黃溫鋼，王作棠，夏元平，辛 林

(1.東華理工大學(xué) 江西省數(shù)字國土重點實驗室，江西 南昌 330013；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116； 3.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013；4.東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013； 5.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引 言

煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification，UCG)是煤炭資源綠色開采、流態(tài)化開采和精準(zhǔn)開發(fā)等理論體系的重要組成部分，可作為常規(guī)采煤方法的有利補充[1-3]，用于開發(fā)部分地質(zhì)條件適宜的深部、關(guān)閉/廢棄礦井煤炭資源[4]，以提高資源利用率，促進煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型升級。地下氣化過程中，燃空區(qū)空間會產(chǎn)生橫向和豎向擴展，使得懸露頂板面積不斷擴大，導(dǎo)致上覆巖層裂隙逐漸發(fā)生移動和破壞，進而引發(fā)地下水潰入、地表沉陷、煤氣泄漏和產(chǎn)氣不穩(wěn)定等事故，不僅會影響地下氣化過程的穩(wěn)定性，而且還可能污染地下水，破壞地表及其構(gòu)筑物。因此，燃空區(qū)圍巖穩(wěn)定性控制被視為地下氣化過程控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。氣化工作面無人員和大型設(shè)備，條帶開采更適應(yīng)礦井殘留煤塊段形狀不規(guī)則的特點，且有助于深部采場圍巖穩(wěn)定性控制?；趦?nèi)蒙古烏蘭察布?xì)饣瘓龅睦碚撗芯勘砻鳎侠淼臈l帶開采采寬和留寬能有效控制地下氣化引起的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度[5]。近年來，條帶開采工藝已被成功應(yīng)用于國內(nèi)外多個地下氣化工業(yè)性試驗，如甘肅華亭[6]、貴州山腳樹[7]和澳大利亞Bloodwood Creek[8]等，具有良好的應(yīng)用前景。

國內(nèi)外學(xué)者針對地下氣化過程中圍巖變形破壞規(guī)律等問題進行了研究，根據(jù)研究方法不同其大致可分為理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測3類。理論分析即通過數(shù)學(xué)方法構(gòu)建多場耦合模型來研究地下氣化條帶開采圍巖體的溫度場、應(yīng)力場、位移場演化規(guī)律和采寬、留寬的確定方法[7,9-13]。采用單純的理論方法本就存在模型構(gòu)建和求解難度大的問題，加上地下氣化過程是一個多場耦合問題，進一步限制了該方法的應(yīng)用。受氣化工作面高溫和煤氣影響，現(xiàn)場實測一般只能獲得氣化區(qū)地表沉降規(guī)律，而難以掌握燃空區(qū)圍巖體的移動破壞規(guī)律[6]。數(shù)值模擬可以有效彌補上述兩類研究方法的不足，故被國內(nèi)外學(xué)者廣泛用于地下氣化相關(guān)問題的研究。部分學(xué)者采用FLAC、ANSYS和RFPA等軟件對燃空區(qū)覆巖應(yīng)力場、裂隙演化、破斷規(guī)律和煤柱穩(wěn)定性進行了研究[5，10，13-16]，但受軟件自身特性所限，這些研究普遍只考慮高溫對煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)的影響，而未考慮地下氣化過程中的熱應(yīng)力對圍巖體力學(xué)性能的影響。為此，近年來有學(xué)者采用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics對地下氣化熱-力耦合作用下燃空區(qū)圍巖的裂隙演化、溫度場、應(yīng)力場和位移場等進行了研究[7，11，17-21]，但研究對象為煤巖標(biāo)準(zhǔn)試件、長壁開采工作面或者單個短壁工作面，對于多個條帶工作面同時開采的情況尚未涉及。與常規(guī)條帶開采工藝相比，地下氣化的工效較低，一般需設(shè)計多個條帶工作面同時開采以保證產(chǎn)量，而多個氣化條帶同時開采過程中形成的高溫和地應(yīng)力協(xié)同作用會對其燃空區(qū)圍巖的溫度場、應(yīng)力場和位移場演化產(chǎn)生何種影響，有待進一步研究。

