蘇發(fā)強(qiáng) ，鄧啟超，武俊博，張 濤，代孟佳，何小龍，楊君楠，余伊河

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454003；2.西安科技大學(xué) 西部煤炭綠色開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054；3.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

煤炭地下氣化(UCG)是一種新型煤炭開(kāi)采技術(shù)，能夠通過(guò)向原位煤層注入氣化劑使其發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)以可燃?xì)怏w的形式回收煤炭的能量[1-3]。煤炭地下氣化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)深部煤層資源的利用，相較于傳統(tǒng)煤炭開(kāi)采技術(shù)，煤炭地下氣化對(duì)環(huán)境影響更小[4-5]。在煤炭地下氣化過(guò)程中通常伴隨著CO2的產(chǎn)生，有利于 UCG-CCS(碳捕集和封存)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，同時(shí)氣化后的空腔也為碳封存提供了可能的場(chǎng)所[6-7]。然而煤炭地下氣化也存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，氣化過(guò)程中煤層裂紋的不斷增多可能會(huì)導(dǎo)致氣體泄漏、地表沉陷以及環(huán)境污染[8-9]。因此氣化過(guò)程的有效監(jiān)測(cè)以及煤體破裂規(guī)律的研究對(duì)于保證氣化系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全運(yùn)行尤為重要。

煤炭地下氣化煤巖體破裂及氣化區(qū)擴(kuò)展是一系列復(fù)雜的變化過(guò)程[10-11]，其中氣化劑的流動(dòng)、氣化過(guò)程中的溫度變化以及煤本身的特性都會(huì)影響氣化過(guò)程[12-13]。針對(duì)以上因素，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者開(kāi)展了許多研究。LACIAK Marek 等[14]構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室條件下的UCG溫度場(chǎng)變化的時(shí)空模型，并根據(jù)此模型研究了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中燃空腔的擴(kuò)展速度；EKNELIGODA 等[15]根據(jù)波蘭 Wieczorek 的 UCG 試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種耦合熱機(jī)械數(shù)值模型，模型結(jié)果表明，氣化過(guò)程中燃燒區(qū)域圍巖的力學(xué)性能由于加熱導(dǎo)致的退化對(duì)地表的沉降有顯著的邊際效應(yīng)；SAMDANI Ganesh 等[16]提出了一種用于UCG 氣化初期的產(chǎn)氣模型，并使用該模型較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了實(shí)驗(yàn)室條件下的氣體熱值及燃空腔生長(zhǎng)速率；JOWKAR Amin 等[17]使用COMSOL 數(shù)值模擬預(yù)測(cè)了氣化初期燃空腔的形狀和體積；BHASKARAN Sminu 等[18]利用UCG 模擬實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)氣化過(guò)程中煤體剝落機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)煤體剝落是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中裂紋的擴(kuò)展造成的；GAO Wu 等[19]采用耦合熱工水力化學(xué)模型為研究地下氣化中的固氣轉(zhuǎn)換以及燃空腔擴(kuò)展方式提供了新方法；王喆等[20]使用COMSOL 數(shù)值模擬研究了深部煤層的氣化下高溫對(duì)圍巖特性的影響；張華磊等[21]通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)分析了燃空區(qū)覆巖運(yùn)移規(guī)律，并證明了燃空區(qū)覆巖運(yùn)移擁有與井工開(kāi)采類似的規(guī)律；陳峰等[22]研究了富氧-CO2氣化劑條件下燃空區(qū)的形狀及擴(kuò)展規(guī)律；唐芙蓉等[23]采用RFPA 建立模型分析了燃空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及“三帶”分布規(guī)律；楊蘭和等[24]應(yīng)用瞬變電磁法(TEM)對(duì)煤炭地下氣化燃燒區(qū)的范圍進(jìn)行了探測(cè)，并使用溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)與探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了TEM 技術(shù)用于地下氣化燃空區(qū)檢測(cè)的可行性；辛林等[25]研究了氣化條件下溫度變化對(duì)覆巖的力學(xué)性能及損傷特性的影響。目前對(duì)煤炭地下氣化煤巖體裂隙的研究主要集中在溫度場(chǎng)擴(kuò)展對(duì)煤巖運(yùn)移的影響，以及燃空區(qū)擴(kuò)展的數(shù)值模擬研究，而對(duì)煤炭地下氣化煤巖體裂隙的實(shí)時(shí)破裂監(jiān)測(cè)以及擴(kuò)展規(guī)律的研究較少。

