钻井式煤炭地下气化技术的发展及关键力学问题

煤炭地下气化技术是有希望解决我国能源危机的重要手段之一,是煤炭资源高效清洁利用的有效手段之一,是拓展天然气资源实现战略资源接替的有效方法之一。本文通过调研国内外煤炭地下气化技术,将煤炭地下气化技术分为两类,即钻井式技术和巷道式技术,并重点叙述了钻井式煤炭地下气化技术开发模式。钻井式煤炭地下气化技术的发展可分为4个阶段:(1)基础理论研究阶段;(2)钻孔式技术开发模式阶段;(3)不同贯通方法直井钻井开发模式阶段;(4)水平井钻井开发模式阶段。本文分别对钻孔式、直井钻井式以及水平井钻井式等3种煤炭地下气化技术开发模式的技术核心进行了论述。通过对比不同技术开发模式的使用状况,对其优劣进行了评价。在总结煤炭地下气化技术开发模式发展历程的基础上,指出了地下煤气化技术的发展趋势,对我国将要到来的煤炭地下气化商业化开发局面有积极的指导意义。     

煤炭地下气化关键力学问题的数值研究进展

煤炭资源的清洁高效利用已成为“双碳”背景下科学研究的重要方向和新课题.在众多相关技术中,煤炭地下气化技术近年来得到快速发展并展现出巨大潜力.然而,由于室内实验和现场试验的实施成本非常高,气化机理认识和控制运行工艺优化方面的研究均受到很大限制.近年来,运行成本低、操作简单、实施周期短的数值模拟方法成为重要的研究工具,得到越来越多的关注.由于煤炭地下气化过程极其复杂,数值模拟方法在数学建模和数值求解方面均面临巨大挑战.对此,本文开展了以下工作:对煤炭地下气化过程进行了详细分析,阐明各个运行空间的物质和关键问题,厘清煤炭地下气化的本质;归纳出流体动力学问题、热力学问题、材料应力问题以及化学反应动力学问题等4类关键力学问题;详细介绍每个关键力学问题数值研究的最新成果和发展历程;介绍煤炭地下气化数值研究的工程应用,并指出其发展趋势.本文工作对推动煤炭地下气化数值方法的发展以及指导我国煤炭地下气化先导试验设计和现场实施有积极的理论意义.     

工程施工路径相关性的数值仿真

本文将损伤理论与时变力学耦联,形成用于模似施工的损伤时变力学方法,文中推导了基本方程和数值化算式。利用时变分析法对某地下煤层开采过程进行计算机仿真分析,给出了三种不同路径下开采引起地表沉陷的时空演化图,并进行对比分析。对体现出的位移、损伤与施工路径相关现象进行了探讨,并定量给出损伤时变分析下不同开采路径造成的最终力学状态的差别。本文中损伤时变力学方法为施工过程分析提供了一种新方法与手段。     

深部煤岩体保护层开采上覆岩层应力释放与转移特征的实验研究

煤层群保护层合理开采及了解其上覆岩层应力释放和转移特征是考察保护层开采效果的重要途径。对煤层群保护层开采卸压机制进行了分析,得出间隔保护层开采卸压方式可使上、下被保护层双向卸压重叠(即保护层开采上、下双向应力释放,开采影响范围相互叠加),煤层卸压效果较好。采用相似材料模拟和数值计算相结合的研究方法,对煤层群保护层开采卸压过程进行研究,分析保护层开采上覆岩层及被保护层应力释放与转移特征。研究结果表明,应力的积聚、释放和转移过程也伴随着岩层的变形,应力呈现出"增加-减小-再增大-再降低-平稳"过程,其变形呈现出"增加-急剧减小-再增加-平稳"的过程;相似模拟实验结果与数值计算结果具有较好的一致性,说明间隔保护层开采卸压方式可使上、下被保护层双向卸压重叠,是煤层群开采中较合理的卸压方式。     

多煤层开采覆岩破断过程的模型试验与数值模拟

首先分析了研究区煤矿山西组煤层剖面和水文地质特征,针对多煤层联合开采的特点和覆岩的工程地质特征,采用工程地质力学模型实验、数值模拟计算相结合的综合研究方法,分析了多煤层开采的采动影响及岩层动态断裂机理,得出了有关岩层移动参数和多层煤同采时应力分布状态,计算得到了多煤层开采垮落带与导水裂隙带的发育高度分别为32m和81.5m,导水裂隙带高度影响范围已经达到风化带,未形成切冒,局部穿透粘土层。     

