采矿08-4班毕业设计06082795专题

1、科研创新题目：煤炭地下气化开采技术基础研究姓名： 吴福清学号： 06082795 班级： 采矿工程 2008-4 班二 一 二 年 六 月第1页煤炭地下气化开采技术基础研究摘要：本文主要论述了一些煤炭地下气化技术进行过程中的一些问题，主要包括开采中的顶板岩层移动特征、半焦孔隙结构的变化规律、覆岩应力场相关问题， 进行了一些简单的模型建立和分析，提供了一些工程实例。关键词：地下气化；岩层移动特征；半焦孔隙结构；覆岩应力场1 绪论1.1 问题的提出与研究意义 煤炭地下气化(UCG)是一种集建井、采煤、气化 3 大工艺为一体煤炭开采方式，其原理是将位于地下的煤炭进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化

2、学作用而产生可燃气体，满足民用、发电或化工需求。自 20 世纪 30 年代以来，美国、德国、前苏联等主要产煤国均大力投入这一领域的技术研究，储备了一些关键性技术。其中，前苏联是世界上唯一成功的将煤炭地下气化技术工业化应用的国家，120 世纪 60 年代末，共建设了 27 座气化站。随着石油天然气等优质替代能源的发现和使用，前苏联煤炭地下气化技术的研究与应用已基本停顿。“三次石油”爆发以后，煤炭地下气化技术成为应对石油的储备技术。美国政府资助的“控制后退气点法”及“急倾斜煤层法”已取得了丰富的经验，美国能源部宣称，一旦再发生能源，美国将广泛使用该技术生产中热值煤气。近几年，澳大利亚、南非、美国、

3、下气化技术的研究。、等国纷纷重新启动了煤炭地煤炭地下气化技术对于发挥我国煤炭资源优势、减少能源需求等具有重大的探索意义。 事故、多元化保障我国能源消费结构以煤为主，煤炭占我国化石能源资源总量的 90以上， 20l0 年，我国煤炭消费超过 31.4 亿吨。探索高效、安全、清洁的煤炭开采利用意义重大。首先，煤炭地下气化技术可以有效地开发利用老矿井遗弃的煤炭资源、井工开采难度较大的深部煤层或者经济性和安全性较差的低品位煤层。据统计， 我国拥有褐煤资源约3700L 吨；已探明埋藏深度在l000 米以下的煤炭资源约29万亿吨；2020 年，将有 500 多处“报废”矿井，粗略预测遗弃资源量在 500 亿

4、吨以上；其次，该技术实现了地下无人生产，避免了瓦斯、火灾、粉尘、水灾、顶板等矿井事故和人身伤亡；第三，该技术只提取煤种的含能组分，而将灰渣等固体废弃物留在地下，减少了因井工开采和露天开采造成对地表生态环境和大气污染；第四，地下气化煤气不仅可作为燃气直接民用和发电，而且还可为化工产品提供原料，以多元化的煤基产品补充能源供应形式。此外，测控工艺设备研发和产业化发展对于深海资源勘探等领域都有良好的拉动作用。目前我国已建成具有世界先进水平的煤炭地下气化综合模型试验台和测控系统，并开展了相关的理论研究和模型试验研究，获取了褐煤、烟煤及无烟煤地下气化工艺参数。自 1984 以来，我国先后在江苏徐州、河北唐

5、山、山东新汶、第2页山西阳泉等矿区进行了有井式煤炭地下气化现场试验和生产，完成了不同煤种、不同煤层厚度(18 m 一 6 m)、不同煤层倾角(1 5。一 7 5。)、不同埋藏深度 (100-450 m)的现场试验。形成了具有我国自主知识产权的有井式“长通道、大断面、两阶段”煤炭地下气化新工艺，经科研查新，该工艺构思新颖，属国内首创。此外， 我国科研单位和企业还联合完成了无井式煤炭地下气化制备空气煤气工业性试验，该技术达到了国际领先水平。煤炭地下气化是一门融多学科为一体的综合性能原生产新技术，属第二代采煤方法。其任务是将煤炭资源原地转化为可燃气体。其基本过程为：从地面或井下施工，将地下煤层构筑成