筆者構(gòu)建了垂直同軸孔、底部帶交叉孔的垂直同軸孔及V 形連接孔作為氣化通道的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑦M(jìn)行了煤炭地下氣化實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用聲發(fā)射(AE)技術(shù)對(duì)煤體破裂活動(dòng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，研究了溫度、氣化劑配比及流量對(duì)煤體破裂及氣化區(qū)擴(kuò)展的影響，驗(yàn)證了通過(guò)聲發(fā)射實(shí)時(shí)定位技術(shù)預(yù)測(cè)氣化區(qū)擴(kuò)展范圍的有效性，然后采用矩張量對(duì)氣化過(guò)程中煤體產(chǎn)生的裂隙類型、方向以及位置進(jìn)行了定量分析，并基于這些結(jié)果進(jìn)一步闡述了煤體破裂規(guī)律。

1 UCG 模型實(shí)驗(yàn)

1.1 UCG 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建

實(shí)驗(yàn)煤層長(zhǎng)2 742 mm、寬600 mm、高550 mm，由直徑0.5～0.7 m 的塊煤從上至下分層鋪設(shè)而成，并用混凝土進(jìn)行整體澆筑。為保證氣化裝置的氣密性，氣化爐內(nèi)壁貼有厚度為37 mm 的耐火石膏板，各裝置的連接空隙也用耐火膠進(jìn)行了密封處理。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括氣化爐、氣化劑注入裝置、氣體凈化裝置、過(guò)程監(jiān)測(cè)裝置(圖1)。使用該系統(tǒng)依次獨(dú)立進(jìn)行了3種不同氣化通道的模擬實(shí)驗(yàn)，左側(cè)區(qū)域?yàn)闅饣ǖ赖撞繋Ы徊婵椎拇怪蓖S孔模型實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)1)以及垂直同軸孔模型實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)2)、右側(cè)區(qū)域?yàn)閂 形連接孔模型(實(shí)驗(yàn)3)，氣化通道鉆孔直徑均為35 mm。同軸孔模型由一個(gè)自頂面垂直向下鉆入煤層的鉆孔以及一個(gè)嵌入鉆孔內(nèi)部的雙層同軸套管構(gòu)成，鉆孔方向與煤層的分層平面垂直。其中同軸內(nèi)管用于注入氣化劑，同軸外管用于收集產(chǎn)生的氣體。帶交叉孔的同軸孔模型在同軸孔模型的基礎(chǔ)上在氣化通道底部設(shè)置了交叉孔，以促進(jìn)燃燒區(qū)域的擴(kuò)大。V 形連接孔模型的氣化通道則由一個(gè)沿水平鉆進(jìn)的V 形鉆孔以及2 個(gè)嵌入鉆孔內(nèi)部的管道組成，2 個(gè)管道在同一水平面上，夾角為10°。兩管道分別用于注入氣化劑和生成氣體的運(yùn)出。

圖1 UCG 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 UCG experimental system

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)預(yù)埋在不同位置的K 型熱電偶溫度傳感器以及AE 傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)氣化區(qū)位置的移動(dòng)以及煤體破裂活動(dòng)。使用氣相色譜儀分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中生成氣體成分。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

本次實(shí)驗(yàn)使用氧氣瓶、空氣壓縮機(jī)以及流量控制裝置組成的氣體注入系統(tǒng)來(lái)調(diào)整氣化劑的配比及流量。使用預(yù)埋在通道底部的點(diǎn)火盤對(duì)煤層進(jìn)行點(diǎn)火，并通入6 L/min 流量的純氧，當(dāng)觀察到通道底部溫度傳感器的溫度快速上升，以及氣相色譜儀記錄的氣化產(chǎn)物中主要可燃?xì)怏w(CO、H2、CH4等)所占比例不斷增高時(shí)，說(shuō)明點(diǎn)火成功。點(diǎn)火成功后，維持純氧注入15 min 左右，確保周圍煤層被點(diǎn)燃。然后將氣化劑(富氧-空氣)注入氣化通道以維持整個(gè)反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)開(kāi)啟安置在氣化通道附近的溫度傳感器以及AE裝置監(jiān)測(cè)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度變化以及聲發(fā)射活動(dòng)，收集記錄數(shù)據(jù)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程的流量及氣化劑組分見(jiàn)表1。反應(yīng)產(chǎn)生的氣化產(chǎn)物通入過(guò)濾系統(tǒng)后收集，當(dāng)監(jiān)測(cè)到燃燒區(qū)域推進(jìn)到煤層邊界時(shí)，通入N2進(jìn)行滅火操作。滅火結(jié)束靜置冷卻至室溫后開(kāi)展下一次實(shí)驗(yàn)。各實(shí)驗(yàn)氣化通道內(nèi)部壓力維持在0.02～0.05 MPa內(nèi)，如圖2 所示，因此氣化通道內(nèi)部氣壓穩(wěn)定，為后續(xù)氣化區(qū)擴(kuò)展規(guī)律的分析提供了可靠性，同時(shí)也說(shuō)明了獨(dú)立依次進(jìn)行的3 個(gè)實(shí)驗(yàn)互不干擾。