綜上，借助COMSOL Multiphysics，結(jié)合貴州盤江山腳樹礦4號煤層首采氣化工作面的工程設(shè)計，對地下氣化過程中熱-力耦合作用下燃空區(qū)圍巖的溫度場、應(yīng)力場和變形規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究，并對氣化條帶開采和常規(guī)條帶開采的圍巖應(yīng)力和變形特征進行了對比分析。

1 地下氣化條帶開采數(shù)值模型

1.1 模型建立

以貴州盤江山腳樹礦4號煤層首采氣化工作面的工程地質(zhì)條件為背景，基于其鄰近區(qū)域的3402鉆孔柱狀圖(圖1)，采用COMSOL Multiphysics建立了二維模型，如圖2所示。根據(jù)實際工程設(shè)計，模擬3個條帶工作面和2個條帶煤柱的開采場景，采寬、留寬分別為10 m和8 m，總寬度為46 m，為消除邊界效應(yīng)，同時考慮氣化煤層上覆40 m以上的巖層參數(shù)不詳，確定模型的寬高尺寸為200 m(x)×70 m(z)(煤層上部約40 m、下部約30 m)。4號煤層實際埋深為415 m，故在模型頂部施加了大小為8.43 MPa的垂直應(yīng)力以模擬模型上覆374 m巖層的重力，兩側(cè)邊界設(shè)置為輥支承，同時施加大小為0.33γH(γ為覆巖容重；H為埋深)的水平應(yīng)力，約束模型底部的垂直方向位移。采用精細(xì)化的自由剖分三角形網(wǎng)格，燃空區(qū)鄰近區(qū)域控制最大網(wǎng)格尺寸為0.2 m，隨著與燃空區(qū)距離增加網(wǎng)格尺寸逐漸增大。

圖1 地下氣化區(qū)鉆孔柱狀Fig.1 Borehole histogram of UCG area

圖2 地下氣化條帶開采數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation for numerical simulation of the UCG strip mining

1.2 模型參數(shù)

模型參數(shù)可分為煤巖常溫物理力學(xué)參數(shù)和熱物理性能參數(shù)2類。

1)煤巖常溫物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)3402號鉆孔資料顯示，4號煤層頂板巖層巖性主要可分為粉砂巖、泥巖、煤3類。各巖層厚度及巖性描述如圖1所示，材料的常溫物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 數(shù)值模擬材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of materials of numerical simulation

2)煤巖熱物理性能參數(shù)。氣化工作面溫度高達(dá)1 200 ℃[22]，但隨著工作面向前推進，燃空區(qū)內(nèi)某固定點的溫度會隨之變化。為便于計算，假設(shè)燃空區(qū)內(nèi)充滿各向同性介質(zhì)，且除氣化燃燒區(qū)外無其他熱源，則燃空區(qū)圍巖表面某一處溫度可假設(shè)為時間t的線性函數(shù)Tsp(t)為

Tsp(t)=Tf-kt

(1)

地下氣化高溫會對燃空區(qū)鄰近區(qū)域的頂?shù)装搴蛢蓚?cè)煤體的彈性模量、泊松比、線脹系數(shù)、黏聚力和內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生顯著影響。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[10，23]，獲得了粉砂巖和煤的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，見表2。

表2 粉砂巖和煤的熱物理力學(xué)參數(shù)[10，23]Table 2 Thermophysical mechanical parameters of siltstone and coal[10，23]

1.3 計算方案

模型以山腳樹礦4號煤層條帶氣化工作面為原型，共設(shè)計了3個條帶工作面(同時開采)和2個條帶煤柱，采寬、留寬分別為10 m和8.0 m，工作面推進長度為162 m，按日推進速度1.287 m/d和年運行時間8 000 h計算，氣化工作面可運行136 d。

分別模擬了常規(guī)條帶開采和氣化條帶開采2種方案，二者區(qū)別在于：前者不考慮溫度影響，而后者考慮了溫度對煤巖體物理力學(xué)參數(shù)的影響以及熱應(yīng)力的存在，即熱-力耦合效應(yīng)。

2 模擬結(jié)果與分析

對地下氣化條帶開采過程中的溫度場、應(yīng)力場和位移場，以及常規(guī)條帶開采的應(yīng)力場和位移場進行了數(shù)值模擬，并對結(jié)果進行了對比分析。