深部煤层采煤机关键部件磨损故障监测诊断的难点问题

正煤炭是我国的主体能源,煤炭产业是支撑国家经济发展的支柱之一.随着浅层煤矿接近枯竭,深部煤矿(500~1 000 m)开采已成必然.2013年我国煤炭产量达37亿吨,其中开采深度大于500 m的矿井超过40%,主体开采深度已达800 m以下,已有40多个矿井的开采深度超过千米.深部煤层的瓦斯爆炸及岩层垮塌、突水等地质灾害发生率高、偶然性强,严重威胁采掘矿工生命安全.国家安全监管局统计结果表     

煤炭地下气化腔CO2埋存的研究进展及发展趋势

CO₂捕集与埋存(CCS)可助力碳达峰、碳中和战略目标实现,是解决温室效应的重要手段.在众多地质埋存空间中,煤炭地下气化(UCG)后的气化腔近年来成为埋存研究的热点,但与传统埋存方式相比,相关工作仍处于理论探索阶段,缺乏现场实施案例.为推动该埋存方式的发展,文章从以下3方面开展工作.(1)介绍UCG和CO₂气化腔埋存的国内外研究进展,并将后者的发展划分为概念提出阶段、潜力评价和可行性分析阶段以及机理分析阶段,目前尚处于理论探索阶段.(2)从注入性、密闭性、经济性、储容量和CO₂埋存机理等多个角度出发,通过与其他埋存方式对比,分析了气化腔埋存的特点与优势:注入性良好;密闭性与未开发煤层类似,但更为复杂;显著节约CO₂运输成本;埋存潜力巨大;埋存机理非常复杂,需要考虑气化腔形态、边壁性质以及超临界CO₂与气化腔流体间复杂相互作用对注入和长期埋存过程的影响.(3)阐明CO₂气化腔埋存所涉及的关键科学问题和工程问题,并指出未来发展趋势.在以上工作的基础上,建议国家...     

红层与煤系复合结构覆岩采动破坏分析及其应用

许多矿区煤层采动影响范围内的覆岩层由红层和煤层共同构成。本文研究了山东省太平煤矿东区二叠系 3号煤层覆岩破坏和防水煤柱留设的问题 ,在对上覆第四系水文地质条件分析的基础上 ,对红层和煤系复合结构覆岩的工程地质特征和破坏状况进行了分析 ,确定了合理的防水煤岩柱高度 ,并经过开采验证 ,避免了水害发生.     

开采覆岩破坏工程地质预测的理论与实践

煤层开采造成的覆岩破坏范围和高度是水体下采煤留设防水煤岩柱和老采空区基岩稳定性评价的重要依据，本文以岩体工程地质力学为理论依据，对覆岩破坏机理和判据等进行了研究，详细分析了覆岩工程地质类型及其组合、岩体结构特征、地层倾角、地质构造、地应力、地下水及开采条件对覆岩破坏高度及发育规律的影响。文中提出了覆岩破坏预测的工程地质学方法，并给出了应用实例。     

地下开采过程损伤场演化与地表变形的时变分析

以形状随时间变化的物体——时变体为研究对象，将损伤理论与时变力学结合，引入与时变过程相关的损伤参数，形成损伤时变力学分析方法。针对岩石介质特性给出了弹性损伤时变力学本构方程，并利用虚功原理建立相应数值化方法和分析过程。利用损伤时变力学分析方法对某地下煤层开采过程进行计算机仿真分析，给出形状时变引起的损伤场与地表移动的动态演化过程，并对比了非时变以及施工分析结果。研究表明，损伤时变分析可得到连续变化的位移及损伤演化图，相比非时变的常规分析和施工分析能更好地模拟连续施工，为工程施工分析与预测提供更加科学和有效的手段。为实现开采过程的经济和安全，应该采用损伤时变力学的分析方法。     