表1 3 次實(shí)驗(yàn)的流量與組分Table 1 Flow and composition of three experiments

圖2 各實(shí)驗(yàn)氣化通道內(nèi)部壓力Fig.2 Internal pressure of gasification channel in each experiment

1.3 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

AE 的物理本質(zhì)是材料局部能量的快速釋放產(chǎn)生的彈性波，而在煤炭地下氣化的過(guò)程中AE 活動(dòng)主要是熱應(yīng)力導(dǎo)致煤體破裂產(chǎn)生的。由于整個(gè)人工煤層被鋼制氣化爐包裹，為保證后序震源標(biāo)定效果的可靠性，AE 傳感器固定在插入煤層中的波導(dǎo)桿上，AE 傳感器的布置如圖3 所示。

圖3 聲發(fā)射傳感器(藍(lán)色正方體)布置位置Fig.3 Arrangement position of AE sensors (Blue cube)

筆者對(duì)聲發(fā)射活動(dòng)的研究包括聲發(fā)射事件數(shù)以及聲發(fā)射源的位置，其中聲發(fā)射事件數(shù)代表氣化過(guò)程中煤體受熱應(yīng)力影響產(chǎn)生的裂紋數(shù)目，而聲發(fā)射源位置代表氣化過(guò)程中煤層產(chǎn)生的裂紋位置。聲發(fā)射計(jì)數(shù)率以及事件數(shù)由數(shù)據(jù)記錄儀(GL900,Graphtec Corp.,Yokohama,Japan)記錄存儲(chǔ)。所有的聲發(fā)射波形都由示波器(GR-7000,Keyence Co,Osaka,Japan)進(jìn)行存儲(chǔ)，采樣時(shí)間設(shè)置10 μs，然后使用程序進(jìn)行處理?？紤]到實(shí)驗(yàn)中背景噪聲的變化對(duì)各通道聲發(fā)射信號(hào)接收的影響，在記錄聲發(fā)射波形與計(jì)數(shù)率的同時(shí)，通過(guò)觀察氣化過(guò)程中波形的變化實(shí)時(shí)設(shè)定門檻值過(guò)濾噪聲。

1.4 溫度監(jiān)測(cè)

在煤炭地下氣化中，通過(guò)監(jiān)測(cè)煤層整體的溫度變化，可以推測(cè)氣化區(qū)擴(kuò)展范圍[26]。本次實(shí)驗(yàn)使用了22 套溫度傳感器，布置位置如圖4 所示，同心圓代表溫度傳感器位置，紅線代表氣化通道。最深部的傳感器距離煤層底部220 mm。實(shí)驗(yàn)1 使用的溫度傳感器為TC21～TC25、TC2 以及TC1，其中TC21～TC24溫度傳感器位于同軸管道左側(cè)，間隔距離為100 mm，TC25、TC2 以及TC1 距同軸通道距離分別為60、100、360 mm。溫度傳感器TC11～T13 傳感器、TC1 以及TC2 用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)2 的溫度變化，TC11、TC12 與通道底部處于同一水平高度，分別位于通道右側(cè)100、200 mm 處；而TC13、TC1 位于通道底部上方100、200 mm 處；TC2 距同軸通道水平距離最遠(yuǎn)為320 mm。監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)3 溫度的溫度傳感器分為3 組: TV11～TV14 為最深部的傳感器距氣化通道最近，離煤層底部220 mm；TV21～TV22 設(shè)置在煤層中部位置；而上部傳感器TV31～TV34 離煤層頂部最近。3 組組內(nèi)溫度傳感器之間的水平距離為200 mm，各組垂直距離為100 mm。

圖4 溫度傳感器位置布置Fig.4 Temperature sensor location layout

2 模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 氣體組分監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 給出了3 次實(shí)驗(yàn)的煤氣的組分以及熱值，表中垂直同軸孔模型實(shí)驗(yàn)1 以及實(shí)驗(yàn)2 的單位氣體熱值分別為4.75、4.68 MJ/m3，而連接孔模型的熱值為7.66 MJ/m3，高于垂直同軸孔模型，說(shuō)明連接孔模型的氣化效果優(yōu)于垂直同軸孔模型，這與之前的研究結(jié)論一致[27]。