2.1 燃空區(qū)圍巖溫度場演化

模擬了地下氣化條帶開采過程中開切眼處圍巖的溫度場，如圖3所示。

圖3 地下氣化條帶開采開切眼處圍巖溫度場的變化規(guī)律Fig.3 Evolution of temperature field in surrounding rock at open cut of UCG strip mining

結(jié)果表明，隨著氣化工作面推進，開切眼處圍巖表面的溫度迅速降低，圍巖體內(nèi)部約2 m區(qū)域的溫度先升高后降低，而圍巖體內(nèi)的溫度傳導(dǎo)范圍一直呈現(xiàn)擴大趨勢，最大影響范圍為10～12 m，與理論計算結(jié)果基本一致[7]。溫度在頂板中的傳導(dǎo)范圍最大，兩側(cè)煤體次之，底板最小，但圍巖體的最高溫度一直位于底板內(nèi)。

不同階段燃空區(qū)圍巖體溫度場變化規(guī)律如下：

①t=1 d(氣化工作面運行1 d時間，下同)時，地下氣化爐點火后，開切眼處圍巖表面的溫度迅速升至1 200 ℃，但由于時間較短，溫度在圍巖體內(nèi)傳導(dǎo)的范圍有限，如圖3a所示。

②t=20 d時，開切眼處圍巖表面溫度降低1 000 ℃左右，但其鄰近區(qū)域的煤巖體溫度逐漸升高，頂板內(nèi)溫度傳導(dǎo)范圍擴大至5 m，底板內(nèi)擴大至3 m，如圖3b所示。

③t=40 d時，圍巖表面溫度降低至約900 ℃，其鄰近區(qū)域的煤巖體溫度繼續(xù)升高，頂板內(nèi)溫度傳導(dǎo)范圍擴大至7 m，底板內(nèi)擴大至5 m，如圖3c所示。

④t=60 d時，圍巖表面溫度降低至760 ℃左右，頂?shù)装鍍?nèi)的溫度傳導(dǎo)范圍無明顯變化，但兩側(cè)煤體內(nèi)溫度傳導(dǎo)范圍顯著擴大，如圖3d所示。

⑤t=80 d時，圍巖表面的溫度降低至620 ℃左右，頂?shù)装鍍?nèi)的溫度傳導(dǎo)范圍仍無明顯變化，但圍巖體最高溫度出現(xiàn)在距離底板表面0.5～2.0 m，約為640 ℃，兩側(cè)煤體內(nèi)溫度傳導(dǎo)范圍進一步擴大，如圖3e所示。

⑥t=100 d時，圍巖表面的溫度降低至470 ℃左右，頂?shù)装搴蛢蓚?cè)煤體內(nèi)的溫度傳導(dǎo)范圍均有所擴大，圍巖體內(nèi)最高溫度降低至550 ℃，位置向底板深處轉(zhuǎn)移，如圖3f所示。

⑦t=120 d時，圍巖表面溫度降低至330 ℃左右，頂?shù)装搴蛢蓚?cè)煤體內(nèi)的溫度傳導(dǎo)范圍繼續(xù)擴大，圍巖體內(nèi)最高溫度降低至440 ℃，如圖3g所示。

⑧t=136 d時，氣化工作面推進至收作線位置，開切眼處圍巖表面溫度降低至200 ℃左右，巖體內(nèi)部最高溫度降低至約370 ℃，其位置位于煤柱底板處，此時圍巖內(nèi)溫度的傳導(dǎo)范圍擴大至10～12 m，如圖3h所示。

2.2 條帶開采主斷面圍巖應(yīng)力場

1)垂直應(yīng)力。模擬了地下氣化條帶開采和常規(guī)條帶開采主斷面圍巖垂直應(yīng)力場，如圖4所示。結(jié)果表明，常規(guī)或者氣化條帶開采過程中，煤柱及其頂?shù)装鍏^(qū)域所承受的垂直應(yīng)力要高于其他區(qū)域的，且在巷幫與頂?shù)装宓慕唤缣幮纬蓱?yīng)力集中區(qū)。地下氣化煤柱所受垂直應(yīng)力要明顯高于常規(guī)條帶開采的，這是由于燃空區(qū)圍巖在高溫作用下，內(nèi)部受熱膨脹形成熱應(yīng)力(壓應(yīng)力)，能夠?qū)ι细矌r層起到主動支撐作用，進而導(dǎo)致這部分煤巖體承受的總載荷有所增加。