地下气化过程中煤系沉积岩热物理性能试验研究

利用GHC-Ⅱ型比热容测试仪、DRX-Ⅱ型导热系数测定仪等仪器,对乌兰察布地下气化煤层顶板泥岩、砂质泥岩、细砂岩、粗砂岩及粉砂岩等5种沉积岩体进行了50~1000℃范围内的高温物理试验研究,分析了不同温度梯度下的比热容及导热系数随温度的变化规律,并用多项式函数对5种岩样的导热系数测定结果进行了拟合,得到了导热系数与温度的拟合关系式。试验结果表明,5种岩样的比热容值随着温度的升高呈现下降趋势,在100~400℃范围内,5种岩样的比热容值下降趋势较为明显;顶板泥岩等5种岩性岩样的导热系数值随着温度的升高呈现下降趋势,随着温度的升高,粗砂岩导热系数值变化最大,由50℃时的1.412W/(m·K)下降至1000℃时的0.900W/(m·K),减小了36.3%;随着温度升高,粉砂岩导热系数值变化最小,其值由50℃时的1.200W/(m·K)下降至1000℃时的0.901W/(m·K),减小了24.9%。上述结果可为研究煤炭地下气化空间温度场分布提供必要的数据。     

室内爆炸实验洞

人们提起爆炸,总是先想到硝烟弥漫的战争场面,山崩地裂、屋倒人亡的破坏景象。但它在人的控制下,它能够为人类造福。如爆破开采地下矿石与煤炭、土岩爆破、金属爆炸加工、水下爆破等等。爆炸在露天进行这是人所共知。目前国内外为了研究爆炸现象及其规律,把它从野外移到实验室内,以 ...     

页岩气高效开采的力学问题与挑战

页岩气是指赋存于富含有机质泥页岩中以吸附和游离状态为主要存在方式的天然气,中国资源量丰富,地域分布广泛.页岩气开采能缓解我国常规油气产量不足、煤化石燃料引起环境污染等问题,已成为中国绿色能源开发的重要领域.尽管北美页岩气"革命"取得了成功,目前也仅有预期产量5%～15%的采收率.与北美地区相比,中国页岩气埋藏深,赋存条件差,自然丰度低,因此,高效开采面临更多的困难和挑战.近年来,围绕国家重大能源战略需求,瞄准技术发展前沿,学术界和工业界联合对页岩气高效开采的关键科学和技术问题展开研究.本文结合近三年四川、重庆地区的页岩气试验区块遇到的新问题,针对中国未来3 500 m以下深部开采的新挑战,如地质沉积、裂缝发育构造不同、上覆压力增加、水平应力场变化等新问题,介绍和总结了目前中国页岩气高效开采面临的力学科学问题,主要包括多重耦合下的安全优质钻完井力学理论和方法、水力压裂体积改造和多尺度缝网形成机制、多尺度渗流力学特性与解吸附机理等."深部页岩气高效开采"的研究面向国家重大能源需求,科学意义重大,工程背景明确,需要工程力学、石油工程、地球物理、化学工程和环境工程等多学科专家合作,开展理论研究、物理模拟、数值模拟及现场试验等综合应用基础研究,取得高效开采页岩油气理论与技术的突破.学科交叉是研究页岩气高效开采问题、突破技术瓶颈的桥梁,只有力学与石油工程、地球科学等学科实现深度交叉融合,才能更加有效地推动页岩油气等非常规油气资源的开发.     

煤层气井气水两相分布不稳定试井模型

煤层气是一种高效清洁的非常规天然气资源,其开采过程是一个排水降压采气的过程. 由于煤层气主要是以吸附态的形式存在于煤层中,当煤层压力降低到临界解吸压力以下时煤层气从煤层中解吸出来并与水一起采出,因此煤层中流体是气水两相分布的. 本文根据煤层气藏排采过程中的解吸特征,通过考虑气水两相分布的渗透率关系,提出了一种与解吸区域大小相关的煤层气井不稳定试井模型. 该模型较好地描述了煤层气排采过程中煤层内气水的流动状态,采用分区模式对气水两相进行描述. 通过有限体积方法求解了所建立的试井模型,计算得到了煤层气井气水两相分布不稳定试井理论曲线,分析了煤层气解吸系数、解吸复合半径、气水饱和度分布等对试井理论曲线的影响.     