表2 煤氣組分及熱值Table 2 Calorific value and main components of gasified gas

2.2 氣化區(qū)擴(kuò)展規(guī)律

2.2.1 氣化區(qū)溫度變化與擴(kuò)展趨勢(shì)

實(shí)驗(yàn)1 溫度變化如圖5(a)所示，在點(diǎn)火之后0～3 h，位于同軸孔右上方的TC25、TC2 的記錄的溫度上升至391.9、297.8 ℃，而其他溫度傳感器記錄的溫度在150 ℃以下，說(shuō)明此時(shí)高溫區(qū)位于同軸通道右上方，而3 h 后位于同軸管左側(cè)TC21～TC24 記錄的溫度開(kāi)始上升。同時(shí)，位于氣化通道右側(cè)較遠(yuǎn)的TC1 記錄的溫度在5 h 后也出現(xiàn)了上升，這表明高溫區(qū)往兩側(cè)不斷擴(kuò)展。3～26 h，TC25 記錄的溫度從391.9 上升至1 151.7 ℃，而位于TC25 左下方的TC21 溫度從184.3 上升至1 151.7 ℃，說(shuō)明這段時(shí)間內(nèi)高溫區(qū)有向左下方擴(kuò)展的趨勢(shì)，26 h 后TC21 記錄的溫度與TC25區(qū)域的溫度沒(méi)有明顯的差別，上升緩慢，而3～26 h，TC23、TC24 記錄的溫度則一直在上升，說(shuō)明高溫區(qū)向上推進(jìn)，這些結(jié)果說(shuō)明帶底部交叉孔的垂直同軸氣化通道的氣化區(qū)在垂直方向總體向上擴(kuò)展，而在水平方向向兩側(cè)擴(kuò)展。

圖5 溫度變化Fig.5 Temperature variation

圖5(b)展示了實(shí)驗(yàn)2 的溫度變化，其中溫度傳感器TC1、TC13、TC11 距點(diǎn)火位置水平距離較近，而TC2、TC12 則距點(diǎn)火位置的水平距離較遠(yuǎn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，在0～2 h，燃燒僅發(fā)生在小范圍內(nèi)，各傳感器溫度大多在80 ℃以下；隨著氣化劑持續(xù)通入，高溫區(qū)域逐漸增大，在2～5 h 間，點(diǎn)火點(diǎn)上方的TC1、TC13 溫度分別上升至953.6、838.9 ℃，說(shuō)明此時(shí)高溫區(qū)往上擴(kuò)展。5 h 后位于點(diǎn)火點(diǎn)右側(cè)處的TC11、TC12 以及位于同軸孔左側(cè)的TC2 記錄溫度逐漸升高，其中TC11 記錄的溫度11 h 達(dá)到峰值，且11～23 h 間一直維持在1 200 ℃左右，在這期間位于同軸管上方的TC13、TC1 記錄的溫度分別維持在1 000、800 ℃左右，低于TC11，說(shuō)明高溫區(qū)向下偏移，而同軸管左側(cè)的TC2 與同軸管右側(cè)的TC12 于23 h 左右分別上升至447.5、647.5 ℃，表明高溫區(qū)域往兩側(cè)擴(kuò)展。這些結(jié)果表明垂直同軸氣化通道的氣化區(qū)在垂直方向經(jīng)歷了向上-向下的擴(kuò)展趨勢(shì)，而水平方向兩側(cè)擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)2(垂直同軸氣化通道)與實(shí)驗(yàn)1(帶底部交叉孔的垂直同軸氣化通道)的氣化區(qū)擴(kuò)展出現(xiàn)的差異，可能是氣化通道底部結(jié)構(gòu)以及氣化劑流量的不同造成的。

實(shí)驗(yàn)3 的V 形連接孔的溫度變化如圖5(c)所示，在氣化開(kāi)始后0～4 h，離點(diǎn)火位置最近的溫度傳感器TV11、TV21 記錄的溫度分別由83.8、25 ℃上升至721、481.4 ℃，4 h 后迅速下降(圖5(c)底部傳感器、中部傳感器)，4 h 后距入氣口較近的TV14、TV13 溫度逐漸上升并分別于14、23 h 超過(guò)721 ℃，這說(shuō)明此時(shí)高溫區(qū)并不位于著火點(diǎn)附近，而是位于氣化劑的注入口。20 h 后位于氣化通道中部(圖5(c)中部傳感器)的TV21～TV24 以及氣化通道上部(圖5(c)上部傳感器)TV34、TV32、TV31 的溫度傳感器記錄的溫度也逐漸上升，且離出氣口較近的TV21、TV22 溫度傳感器記錄的溫度不斷上升，且溫度上升滯后于離出氣口稍遠(yuǎn)的TV24、TV23。這些結(jié)果說(shuō)明V 形連接孔氣化通道的氣化區(qū)沿出氣口移動(dòng)，向上擴(kuò)展。