6、一个封闭的气化炉。煤炭点燃后，经一系列化学反应， 生产出以 H2，CO2，CH4 为主要可燃组分的煤气，输往地面后供人们使用。实现了建井、采煤、气化三大工艺合而一。主要优点是抛弃了常规采煤方法中的庞大而笨重的采煤设备与地面气化设备，具有建井规模大为减小、安全性好、资源利用程度高、投资少、效率高、成本低、见效快、污染相对较少等优点。引起了包括我国在内的世界主要采煤国家的关注。世界上探明可采石油储量预计只可开采到 2050 年；探明可采天然气储量也将在 60 年左右枯竭；而煤炭储量则比较丰富，未来世界的能源结构将可能再一次以煤炭为主。然而，煤炭开采与利用过程中，会排放出大量有害气体和导致温室效应的

7、 CO2，对环境造成重大影响，不得不迫使各国重新审视煤炭的开采与利用。煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，简称 UCG)技术，从根本上改变了煤炭的开采与利用方式，重新定义了“清洁煤”的概念，既提高了煤的开采与利用效率，又克服了煤炭在开采与应用中给环境带来的影响。利用这一技术可以保障在对环境不造成较大影响的前提下，将煤炭作为能源主题，满足社会长期的能源需求，引起了全世界的高度关注。在新的时代背景下，煤炭地下气化技术有着更广泛的需求，因此研究煤炭地下气化技术的相关问题也是很有意义的。1.2 主要研究内容及研究方法1.2.1 研究内容1） 煤炭地下气化过程中顶板

8、岩层移动特征的研究;2） 煤炭地下气化过程中半焦孔隙结构的变化规律；3） 煤炭地下气化过程中覆岩应力场的数值研究；1.2.2 研究方法1） 理论分析理以及副巷受采动影响变形规律等进行研究。2） 数值模拟试验运用数值模拟软件和模型研究，覆岩应力场的数值研究。第3页2 理论分析 2.1 气化采煤原理气化采煤也就是煤炭地下气化技术。煤炭地下气化是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体，集建井、采煤、气化工艺为一体的多学科开发洁净能源与化工原料的新技术，其实质是只提取煤中含能组分，变物理采煤为化学采煤。煤炭地下气化的原理（如图 2-1）。首先从地表沿煤层开掘两条倾斜的

9、巷道 1和 2，然后在煤层中靠下部用一条水平巷道将两条倾斜巷道连接起来，被巷道所包围的整个煤体，就是将要气化的区域，称之为气化盘区，或称地下发生炉。最初，在水平巷道中用可燃物质将煤引燃，并在该巷形成燃煤工作面。这时从鼓风巷道 1 吹入空气，在燃烧工作面与煤产生一系列的化学反应后，生成的煤气从另一条倾斜的巷道即排气巷道 2 排出地面。随着煤层的燃烧，燃烧工作面逐渐向上移动，而工作面下方的采空区被烧剩的煤灰和顶板垮落的岩石所充填，但塌落的顶板岩石通常不会完全堵死通道而仍会保留一个不大的空间供气流通过，只需利用鼓风机的风压就可使气流顺利通过通道。图 2-1 煤炭地下气化原理1 鼓风巷道；2排气巷道；

10、3灰渣；4燃烧工作面；I氧化带；II还原带；III，IV干馏-干燥带地下气化的基本特征：煤层不发生移动，但气化过程中各气化反应区的位置和燃空区状态时刻都在变化；地下气化进行到一定程度后，对于较薄煤层， 气化剂只能在与煤壁接触的单一表面上反应，另外三个表面为顶板，底板及反应完的灰渣和顶板塌陷物，因此没有地面气化炉金属外壳似的密闭层，气体会在空间中扩散；由于气化反应过程和加热过程的不均匀性及加热过程范围扩大，反应过程产生的热量不仅随气流带向出口方向，同时也通过热辐射、对流、传导等过程将热量传至煤层纵向的深部，并沿煤层深度形成温度梯度，煤层温度不同，第4页其所发生的反应也不同。因此在煤层纵深方向上可