多水平成层的非均匀介质圆弧形峡谷地下多点地震动模拟

开发了考虑圆弧场地水平多分层效应的地下多点地震动模拟可视化程序,验证其可靠性。首先,描述了给出的圆弧场地多分层效应的SH波动散射频域解,其本质是突破了传统均匀介质和分层不穿越峡谷前提的局限性;其次,利用从水平地表到峡谷表面再到地下土层的传递函数,通过两次传递得到了圆弧峡谷地下的目标功率谱和反应谱;进而,具体描述所导出的圆弧场地平-凹相关性的相干函数及其推导过程;最后,基于上述理论,开发了多层状的非均匀圆弧场地的多点地震动模拟程序,给出了模拟结果与目标功率谱、反应谱和相干函数的拟合对比,验证了该理论和程序的合理性和可靠性,便于所发展理论和方法的实用化和推广。     

多水平成层的非均匀介质圆弧形峡谷地下多点地震动模拟

开发了考虑圆弧场地水平多分层效应的地下多点地震动模拟可视化程序,验证其可靠性。首先,描述了给出的圆弧场地多分层效应的SH波动散射频域解,其本质是突破了传统均匀介质和分层不穿越峡谷前提的局限性;其次,利用从水平地表到峡谷表面再到地下土层的传递函数,通过两次传递得到了圆弧峡谷地下的目标功率谱和反应谱;进而,具体描述所导出的圆弧场地平-凹相关性的相干函数及其推导过程;最后,基于上述理论,开发了多层状的非均匀圆弧场地的多点地震动模拟程序,给出了模拟结果与目标功率谱、反应谱和相干函数的拟合对比,验证了该理论和程序的合理性和可靠性,便于所发展理论和方法的实用化和推广。     

煤的等离子体气化

煤的等离子体气化方法,无论在我国还是在国外,都还处于研究的阶段。大家都知道,在日本和美国,等离子体气化的研究已经进行了多年[1]。据私人通信,这些研究也在西德进行着。我国这方面首创性的研究开始于1971年[2]。但遗憾的是,由于此法要在等离子体发生器中用电,所以其技术上经济上的可行性获得公认要晚得多。      

煤层气在非饱和水流阶段的非定常渗流摄动解

煤层甲烷由煤层的割理裂隙系统流入生产井一般经历：单相水流、非饱和流和气、水两相饱和流三个阶段，在非饱和流阶段，储层压力降至临界解吸压力之后，储存在煤基质中的吸附气体少量被解吸出来形成互不连续的气泡并阻止水的流动，含气量尚未达到饱和程度。同时煤层甲烷运移包含渗流场、变形场和应力场的动态耦合过程。本文考虑渗流过程中水-气两相不溶混流体与固体耦合作用，建立了非饱和水流阶段非定常渗流问题的流固耦合数学模型，对该强非线性一维数学模型采用摄动法和积分变换法进行解析求解，并讨论了其压力动态特性，分析了压力随饱和度S及时间t变化的规律和气相及耦合作用的影响，这些研究对煤层气、石油和天然气的开采等地下工程领域具有一定的指导意义。     

煤层倾角与覆岩变形破裂分带

地下采煤中三带(冒落带、裂隙带、弯曲带)高度的判断是预测采空引起地表变形破坏程度的依据。在诸多的影响因素中, 煤层倾角是控制“三带”高度的最主要因素。建立在实测统计基础上的经验范围值用于“三带”高度的判断带有一定的人为性。急倾斜煤层中冒落带和裂隙带高度随煤层倾角变化的规律已被褐示[7].通过弹塑性岩石材料的非线性有限元模拟, 本文提出了利用应力重分布图判断中、缓倾角煤层采空区覆岩“三带”高度的方法, 并应用于实际工程。     

高瓦斯煤层冲击地压发生条件与影响因素

针对高瓦斯煤层冲击地压问题,用解析方法得到冲击地压发生条件,分析了主要影响因素对满足冲击地压发生条件的临界塑性区半径和临界应力的影响规律.结合五龙矿开采实际情况对影响高瓦斯煤层冲击地压的煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、支护应力和内摩擦角4个因素做了对比分析.研究发现:高瓦斯煤层在巷道掘进面附近由于存在开挖面空间效应,掘进面前方尚未开挖的煤体对巷道变形起到了限制作用,减少了冲击地压的发生,随着掘进面向前推进,后方一定距离范围内的巷道支护应力增大.随着瓦斯解吸渗流的进行,巷道壁处孔隙压力降低,巷道冲击地压危险性明显提高,此时提高支护应力,冲击危险性有所降低.高瓦斯煤层巷道发生冲击地压的临界塑性区半径和临界应力随模量比、瓦斯孔隙压力的增大而快速减小,随支护应力的增大而增大,临界塑性区半径随内摩擦角的增大而增大,临界应力与内摩擦角不是单调函数关系,存在一个极小值点,当内摩擦角小于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而减小;当内摩擦角大于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而增大.