2.2.2 聲發(fā)射活動(dòng)與溫度相關(guān)性

氣化過(guò)程中的AE 事件主要是氣化過(guò)程中的熱應(yīng)力導(dǎo)致的煤體破裂產(chǎn)生的，因此溫度變化與AE 事件發(fā)生頻率相關(guān)[28]。為了進(jìn)一步確定溫度變化與AE 事件的相關(guān)性，統(tǒng)計(jì)了3 個(gè)實(shí)驗(yàn)連續(xù)溫度變化與AE 事件數(shù)的關(guān)系，如圖6 所示。圖6 中溫度變化與AE 事件的相關(guān)系數(shù)R2=0.872 2(>0.7)，表明2 者強(qiáng)相關(guān)。溫度變化與AE 事件數(shù)呈一元三次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，AE 事件數(shù)也會(huì)逐漸增多；在450～850 ℃內(nèi)，聲發(fā)射活動(dòng)較為活躍；當(dāng)溫度超過(guò)850 ℃時(shí)，AE 事件數(shù)量為1 265，相較于前一階段記錄的AE事件數(shù)量(3 205)顯著下降，造成這種現(xiàn)象可能有2 個(gè)方面的原因：一方面是由于前期已經(jīng)產(chǎn)生了較多裂紋，煤體累計(jì)損傷程度較高，難以產(chǎn)生新的裂紋；另一方面是由于該階段時(shí)溫度較高，煤體發(fā)生熱解，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變軟，熱破裂現(xiàn)象減弱[29]。

圖6 溫度變化與AE 事件數(shù)量Fig.6 Temperature variation and AE events

雖然AE 事件數(shù)量可以表示氣化爐內(nèi)煤體破壞的劇烈程度，但無(wú)法直觀的表征氣化區(qū)的擴(kuò)展與煤體破裂位置，因此采用聲發(fā)射定位技術(shù)對(duì)氣化過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射源進(jìn)行了實(shí)時(shí)標(biāo)定，并結(jié)合不同階段溫度場(chǎng)的分布對(duì)氣化區(qū)的擴(kuò)展范圍進(jìn)行了預(yù)測(cè)，如圖7 所示，其中不同顏色的正方體代表了不同氣化階段的產(chǎn)生的聲發(fā)射源，溫度擴(kuò)展圖中白色方框代表氣化通道。

實(shí)驗(yàn)1(圖7(a))中，溫度場(chǎng)在0～36 h 期間整體以軸為中心向兩側(cè)擴(kuò)展，且聲發(fā)射源的擴(kuò)展方向與溫度場(chǎng)基本一致。實(shí)驗(yàn)2(圖7(b))中聲發(fā)射源集中在同軸氣化通道附近，0～5 h 時(shí)，氣化劑注入流量為40 L/min，大流量促使燃燒帶快速向上推移，因此著火點(diǎn)上方出現(xiàn)了較多的聲發(fā)射震源，并且5 h 時(shí)溫度場(chǎng)擴(kuò)展邊界已接近頂板；5～11 h 時(shí)，流量從40 L/min 逐漸降低至26 L/min，氣體流速放緩，因此溫度場(chǎng)出現(xiàn)了向下及向四周擴(kuò)展的趨勢(shì)，同時(shí)5 h 后在氣化通道兩側(cè)也出現(xiàn)了較多的聲發(fā)射源點(diǎn)，說(shuō)明氣化區(qū)沿軸向下移動(dòng)同時(shí)向兩側(cè)擴(kuò)展。對(duì)于V 形連接孔模型(圖7(c))，在實(shí)驗(yàn)0～30 h 內(nèi)，注入通道中部出現(xiàn)了大量的聲發(fā)射源，隨后由于受氣化劑流量以及流速的影響，聲發(fā)射源整體向著氣流方向由入氣口向出氣口移動(dòng)，同時(shí)進(jìn)氣通道的兩側(cè)也出現(xiàn)了較多的聲發(fā)射源。3 個(gè)實(shí)驗(yàn)的溫度與聲發(fā)射結(jié)果分析表明聲發(fā)射源整體分布位置變化與溫度場(chǎng)擴(kuò)展趨勢(shì)一致，2 種方法結(jié)合能夠較為準(zhǔn)確地標(biāo)定氣化區(qū)的擴(kuò)展方向。