圖4 條帶開采主斷面圍巖垂直應(yīng)力分布Fig.4 Vertical stress distribution of surrounding rock in main section of strip mining

2)水平應(yīng)力。模擬了地下氣化條帶開采和常規(guī)條帶開采主斷面圍巖水平應(yīng)力的分布情況，如圖5所示。結(jié)果表明，常規(guī)條帶開采后，采空區(qū)頂?shù)装鍛衣睹娉惺芾瓚?yīng)力，而頂?shù)装迮c煤柱接觸面則承受壓應(yīng)力；而地下氣化條帶開采后，燃空區(qū)懸露面、頂?shù)装迮c煤柱交界面都承受壓應(yīng)力，并且在整個開采區(qū)域的圍巖內(nèi)形成了一個壓應(yīng)力升高區(qū)。這是由于受高溫影響，圍巖受熱膨脹，使圍巖內(nèi)部在水平方向上形成熱應(yīng)力(壓應(yīng)力)，并抵消了燃空區(qū)頂?shù)装鍛衣睹嫣幍睦瓚?yīng)力，進而導(dǎo)致燃空區(qū)圍巖體內(nèi)的水平壓應(yīng)力增大，拉應(yīng)力減小。

圖5 條帶開采主斷面圍巖水平應(yīng)力分布Fig.5 Horizontal stress distribution of surrounding rock in main section of the strip mining

2.3 條帶開采主斷面圍巖位移場

1)垂直位移。模擬了地下氣化條帶開采和常規(guī)條帶開采主斷面圍巖垂直位移的分布情況，如圖6所示。結(jié)果表明，2種工藝開采后，其采場頂?shù)装宓拇怪蔽灰茍鼍哂酗@著差異。常規(guī)條帶開采后，采空區(qū)懸露頂板及其覆巖出現(xiàn)下沉，而底板及其下伏巖層上移。氣化條帶開采后，燃空區(qū)鄰近區(qū)域的頂?shù)装逦灰期厔菖c常規(guī)的相同，但頂?shù)装迳畈康奈灰期厔輨t出現(xiàn)相反情況，即頂板上移、底板下沉。這是因為圍巖體在地下氣化過程中受熱膨脹，使得氣化工作面鄰近區(qū)域的頂?shù)装鍘r體向燃空區(qū)方向發(fā)生變形，而稍遠(yuǎn)區(qū)域的燃空區(qū)頂?shù)装鍘r層則向相反方向擠壓。

圖6 條帶開采主斷面圍巖垂直位移分布Fig.6 Vertical displacement distribution of surrounding rock in main section of strip mining

2)水平位移。模擬了地下氣化條帶開采和常規(guī)條帶開采主斷面圍巖水平位移的分布情況，如圖7所示。結(jié)果表明，2種工藝開采后，圍巖體的水平位移量和分布規(guī)律均存在顯著差異。地下氣化開采后燃空區(qū)圍巖的水平位移量明顯大于常規(guī)條帶開采的。此外，常規(guī)條帶開采后，受采出空間位置的影響，頂?shù)装鍘r層的水平位移呈現(xiàn)向右、向左交替分布的情形；而地下氣化開采后，以中軸線為界，左側(cè)圍巖水平向左移動，而右側(cè)圍巖水平向右移動。這是因為在地下氣化高溫作用下，圍巖體產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于其原有水平地應(yīng)力，從而導(dǎo)致圍巖向氣化區(qū)兩側(cè)移動。

圖7 條帶開采主斷面圍巖水平位移分布Fig.7 Horizontal displacement distribution of surrounding rock in main section of strip mining