11、分为：燃控带，焦化带，干流带，干燥带，煤层自燃带。这种有气流通过的气化工作面被称为气化通道，整个气化通道因反应温度不同，一般分为气化带、还原带和干馏-干燥带三个带。2.1.1 气化带在气化通道的起始段长度内，煤中的碳和氢与空气中的氧化合燃烧，生成二氧化碳和水蒸气：C+O2CO2；2H2+O22H2O。在化学反应过程中同时产生大量热能，温度达 1200到 l 400，致使附近煤层炽热。2.1.2 还原带气流沿气化通道继续向前流动，当气流中的氧已基本耗尽而温度仍在 800 l 000以上时，二氧化碳与赤热的煤相遇，吸热并还原为一氧化碳 CO2+C2CO。同时空气中的水蒸气与煤里的碳起反应，生成一氧

12、化碳和氢气以及少量的烷族气体：4C+3H2OCH4+3CO+ H2，这就是还原区。2.1.3 干馏-干燥带在还原反应过程中，要吸收一部分热量，因此气流的温度就要逐渐降低到700400，以致还原作用停止。此时燃烧中的碳就不再进行氧化，而只进行干馏，放出许多挥发性的混合气体，有氢气、瓦斯和其他碳氢化合物。这段称为干燥带的干馏部分。在干馏之后是脱水干燥。混合气体此时仍有很高的温度可气化其中的水分， 混合气体干燥后，最后可得到：CO2，CO，O2，H2，CH4，H2S和N2的混合气体， 其中CO，H2，CH4等是可燃气体，它们的混合物就是煤气。2.2 气化采煤相关问题2.2.1 顶板岩层移动特征煤炭地

13、下气化过程中，围岩要经受高温作用，如氧化区温度约为 2000 ， 还原区温度约为 l 200，干馏区温度约 8001。煤炭地下气化与煤炭传统开采一样，在煤炭转变为气体的过程中，破坏了原有的应力平衡，引起气化炉围岩的应力重新分布。在岩层自重应力场和温度场的共同作用下，随着燃烧空间的形成， 燃空区上方的岩体会产生弯曲变形，当燃空面积大到一定程度时，顶板可能发生冒落，如果冒落严重，将影响煤炭地下气化的顺利进行。国内外对煤炭开采过程中，顶板岩层移动特征进行了大量的研究2-4，但是未对煤炭地下气化过程中顶板岩层的移动特征进行研究。2.2.2 煤炭地下气化过程中半焦孔隙结构的变化规律煤炭气化过程中，煤的转

14、化要经过干燥、热解以及半焦气化三个阶段，其中热解过程尤为重要，它关系到产品煤气的组成和质量，同时，热解形成半焦孔隙结构等特性也直接影响后续的气化过程。半焦的孔结构反映了半焦一个重要的物第5页理特性，包括一定孔结构下的孔隙率以及多孔介质独特的比表面积，孔隙率和比表面积有一定的联系。本文主要是对选取的三个不同煤化程度的煤样及典型条件下热解半焦样品的比表面积、孔容积及孔径分布进行测试，研究它们的变化规律， 对深入了解煤炭地下气化中的热解过程有重要的意义。2.2.3 煤炭地下气化过程中覆岩应力场的数值研究现场试验表明，煤炭地下气化存在一些问题：如果气化过程中炉内冒顶严重将导致供风系统中断；随着气化进行

15、炉内顶板悬顶过大，不能保证气化剂与煤体接触而产生气化反应，且生成的煤气可能在炉内二次燃烧等，这些都与煤炭地下气化过程中，煤层覆岩的应力场分布有关。所以，煤炭地下气化过程中，煤层覆岩的应力场分布规律成为研究的核心问题，对煤炭地下气化技术的推广与应用具有十分重要的作用。这些问题对于煤炭地下气化实际利用过程中有很大的影响作用，为此本文在这里进行研究，论述相关研究成果。第6页3.模型建立与分析3.1 顶板岩层移动特征3.1.1热传导方程在直角坐标系下，二维热传导的微分方程5为：式中：T 为温度；Q 为单位体积的热生成率； D 为密度；f 为比热；t 为时间。3.1.2 煤炭地下气化模型的建立3.1.2

