煤炭地下气化高温-地应力耦合环境岩层移动机理与控制

Underground coal gasification (UCG) is one of the important directions in China’s advanced energy technologies. China’s without-shaft underground coal gasification technology and combustion control technology have reached the international advanced level. However, with the promotion of industrialization, strata movement and control of the underground gasifier under coupling environment of high temperature and ground stress has become an essential bottleneck problem for theory and technologies. . By laboratory tests, similar material simulation at constant temperature and humidity, numerical modeling, field tests and theoretical analysis, this project first studies the changes of physical and mechanical properties of surrounding rocks under the coupling effect of underground high temperature and ground stress and studies the strata movement and deformation mechanism in combustion space Area (CSA) of UCG. On this basis, the deformation model of the cooperative roof-coal pillar-floor supported by coking coal pillars and surface subsidence calculation model have been established. The geometrical parameters design method for gasifier and separate pillars of “strip-facet” without shaft gasification technology has been proposed. In addition, the surface subsidence prediction methods of underground coal gasification have also been put forward. They can provide scientific and technological basis for UCG production system design and mining design under buildings and structures. The project is of great scientific significance and practical value to establish UCG strata control theory and promote UCG industrialization and scale development.

煤炭地下气化产业化是我国先进能源技术领域的重要方向之一，我国无井式煤炭地下气化工艺与燃烧控制技术已经达到了国际先进水平。但随着产业化推广，地下气化炉高温-地应力耦合作用下岩层移动与控制成为了迫切需要解决的理论与技术瓶颈问题。. 本项目拟采用实验室测试、恒温恒湿相似材料模拟、数值模拟、现场试验和理论分析等手段，从研究高温-地应力耦合环境气化炉围岩物理力学性质变异入手，研究揭示地下气化炉围岩移动与变形机理，建立燃空区焦化煤柱支撑的顶板-煤柱-底板协同变形模型和地表沉陷计算模型；提出无井式“条采-面采”工艺带状地下气化炉、隔离煤柱几何参数设计方法和地下气化引起的地面沉陷预测方法；为无井式带状煤炭地下气化生产系统设计和建（构）筑物下气化采煤设计提供科学与技术依据。本项目对于建立煤炭地下气化岩层控制理论和促进煤炭地下气化产业化、规模化发展具有重要的科学意义和实用价值。

针对煤炭地下气化产业化推广所面临迫切需要解决的岩层控制理论与技术瓶颈，采用实验、模拟、监测和理论分析等手段，从研究高温环境围岩物理力学性质变异入手，研究揭示地下气化炉围岩及燃空区隔离煤柱移动变形机理和协同变形模型；提出了无井式“条采-面采”工艺带状地下气化炉、隔离煤柱几何参数设计方法和地下气化引起的地表沉陷预测方法，为无井式带状煤炭地下气化生产系统设计和建（构）筑物下气化采煤设计提供科学与技术依据。. （1）研究掌握了无井式煤炭地下气化燃空区围岩温度场分布规律，分析了顶底板等不同岩性及煤柱的物理力学性质受不同温度影响的变化规律，进而揭示了煤炭地下气化燃空区围岩高温效应。. （2）研发了面向岩层移动数值模拟动态岩体力学参数选取方法和面向岩层移动物理模拟的相似材料强度时变调控方法，形成了煤炭地下气化数值模型和相似材料模型构建方法，解决了高温-地应力耦合作用下岩层移动数值模拟和物理模拟技术难题。. （3）明确了高温-地应力耦合作用下燃空区覆岩和地表移动特征以及煤种对燃空区几何特征及其围岩移动与变形规律的影响，构建了煤炭地下气化岩层移动理论模型，揭示了高温-地应力耦合作用下煤炭地下气化地表移动与变形机理。. （4）揭示了煤炭地下气化“双曲线”型焦化隔离煤柱的承载机理和变形特征，建立了气化炉两侧“双曲线”型隔离煤柱稳定性评价模型和设计方法，为地下气化炉和隔离煤柱宽度设计提供了科学依据。. （5）建立了基于连续-随机介质理论和“真实采厚”的煤炭地下气化地表沉陷预测模型，给出了相应的参数选取方法，形成了具有实用性的煤炭地下气化地表沉陷预测方法。预计在兼顾地下气化炉稳定安全生产和地表沉陷控制双重目标下，可将目前地下气化试验约30%左右的资源采出率提高到60%以上，为显著提高煤炭地下气化经济效益提供了技术保证。. 本项目对于建立煤炭地下气化岩层移动与控制理论和促进煤炭地下气化产业化、规模化发展具有重要的科学意义和实用价值。