的作用下逐漸降低，此時(shí)溫度場(chǎng)繼續(xù)向巖層深處擴(kuò)展，隨著溫度場(chǎng)的擴(kuò)展，熱學(xué)參數(shù)的變化范圍也不斷擴(kuò)大，與熱學(xué)參數(shù)穩(wěn)定時(shí)的溫度場(chǎng)分布具有明顯的不同。 由圖13a 可知，無(wú)論熱學(xué)參數(shù)是否與溫度耦合變化，頂板內(nèi)部溫度都隨距燃空區(qū)的距離的增大呈減小的趨勢(shì)，耦合條件下與非耦合條件下溫度場(chǎng)擴(kuò)展范圍都為12.2 m，但在同一位置下非耦合條件下溫度略高，即耦合條件下溫度場(chǎng)的衰減速度較快。 熱學(xué)參數(shù)耦合條件下兩側(cè)煤壁溫度場(chǎng)分布變化較大，非耦合條件下煤壁內(nèi)部溫度都隨距燃空區(qū)的距離的增大呈減小的趨勢(shì)，耦合條件下，煤壁內(nèi)部溫度都隨距燃空區(qū)的距離的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，其溫度場(chǎng)的影響范圍分別為7 m 及6.2 m，耦合條件下影響范圍略小，耦合條件下煤壁內(nèi)部溫度場(chǎng)整體高溫頂板（圖13b）。 圖13c 為冷卻擴(kuò)展階段后燃空區(qū)底板內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布，耦合條件下溫度在底板的擴(kuò)展范圍為5 m，非耦合條件下為5.5 m，同一位置耦合條件下溫度較高，但衰減速度較快。

圖13 冷卻擴(kuò)展階段結(jié)束后圍巖溫度場(chǎng)分布Fig.13 Temperature field distribution of surrounding rock after cooling expansion stage

4.3 穩(wěn)定擴(kuò)展階段燃空區(qū)溫度場(chǎng)擴(kuò)展規(guī)律

由圖14 可知，忽略地下水向采空區(qū)內(nèi)部滲流產(chǎn)生的對(duì)流散熱效應(yīng)時(shí)，氣化完成后燃空區(qū)圍巖長(zhǎng)期受到氣化高溫余熱的影響，燃空區(qū)溫度場(chǎng)持續(xù)向巖層深部傳播，耦合條件下頂板靠近燃空區(qū)一側(cè)溫度逐漸降低，遠(yuǎn)離燃空區(qū)一側(cè)溫度逐漸升高，溫度場(chǎng)傳播范圍由第100 天時(shí)的16.3 m 增長(zhǎng)至第700 天時(shí)的32.3 m，氣化結(jié)束第700 天后頂板最高溫度依然能夠達(dá)到100 ℃，非耦合條件下頂板溫度場(chǎng)的擴(kuò)展規(guī)律與耦合條件下類(lèi)似，但溫度衰減更快，最高溫度由第100 天時(shí)的162 ℃衰減至91 ℃，溫度場(chǎng)擴(kuò)展范圍也較小，由第100 天時(shí)的15.2 m，增長(zhǎng)至第700 天時(shí)的30 m。 冷卻擴(kuò)展階段兩側(cè)煤壁溫度場(chǎng)擴(kuò)展規(guī)律為，耦合條件下階段初期溫度極值在煤壁內(nèi)部，隨著時(shí)間的推移，溫度極值逐漸移動(dòng)到燃空區(qū)邊緣，溫度場(chǎng)的擴(kuò)展范圍有100 天時(shí)的8 m 擴(kuò)展至第700 天時(shí)的13.5 m。 非耦合條件下煤壁溫度場(chǎng)擴(kuò)展范圍由100 天 時(shí)的11.5 m 增大至第700 天時(shí)的19.9 m，熱學(xué)參數(shù)的耦合變化對(duì)底板的溫度場(chǎng)擴(kuò)展影響極大。穩(wěn)定擴(kuò)展階段溫度場(chǎng)在底板內(nèi)部的擴(kuò)展規(guī)律與頂板類(lèi)似，無(wú)論是耦合還是非耦合條件下，靠近燃空區(qū)一側(cè)溫度逐漸降低，遠(yuǎn)離燃空區(qū)一側(cè)溫度逐漸升高。耦合條件下溫度傳播范圍由第100 天時(shí)的8 m 增大至第700 天時(shí)的19 m。 非耦合條件下溫度傳播范圍由第100 天時(shí)的9 m增大至第700 天時(shí)的21 m。

圖14 穩(wěn)定擴(kuò)展階段結(jié)束后圍巖溫度場(chǎng)分布Fig.14 Temperature field distribution of surrounding rock after stable expansion stage

5 結(jié) 論

1）高溫極大地改變了煤巖的熱學(xué)參數(shù)，利用FISH 語(yǔ)言對(duì)FLAC3D自帶的熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行了改進(jìn)，建立了高溫－熱學(xué)參數(shù)耦合條件下的煤炭地下氣化圍巖溫度場(chǎng)擴(kuò)展的數(shù)值模擬方法。

2）建立了煤炭試樣的數(shù)值模型，高溫?cái)U(kuò)展極大改變了煤炭熱學(xué)參數(shù)的分布，同時(shí)熱學(xué)參數(shù)的分布的變化也改變了溫度場(chǎng)的擴(kuò)展規(guī)律，高溫與熱學(xué)參數(shù)具有雙向耦合特征。 非耦合條件下煤炭?jī)?nèi)部溫度場(chǎng)擴(kuò)展范圍較大，但靠近熱源一側(cè)同一位置溫度較低。

3）煤炭地下氣化圍巖溫度場(chǎng)擴(kuò)展經(jīng)歷了3 個(gè)階段，煤層燃燒過(guò)程中的高溫?cái)U(kuò)展階段、與燃空區(qū)氣體對(duì)流散熱過(guò)程中的冷卻擴(kuò)展階段及氣化完成后的穩(wěn)定擴(kuò)展階段。

4）熱學(xué)參數(shù)的耦合作用改變了煤炭地下圍巖溫度場(chǎng)的分布，高溫?cái)U(kuò)展階段結(jié)束后溫度場(chǎng)在頂板傳播范圍為3.2 m，兩側(cè)煤壁6.5 m，底板1.3 m。 冷卻擴(kuò)展階段溫度場(chǎng)在頂板傳播范圍為12.2 m，煤壁7 m，底板5.5 m。 氣化完成后溫度場(chǎng)在燃空區(qū)圍巖內(nèi)部持續(xù)傳播，影響燃空區(qū)圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。