16、.1 假定条件为简化计算，假定如下：岩体和煤层为均质各项同性；热源(燃烧的煤层)为恒温；岩体和煤层的质量密度、泊松比、粘聚力等不随温度而变化。3.1.2.2 几何尺寸的确定和网格的划分计算模型选用弹塑性平面应变模型，计算平面沿煤层燃烧(开挖)方向布置， 煤层呈水平状态，煤层气化长度(开挖)为200 m，煤层厚度为6 m，煤层顶板上方取100 m，底板下方取60 m。在煤层燃烧(开挖)方向上，在煤层燃烧(开采)区左右两边各取300 m，加上燃烧(开采)区共800 m，其中燃烧(开挖)区范围为x=300500 m，见图3-1。图3-1力边界条件和物理模型模型总体上分六层：煤层、顶板1、顶板2、顶板

17、3和底板1、底板2，厚度和岩性见表3-1。为了更精确地分析煤层顶、底板的变形规律，将煤层顶板1、顶板2、底板1 网格划分的比较细，而顶板3，底板2的网格划分的比较稀疏。3.1.2.3 边界条件模型底部取为固定端；模型左右两侧节点的Z方向位移为零，允许有Y方向第7页的位移；由于模型尺寸的限制，不能模拟到地表，所以模型以上的岩层重力以外载荷代替(均布载荷，大小为54 MPa)；模型内的各单元均考虑了其自重的作用， 即在Y的负方向加上重力加速度98 ms ，见图3-l。在本模型中，采用第一类热边界条件，将燃烧的煤层设置为恒定温度l200，初始温度取为25。3.1.2.4 施工步骤根据文献6，取煤炭地

18、下气化火焰移动速度为05 mc。工作面自点火眼(开切眼)沿z方向推进，见图l，每个施工步为4m，即8天，共50个施工步，燃烧后的煤层运用死单元。1.2.5 模型各岩层计算参数模型各岩层热学参数见表3-1，力学参数见表3-2，顶板l和底板1的弹性模量和热膨胀系数与温度的关系见表3-3。表3-1模型各岩层热学参数表3-2模型各岩层力学参数注：表1、表2中顶板1和底板1的热传导率、比热、弹性模量和热膨胀系数为常温下的数值， 顶板l和底板1的热传导率和比热数值大小和发展趋势参考文献7，煤的热传导率和比热参考文献8表3-1 顶板l和底板1的弹性模量和热膨胀系数与温度的关系3.1.3 煤炭开采模型的建立为

19、了比较煤炭地下气化和煤炭开采过程中，两者顶板岩层的移动特征的不同， 在建立煤炭开采模型时，将其几何尺寸、网格化分、力学边界条件和煤炭地下气第8页化一样，力学参数见表3-2，工作面推进的速度同煤炭地下气化，即一个施工步开采l，共50个施步。 图3-2 上覆岩层垂直位移曲线对比图3.1.4 煤炭地下气化和传统煤炭开采结果分析与对比3.1.4.1 顶板上覆岩体移动特征的数值模拟分析在煤炭地下气化和传统煤炭开采中，上覆岩体离煤层顶板不同距离h处将不同程度地发生移动10，见图3-3。图中工作面位置为煤炭气化200I13时的位置， 负号表示在燃空(采空)区。由图3-3可知，煤炭地下气化和煤炭工作面开采后，

20、上覆岩体移动曲线符合负指数函数关系l9 ；存在A、B、C区域，在A区域岩层越向上位度越小，在B区域位移速度越向上越大；煤炭气化上覆岩层位移速度相对煤炭开采位移速度较大，位移值也较大。由上面的分析可知，最大位移值基本在燃空(采空)区中轴线上，气化和开采完毕后，燃空(采空)区中轴线上距煤层顶板不同高度的垂直位移图见图3-3。由此可知，离煤层顶板越近，垂直位移越来越大，特别是直接顶位移急剧增大，说明第9页此时，直接顶已冒落。 图3-3 燃空区中轴线上垂直位移对比图 3.1.4.2 顶板上覆岩层随工作面推进距离移动特征的模拟分析煤炭地下气化和煤炭开采是一个动态的过程11，随着工作面推进，上覆岩层 发生

21、了下沉，见图3-4。由图3-4可知：1) 在煤炭气化和煤炭开采过程中，随着工作面的推进，上覆岩层移动规律基本相同；第10页 图3-4 工作面推进不同距离顶板(h=57 m)岩层垂直位移曲线对比图 2) 随着工作面的推进，最大垂直位移从工作面长度的中心，逐渐向工作面方向前移，且煤炭开采更为突出，主要是受点火空间的影响12。如工作面推进160m 时，两者最大位移在90m处，偏中心点10m；工作面推进200m时，前者最大位移在120m处，偏中心点20m，后者最大位移在140 m处，偏中心点40 m。 3) 随着工作面的推进，工作面燃空区(采空区)节点的最大下沉量呈正指数的变化规律13，拟和公式分别为