2.2.3 氣化區(qū)擴(kuò)展速度

為了更加直觀的表示氣化區(qū)的移動(dòng)，采用空間統(tǒng)計(jì)中的中心要素分析了氣化區(qū)的整體擴(kuò)展趨勢(shì)，如圖8所示，中心要素為所有聲發(fā)射源中與其他聲發(fā)射源歐式距離即絕對(duì)距離的總和最短的定位點(diǎn)，代表整體聲發(fā)射源位置分布的聚合趨勢(shì)，不同階段的中心要素位置可以大致代表此時(shí)氣化區(qū)中心所在位置。圖8 中不同顏色的正方體體分別代表氣化初期、中期和后期(對(duì)應(yīng)各模型聲發(fā)射定位點(diǎn)分布(圖7)的時(shí)間段)的中心要素點(diǎn)，白色箭頭表示中心要素點(diǎn)的移動(dòng)趨勢(shì)。

從中心要素分布位置來(lái)看，3 個(gè)實(shí)驗(yàn)的氣化區(qū)移動(dòng)都有很強(qiáng)的方向性。實(shí)驗(yàn)1(圖8(a))氣化區(qū)整體呈向右上方擴(kuò)展的趨勢(shì)，俯視圖中中心要素的移動(dòng)位置十分接近底部設(shè)置的交叉孔位置，這意味著同軸孔底部設(shè)置的交叉孔可能對(duì)氣化區(qū)的移動(dòng)方向造成了影響。而實(shí)驗(yàn)2(圖8(b))的氣化區(qū)經(jīng)歷了向上擴(kuò)展到向下擴(kuò)展的過(guò)程，對(duì)于垂直同軸孔實(shí)驗(yàn)，中心要素在水平方向移動(dòng)的相對(duì)距離大于垂直方向，表明垂直同軸實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臍饣瘏^(qū)主要向側(cè)向擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)3(圖8(c))V 形連接孔中心要素一開(kāi)始位于進(jìn)氣口，隨后向著出氣口移動(dòng)，表明V 形連接孔模型氣化區(qū)沿氣流方向擴(kuò)展。

同時(shí)，根據(jù)各實(shí)驗(yàn)各階段的中心要素位置變化可以計(jì)算氣化區(qū)的擴(kuò)展速度，以及研究流量與氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)氣化區(qū)擴(kuò)展速度的影響，見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)2(圖8(b))在5～11 h 時(shí)，流量為32.83 L/min、氧體積分?jǐn)?shù)為60.5%，氣化區(qū)擴(kuò)展速度為2.47 cm/h，耗煤率為1.38 kg/h，此時(shí)流量與氧體積分?jǐn)?shù)較高，而且，氣化前期時(shí)氣化通道內(nèi)壁大多為新鮮煤，氣化反應(yīng)條件好，因此氣化區(qū)擴(kuò)展速度較高[30]。11～24 h 時(shí)，整體流量的降低至26 L/min，氣化區(qū)的擴(kuò)展速度為0.35 cm/h，耗煤率為0.67 kg/h。這表明氣化區(qū)擴(kuò)展速度隨氣化劑流量下降明顯下降。而實(shí)驗(yàn)1(圖8(a))，9～21 h 時(shí)，流量為25 L/min，氧體積分?jǐn)?shù)為52.6%，氣化區(qū)擴(kuò)展速度為0.44 cm/h，在21 h 后平均注氣流量提升至41 L/min，氧體積分?jǐn)?shù)提升至60.5%，此時(shí)氣化區(qū)擴(kuò)展速度為0.57 cm/h，氣化區(qū)擴(kuò)展速度相較于21 h 前較快，但低于實(shí)驗(yàn)2(5～11 h)的氣化區(qū)擴(kuò)展速度，此時(shí)耗煤率為1.15 kg/h，也低于實(shí)驗(yàn)2(5～11 h),可以推測(cè)，由于21 h后實(shí)驗(yàn)1 氣化爐整體溫度較高(>887 ℃)接近氧化區(qū)臨界溫度(900 ℃)，此時(shí)提高流量與氧體積分?jǐn)?shù)反而使氣化通道富氧化，促進(jìn)了氣化通道壁面結(jié)焦，阻礙了新鮮煤層的暴露，導(dǎo)致對(duì)氣化區(qū)的擴(kuò)展速度提升較小[31]。實(shí)驗(yàn)3(圖8(c))，30～60 h 時(shí)，流量為25.7 L/min，氧體積分?jǐn)?shù)為60.5%，而60 h 后，氧體積分?jǐn)?shù)不變，流量提升至36.7 L/min，此時(shí)氣化區(qū)擴(kuò)展速度由0.42 提升至0.53 cm/h。由此可見(jiàn)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提高流量與氧體積分?jǐn)?shù)能促進(jìn)氣化區(qū)的擴(kuò)展，但若溫度較高，提高氣化劑流量與氧體積分?jǐn)?shù)給氣化區(qū)擴(kuò)展速度帶來(lái)的提升較小。