2.4 條帶開采主斷面覆巖移動規(guī)律

模擬了地下氣化條帶開采和常規(guī)條帶開采主斷面直接頂和模型頂部巖層的移動規(guī)律，如圖8所示。結(jié)果表明，無論是地下氣化還是常規(guī)開采工藝，條帶采出后，受煤柱存在的影響，直接頂出現(xiàn)波浪式變形，而模型頂部巖層則發(fā)展為整體變形。但2種開采工藝的覆巖變形規(guī)律卻存在顯著差異。地下氣化條帶開采直接頂變形的波動幅度明顯大于常規(guī)開采的，且在有煤體支撐的區(qū)域出現(xiàn)上移現(xiàn)象。在模型頂部處，常規(guī)條帶開采后的變形為整體下沉，而地下氣化條帶開采后卻出現(xiàn)了整體上移，且其變形量大于常規(guī)開采的。造成這一現(xiàn)象的原因是地下氣化高溫在燃空區(qū)圍巖體內(nèi)傳導(dǎo)形成熱應(yīng)力，進而影響圍巖體的變形。華亭地下氣化地表沉陷實測結(jié)果表明，條帶開采的地表下沉曲線因覆巖熱應(yīng)力也出現(xiàn)了上升現(xiàn)象[6]。綜上，說明地下氣化過程中形成的熱應(yīng)力能一定程度上阻止覆巖的下沉變形。

圖8 條帶開采主斷面覆巖的位移Fig.8 Displacement of overburden in main section of strip mining

3 結(jié) 論

1)溫度場模擬結(jié)果表明，隨著氣化工作面向前推進，開切眼處圍巖表面的溫度迅速降低，圍巖體內(nèi)部約2 m區(qū)域的溫度先升高后降低，而圍巖體內(nèi)的溫度傳導(dǎo)范圍一直呈現(xiàn)擴大趨勢，最大影響范圍為10～12 m。溫度在頂板中的傳導(dǎo)范圍最大，兩側(cè)煤體次之，底板最小。圍巖體的最高溫度位置不斷變化，前期為燃空區(qū)表面，中期為燃空區(qū)底板，后期為煤柱底板。

2)常規(guī)或者氣化條帶開采過程中，煤柱及其頂?shù)装鍏^(qū)域所承受的垂直應(yīng)力要高于其他區(qū)域的，受熱應(yīng)力(壓力)影響，地下氣化煤柱所受垂直應(yīng)力要明顯高于常規(guī)條帶開采的。常規(guī)條帶開采后，采空區(qū)頂?shù)装鍛衣睹娉惺芾瓚?yīng)力，而頂?shù)装迮c煤柱接觸面則承受壓應(yīng)力，而地下氣化條帶開采后，燃空區(qū)懸露面、頂?shù)装迮c煤柱交界面都承受壓應(yīng)力，并且在整個開采區(qū)域的圍巖內(nèi)形成了一個壓應(yīng)力升高區(qū)。

3)常規(guī)條帶開采后，采空區(qū)懸露頂板及其覆巖出現(xiàn)下沉，而底板及其下伏巖層上移。氣化條帶開采后，燃空區(qū)鄰近區(qū)域的頂?shù)装逦灰期厔菖c常規(guī)的相同，但由于受熱應(yīng)力影響頂?shù)装迳畈康奈灰期厔莩霈F(xiàn)相反情況，即頂板上移、底板下沉。地下氣化開采后燃空區(qū)圍巖的水平位移量明顯大于常規(guī)條帶開采的。此外，常規(guī)條帶開采后，頂?shù)装鍘r層的水平位移呈現(xiàn)向右、向左交替分布的情形；而地下氣化開采后，開采區(qū)域的左側(cè)圍巖體向左水平移動，右側(cè)圍巖體向右水平移動。

4)無論是地下氣化還是常規(guī)開采工藝，條帶采出后，受煤柱存在的影響，直接頂出現(xiàn)波浪式變形，而至模型頂部巖層時，則發(fā)展為整體變形。但兩種開采工藝的覆巖變形規(guī)律卻存在顯著差異。地下氣化條帶開采直接頂變形的波動幅度明顯大于常規(guī)開采的，且在有煤體支撐的區(qū)域出現(xiàn)上移現(xiàn)象。在模型頂部處，常規(guī)條帶開采后的變形為整體下沉，而地下氣化條帶開采后卻出現(xiàn)了整體上移現(xiàn)象，且其變形量大于常規(guī)開采的，說明地下氣化過程中形成的熱應(yīng)力能一定程度上阻止覆巖的下沉變形。