22、y = 0.0596e0.0169x和y = 0.05e0.0168x，可见前者的增长指数大于后者的增长指数，随着工作面的推进，两者的位移差值会更大(见图3-5)，这主要是由于随着工作面推进长度的增大，上覆岩层悬空长度增大，而在煤炭气化过程中，上覆岩层在温度的作用下，迅速向下膨胀。 第11页图3-5 顶板垂直位移峰值-工作面推进距离关系曲线3.2. 煤炭地下气化过程中半焦孔隙结构的变化规律3.2.1 煤化程度对半焦孔隙结构的影响煤样的煤化程度不同，煤样的比表面积、孔容积和孔径分布等孔隙结构特征也不同14。一般随煤变质程度的加深，煤的比表面积变化成“凹”型，即两头 (褐煤和无烟煤)大，中间(中等

23、变质程度的烟煤)小，这反映了煤化过程中煤分子空间结构的变化煤化程度低的煤，在煤分子结构层面的边缘连接着各种官能团，并有不同的官能团形成交联结构15，因此空间结构显得疏松，有比较大的内表面积；随着煤化程度加深，官能团减少，煤的结构逐渐趋向紧密，在碳含量约82 附近比表面积出现最低值；煤变质程度继续加深，结构单元芳香性增加，分子排列趋向规则化，由于定向结构的形成，比表面积出现增大的趋势16。就煤的总孔容积而言，主要由煤的孔径分布特征决定17，而孔径分布与煤变 质程度关系极大。碳含量小于75 的煤，其粗孔(直径20 nm)占优势；碳含量在75 85 的煤，其微孔(直径2 nm)和过渡孔(直径2 nm

24、20 nm)占优势；而碳含量在85 以上的煤，其孔主要由微孔构成。三个煤样原煤比表面积和孔容积测定结果的对比见表1由表1可以看到，在用ZXF一06型氮气吸咐仪测定协庄原煤时，比表面积出现了负值，这是因为该样品不属于多微孑L物质范围，不适合采用低温物理吸附容量法测定，即不能采用吸附仪测定，而应适用测量大孔径的压 仪测定，一般压 法测定孔径范围为10nm以上的孔第12页表3-4 煤样比表面及孔容积的测定结果Specific surface area and pore volume of coal因而测定结果之间的可比性较差18但可以定性地说，昔阳煤样的比表面积和孔容积要比大雁煤样和协庄煤样的都小，

25、大雁煤样和协庄煤样之间还有待进一步的比较三个煤样的孔径分布见表3-5表3-5 煤样的孔径分布Bore diameter distribution of coal由表3-5可知，三个煤样的孔径分布特征相差较大昔阳煤样过渡孔比例占大部分，协庄煤样的孔隙主要是大孔，大雁煤样则小孔多一些3.2.2 热解温度对半焦孔隙结构的影响在气化过程中，一般参与气化反应的固相是半焦而非原煤19，故研究半焦的孔隙结构特征具有更直接的理论意义影响半焦孔隙结构特征的因素很多，如煤变质程度、煤岩组成、煤中矿物质种类与含量和煤的热处理条件等20。大雁褐煤在N 气氛下，不同热解终温半焦比表面积和孔容积曲线见图3-6，昔阳无烟煤

26、在H2O(g)气氛下，不同热解终温半焦比表面积和孔容积曲线见图3-7由图1可以看出，在惰性气氛中，大雁半焦的比表面积和孔容积随热解温度的升高是先增后降， 转折点出现在700；而在活性气氛H2O(g)条件下，昔阳半焦的比表面积和孔容积随热解温度的升高是持续增加，并且增加幅度随温度升高而加大21第13页图3-6 不同热解终温大雁半焦比表面积和孔容积Specific surface area and pore volume of DY semicoke at different temperature图3-7 不同热解终温昔阳半焦比表面积和孔容积Specific surface area and p