表3 氣化劑組分(氧體積分?jǐn)?shù)、流量)與氣化區(qū)擴(kuò)展速度的關(guān)系Table 3 Relationship between the components of the gasification agent (oxygen volume fraction and flow rate)and the expansion rate of the gasification agent

2.3 煤體破壞類型分析

為了確定氣化過(guò)程中煤的破壞類型及機(jī)制，在本研究中采用了自主設(shè)計(jì)的矩張量分析程序，定量分析了氣化過(guò)程中煤的開(kāi)裂與損傷機(jī)制。程序基于聲發(fā)射信號(hào)振幅計(jì)算矩張量分量[32]，假設(shè)Haskell 斜坡函數(shù)為力矩時(shí)間函數(shù)[33]，采用矩張量分量計(jì)算震源時(shí)間函數(shù)，結(jié)合獲得的震源時(shí)間函數(shù)，并基于組合幾何力學(xué)模型構(gòu)建裂紋分布模型[34]。程序能夠計(jì)算拉伸裂紋與剪切裂紋在聲發(fā)射源的處的相對(duì)占比，當(dāng)拉伸裂紋相對(duì)占比(TR)≥60%時(shí)，聲發(fā)射源處主要破壞類型為拉伸破壞，TR≤40%時(shí)，為剪切破壞，而TR 介于2者之間為混合破壞。

基于矩張量分析構(gòu)建的裂紋分布模型可以提供包括裂紋類型、裂紋位置以及裂紋運(yùn)動(dòng)方向在內(nèi)的信息，從而使可視化UCG 氣化爐內(nèi)的裂紋運(yùn)動(dòng)過(guò)程成為可能。圖9 展示了3 個(gè)實(shí)驗(yàn)的裂紋分布模型結(jié)果，其中裂紋被構(gòu)建為零維的圓盤，紫色圓盤代表拉伸型裂紋、藍(lán)色圓盤代表剪切型裂紋，剪切裂紋與拉伸裂紋占比區(qū)分不明顯的混合破壞類型由黃色圓盤表示，白色圓柱代表氣化通道，圓盤的大小及位置代表裂紋的相對(duì)能量與聲發(fā)射源位置。實(shí)驗(yàn)1(圖9(a))裂紋主要分布在氣化通道兩側(cè)，且氣化通道附近出現(xiàn)了數(shù)量較多的拉伸型裂紋，實(shí)驗(yàn)2(圖9(b))裂紋分布范圍較實(shí)驗(yàn)1 小，裂紋主要分布?xì)饣ǖ赖闹邢虏糠?，同時(shí)氣化通道附近也出現(xiàn)了較為集中的拉伸型裂紋。實(shí)驗(yàn)3(圖9(c))中裂紋分布范圍較實(shí)驗(yàn)1、2 更大，裂紋總體向著出氣孔延伸。圖9 也展示了裂紋分布方向，圖9 中的箭頭表示煤的分層平面方向，右側(cè)紅色線段表示裂紋與分層平面的夾角，煤層的分層平面為0°。在實(shí)驗(yàn)1、2 中裂紋與主要集中在-45°～45°且十分接近煤的分層平面方向。同樣地，在實(shí)驗(yàn)3 中，絕大多數(shù)裂紋也分布在-30°～30°，接近于煤層的分層平面方向。這些結(jié)果說(shuō)明在氣化過(guò)程中煤的裂紋的主要方向接近煤的分層平面方向，煤的分層平面方向會(huì)極大地影響裂紋的擴(kuò)展方向。