27、ore volume of XY semicoke at different temperature煤在惰性气氛中热解成焦时，挥发分逸出对煤产生两种作用22：一方面使原 有的孔道增大或产生新的孔隙使孔隙结构更丰富；另一方面又由于热收缩造成微孔闭塞，或由于交联键的破坏和晶体的有序化而使部分孔隙结构损失对大雁半焦，700前主要是第一方面的作用导致比表面积和孔容积增大， 700后主要发生半焦的缩聚反应，即热缩聚作用使微孑L闭塞，半焦的比表面积和孔容积减小23。煤在活性气氛(CO2或H20(g)中“热解”(气化)成焦时，气一固两相反应随热解温度升高逐渐显著，相应的半焦孔隙结构也随碳转化率的增加而变得发

28、达，即比表面积和孔容积迅速增加煤在活性气氛(CO2或H20(g)中“热解”(气化)成焦时24，气一固两相反应随热解温度升高逐渐显著，相应的半焦孔隙结构也随碳转化率的增加而变得发达， 即比表面积和孔容积迅速增加大雁褐煤在N2气氛下，不同热解终温半焦孔径分布曲线见图3-8由图3-8可以看出，随热解温度的变化，不同孔径的孔占总孔容体积的比例关系变化不大对大雁半焦，小于20 nm以下的孔占绝大比例3.2.3 热解气氛对半焦孔隙结构的影响第14页热解终温为900。C时，昔阳无烟煤在不同热解气氛下半焦比表面积和孔容积曲线见图3-9由图3-9可以明显看出，在N2，CO2和H2 O(g)三种热解气氛条件下，半

29、焦的比表面积和孔容积是依次增大的，尤其是比表面积，在H2O(g)气氛条件下相对N2。气氛下增加了近500倍热解终温为900。C，昔阳无烟煤在不同热解气氛下半焦孔径分布曲线见图3-10由图3-10可以看到，对热解终温为900的昔阳半焦，三个气氛条件下的半焦孔隙均是直径在2 nm20 nm的过渡孔占绝对比例。同时，随热解在N2，CO2和H2 0(g)三种气氛条件下变化时，孔径分布特征变化幅度不大。和惰性气氛条件相比，在活性气氛下“热解”，半焦的孔径变化更加复杂24， 除发生半焦本身的热解反应外，还有复杂的气化反应孔隙结构变化，如孔径分布、孔容积、比表面积以及半焦的基碳转化率和反应速率之间均有一定的

30、相关性， 这些指标在达到某个基碳转化率时，会出现最高值，然后随基碳的进一步消耗而下降。图3-8 不同热解终温大雁半焦孔径分布Distribution ofbore diameter of DY semicoke at different temperature第15页图3-9 不同热解终温昔阳半焦孔径分布Distribution ofbore diameter of XY Semi-coke at different temperature煤炭地下气化过程中覆岩应力场的数值研究图3-10 不同热解气氛昔阳比表面积和孔容积Specific surface area and pore volume

31、 of XY semi-coke at different reaction gas3.3 煤炭地下气化过程中覆岩应力场的数值研究数值模型的建立：3.3.1 假定条件为简化计算，假定：岩体和煤层为均质各项同性；热源(燃烧的煤层)为恒温；岩体和煤层的质量密度、泊松比、黏聚力等不随温度而变化。3.3.2 模型尺寸及参数选取本文选用弹塑性平面应变模型25，计算平面沿煤层燃烧方向布置，长为800m， 高为166m，煤层厚度为6m。将计算模型范围内岩层分为6层，数值模型选取的各 岩层材料按照由上向下的顺序，其力学、热学参数如表3-6所示，细砂层和粉砂层的弹性模量和热膨胀系数与温度的关系，如表3-7所示。

32、第16页表3-6 模型各岩层热学和力学参数注：表中粉砂岩和细砂岩的热传导率、比热、弹性模量和热膨胀系数为常温下的数值，粉砂岩和细砂岩的热传导率和比热数值大小和发展趋势参考文献26，煤的传导率和比热参考文献27。 表3-7 弹性模量（E）和膨胀系数（）与温度的关系 3.3.3 边界条件模型底部取为固定端；模型左右两侧节点的方向位移为零，允许有Y方向的位移；由于模型尺寸的限制，不能模拟到地表，所以模型以上的岩层重量以外载荷代替(大小为54MPa)28；模型内的各单元均考虑了其自重的作用，即在Y的负方向加上重力加速度98ms 。如图3-11所示。在本模型中，采用第一类热边界条件，将燃烧的煤层设置为恒

33、定温度1200，初始温度取为25。 图3-11 力边界条件和物理模型第17页3.3.4 施工步骤根据根据参考文献29，取煤炭地下气化火焰移动速度为0.5md。工作面自点火眼沿方向推进，见图3-11，每个施工步为4m，即8d，共50步，累计气化长度为200m，燃烧后的煤层设置为死单元，赋予空气的热学参数，如表1所示。或近等于零的次一级“拱形”地带与冒落带的分布范围相对应。图3-12为工作面推进不同距离时垂直应力分布图。第18页图3-12 工作面推进不同距离时垂直应力场第19页4.结论4.1 顶板岩层移动规律1) 煤炭气化和煤炭开采后，顶板岩层的位移符合负指数函数变化规律。2) 煤炭气化过程中，顶

34、板岩层下沉速度比煤炭开采过程中下沉速度快，且位移值也较大。3) 随着工作面的推进，工作面燃空区和采空区节点的下沉量呈现出指数增长的变化规律，且前者的增长指数大于后者的增长指数，主要是温度的影响。4.2 半焦孔隙结构的变化规律1) 从煤种角度看，昔阳无烟煤的比表面积和孔容积较大雁褐煤和协庄烟煤都要小；三个煤样孔径分布特征差别明显，昔阳无烟煤过渡孔比例占大部分，协庄烟煤的孔隙主要是大孔，大雁褐煤则小孔多一些2) 半焦的表面结构特性受热解温度和热解气氛双方面的影响在惰性气氛下， 半焦的比表面积和孔容积随热解温度的升高是先增后降，而在活性热解气氛条件 下，半焦的比表面积和孔容积随热解温度的升高是持续增

35、加，并且增加幅度随温 度升高加大同一热解终温条件下，和惰性气氛下相比，活性气氛下“热解”半 焦的表面结构变化更加复杂，比表面积和孔容积呈增大趋势3) 改变热解终温或气氛，孔径分布特征变化幅度不大，微孔、过渡孔和大孔占总孔的比例没有发生根本性变化4.3 覆岩应力场由工作面推进距离不同时可以得出以下结论：(1) 当煤层燃烧后，在工作面燃空区上方存在有拱式结构，该区域内垂直应力较小，已接近为零或为拉应力，表明顶板岩层已经冒落，不再承载拱外上覆岩层的载荷。(2) 随着工作面推进，拱式结构的高度不断增大，当工作面推进40m 时，拱顶高度为20m，是煤层厚度的33倍；推进120m时，拱高为50m，是煤层厚

36、度的83倍；推进200m时，拱高为70m，是煤层厚度的116倍；与传统煤炭开采的“两带”高度(一般为采高的912倍 )相符合。(3) 随着工作面推进，在工作面煤壁前后方出现了应力集中，且应力集中范围随着工作面推进不断扩大，当工作面推进120m左右，达到稳定，应力集中区为工作面前方12m左右。(4) 随着工作面推进，应力峰值不断增大，工作面推进120m前，峰值位置位 于工作面前方顶板lOre内，当工作面继续推进时，峰值位于工作面上方粉砂层和细砂层的分界处，其主要原因是由于粉砂层上边界受热的作用向上方膨胀，而细第20页砂层在上覆岩体自重作用下下沉，且两者的热膨胀系数不同，所以就产生了很大的热膨胀力。由塑性区分析(1) 随着工作面推进，煤层顶板岩体中塑性区范围不断扩大，当塑性区贯通时，上覆岩体将发生整体坍塌，有可能波及到地表而引起地表沉陷。(2) 随着工作面推进，底板岩层出现了塑性区，但是其影响范围较小，主要出现在燃空区下方和煤壁前下方，在此区域内岩层可能受拉而破坏。综上,(1) 在煤层燃空区上方存在拱式结构，拱内为冒落裂缝带，约为燃烧煤层厚度的912倍。(2) 随着工作面推进，在煤壁前后方出现了应力集中，且应力集中范围不断扩大，当工作面推进120m左右，达到稳定；应力峰值也不断增大，当工作面推进120m