裂紋分布模型揭示了氣化過(guò)程中煤體發(fā)生破裂的裂紋類型。為評(píng)估氣化過(guò)程中煤的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，對(duì)3 個(gè)實(shí)驗(yàn)中不同氣化階段拉伸裂紋、剪切裂紋以及混合模式裂紋的數(shù)量以及每種裂紋的比例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖10 所示。實(shí)驗(yàn)2(圖10(b))同軸孔模型，剪切型在氣化初期以及氣化中期占比較高(37%/39%)，在氣化中期占比甚至超過(guò)了拉伸型裂紋(39% >33%)，但在氣化后期拉伸裂紋占比較高(48%)，成為主導(dǎo)煤體破壞的裂紋類型；實(shí)驗(yàn)1(圖10(a))在氣化初期以及氣化中期剪切類型裂紋占比始終低于拉伸型裂紋，未出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)2 中剪切裂紋的占比超過(guò)拉伸裂紋的現(xiàn)象，但剪切裂紋在氣化初期至氣化中期期間也出現(xiàn)了上升(32%～37%)，且氣化后期階段2 者中拉伸類型的裂紋都占據(jù)了主導(dǎo)地位。而對(duì)于實(shí)驗(yàn)3(圖10(c))V 形連接孔模型的氣化初期階段拉伸裂紋占比為56%，占比較高，而剪切裂紋占比僅為24%，占比較低，但隨著氣化的進(jìn)行剪切裂紋的占比逐漸升高，由前期的24%上升至中期的33%直至后期的35%，且2 種裂紋在總體裂紋的占比差距也在逐漸縮小。以上分析結(jié)果表明，雖然氣化過(guò)程中剪切裂紋的占比會(huì)逐漸升高，但總體而言拉伸破壞仍是主導(dǎo)著煤體破壞的主要破壞類型。

表4 研究了距氣化通道不同位置的煤體破裂情況。實(shí)驗(yàn)1、2 中距氣化通道100～200 mm 內(nèi)的裂紋數(shù)量較多，與圖7(a)、(b)中550～900 ℃一致，而實(shí)驗(yàn)3 距氣化通道正上方300～400 mm 區(qū)域裂紋數(shù)目最多，該區(qū)域范圍也基本接近圖7(c)中550～900 ℃區(qū)域范圍。3 個(gè)實(shí)驗(yàn)中裂紋數(shù)目較多的區(qū)域與氣化區(qū)三帶中還原區(qū)域(550～900 ℃)一致。這些結(jié)果意味著在煤炭地下氣化中還原區(qū)域的裂紋萌生與擴(kuò)展活動(dòng)較為活躍。

表4 各實(shí)驗(yàn)不同區(qū)域的裂紋數(shù)量Table 4 Crack distribution in different areas of each experiment

3 結(jié)論

(1)在UCG 過(guò)程中，溫度變化與聲發(fā)射事件強(qiáng)相關(guān)。當(dāng)氣化爐整體溫度在0～750 ℃內(nèi)增長(zhǎng)時(shí)，AE 事件與溫度呈正相關(guān)，當(dāng)整體溫度超過(guò)850 ℃，聲發(fā)射事件會(huì)出現(xiàn)明顯下降，這一方面可能是由于煤體的累計(jì)損傷程度較高，難以產(chǎn)生新的裂紋，另一方面可能是由于煤的熱解、煤的結(jié)構(gòu)軟化、熱破裂現(xiàn)象減弱。

(2)氣化過(guò)程中的聲發(fā)射源標(biāo)定結(jié)果直觀的反映了裂紋發(fā)育和擴(kuò)展。根據(jù)聲發(fā)射源的整體分布范圍可以較為準(zhǔn)確的估算氣化區(qū)的擴(kuò)展范圍，垂直同軸孔模型氣化區(qū)主要向氣化通道兩側(cè)擴(kuò)展，而V 形連接孔模型氣化區(qū)則沿著氣體流動(dòng)方向向出氣口擴(kuò)展。

(3)氣化劑的配比以及流量會(huì)影響氣化區(qū)的擴(kuò)展速度，較高的氧體積分?jǐn)?shù)以及流量會(huì)促進(jìn)氣化區(qū)的擴(kuò)展，但當(dāng)氣化爐內(nèi)整體溫度接近氧化區(qū)臨界溫度(900 ℃)時(shí)，提高氧體積分?jǐn)?shù)以及流量可能會(huì)使氣化通道富氧化，促使氣化通道壁面結(jié)焦，減弱對(duì)氣化區(qū)擴(kuò)展速度的提升效果。

(4)基于矩張量分析構(gòu)建的裂紋分布模型，可以幫助理解煤炭地下氣化過(guò)程中煤體破壞機(jī)制。矩張量分析結(jié)果表明：拉伸破壞是煤體破壞的主導(dǎo)機(jī)制。裂紋的萌生與擴(kuò)展活動(dòng)在還原區(qū)較為活躍；氣化過(guò)程中裂紋聚集方向接近煤層分層平面方向。