煤炭地下氣化過程中覆巖應力場的數(shù)值研究

鄭慧慧，張興華，劉希亮，諶倫建

（1.商丘師范學院建筑與土木工程系，河南商丘 476000;2.河南理工大學土木工程學院，河南焦作 454003; 3.河南理工大學研究生處，河南焦作 454003）

煤炭地下氣化過程中覆巖應力場的數(shù)值研究

鄭慧慧1，張興華1，劉希亮2，諶倫建3

（1.商丘師范學院建筑與土木工程系，河南商丘 476000;2.河南理工大學土木工程學院，河南焦作 454003; 3.河南理工大學研究生處，河南焦作 454003）

采用熱彈塑性模型，運用有限元軟件，對煤炭地下氣化的整個過程進行模擬，得出了煤炭地下氣化過程中覆巖應力場分布圖和塑性區(qū)分布圖。結(jié)果表明:在煤層燃空區(qū)上方存在有拱式結(jié)構(gòu)，拱內(nèi)為冒落裂縫帶;隨著工作面推進，在煤壁前后方出現(xiàn)了應力集中，且應力集中范圍不斷擴大，應力峰值也不斷增大;隨著工作面推進，上覆巖體中塑性區(qū)范圍不斷擴大，當塑性區(qū)貫通時，上覆巖體將發(fā)生整體坍塌，有可能波及到地表的移動和沉陷。

煤炭地下氣化;數(shù)值模擬;應力場

煤炭地下氣化堪稱第二代采煤方法，具有投資少、見效快、用人少、成本低、效益高等優(yōu)點［1］，可以回收報廢礦井中的報廢資源，可用于開采井工難以開采的薄弱層、深部煤層和“三下”壓煤等。因此，這一高效、潔凈的回收煤炭資源的高科技，越來越受到國內(nèi)外同行的極大關(guān)注。但現(xiàn)場試驗表明，煤炭地下氣化存在一些問題:如果氣化過程中爐內(nèi)冒頂嚴重將導致供風系統(tǒng)中斷;隨著氣化進行爐內(nèi)頂板懸頂過大，不能保證氣化劑與煤體接觸而產(chǎn)生氣化反應，且生成的煤氣可能在爐內(nèi)二次燃燒等，這些都與煤炭地下氣化過程中，煤層覆巖的應力場分布有關(guān)。所以，煤炭地下氣化過程中，煤層覆巖的應力場分布規(guī)律成為研究的核心問題，對煤炭地下氣化技術(shù)的推廣與應用具有十分重要的作用和意義。

煤炭地下氣化過程中，煤層頂?shù)装鍘r層要經(jīng)受1200℃以上的高溫烘烤作用［1］，國內(nèi)外專家對煤層頂板高溫巖石的力學特性進行了大量的研究［2－4］，但是都未結(jié)合煤炭地下氣化的工程背景。本文結(jié)合煤炭地下氣化的工程背景，運用熱力耦合模型，對煤炭地下氣化過程中覆巖應力場的分布規(guī)律進行數(shù)值模擬研究，得出了工作面推進不同距離時覆巖垂直應力和塑性區(qū)分布圖。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 假定條件

為簡化計算，假定:巖體和煤層為均質(zhì)各項同性;熱源（燃燒的煤層）為恒溫;巖體和煤層的質(zhì)量密度、泊松比、黏聚力等不隨溫度而變化。

1.2 模型尺寸及參數(shù)選取

本文選用彈塑性平面應變模型，計算平面沿煤層燃燒方向布置，長為800m，高為166m，煤層厚度為6m。將計算模型范圍內(nèi)巖層分為6層，數(shù)值模型選取的各巖層材料按照由上向下的順序，其力學、熱學參數(shù)如表1所示，細砂層和粉砂層的彈性 模量和熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系，如表2所示。

表1 模型各巖層熱學和力學參數(shù)

表2 彈性模量（E）和熱膨脹系數(shù)（α）與溫度的關(guān)系

1.3 邊界條件

模型底部取為固定端;模型左右兩側(cè)節(jié)點的x方向位移為零，允許有y方向的位移;由于模型尺寸的限制，不能模擬到地表，所以模型以上的巖層重量以外載荷代替（大小為5.4MPa）;模型內(nèi)的各單元均考慮了其自重的作用，即在y的負方向加上重力加速度9.8m/s2。如圖1所示。在本模型中，采用第一類熱邊界條件，將燃燒的煤層設置為恒定溫度1200℃，初始溫度取為25℃。

圖1 力邊界條件和物理模型

1.4 施工步驟

根據(jù)參考文獻 ［7］，取煤炭地下氣化火焰移動速度為0.5m/d。工作面自點火眼沿x方向推進，見圖1，每個施工步為4m，即8d，共50步，累計氣化長度為200m，燃燒后的煤層設置為死單元，賦予空氣的熱學參數(shù)，如表1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 覆巖垂直應力場分析

一般認為，在重分布應力圖上，鉛直應力為零或近等于零的次一級“拱形”地帶與冒落帶的分布范圍相對應［8－10］。圖2為工作面推進不同距離時垂直應力分布圖。

圖2 工作面推進不同距離時垂直應力場

由圖2可知:

（1）當煤層燃燒后，在工作面燃空區(qū)上方存在有拱式結(jié)構(gòu)，該區(qū)域內(nèi)垂直應力較小，已接近為零或為拉應力，表明頂板巖層已經(jīng)冒落，不再承載拱外上覆巖層的載荷。

（2）隨著工作面推進，拱式結(jié)構(gòu)的高度不斷增大，當工作面推進40m時，拱頂高度為20m，是煤層厚度的3.3倍;推進120m時，拱高為50m，是煤層厚度的8.3倍;推進200m時，拱高為70m，是煤層厚度的11.6倍;與傳統(tǒng)煤炭開采的“兩帶”高度 （一般為采高的9～12倍［9］）相符合。

（3）隨著工作面推進，在工作面煤壁前后方出現(xiàn)了應力集中，且應力集中范圍隨著工作面推進不斷擴大，當工作面推進120m左右，達到穩(wěn)定，應力集中區(qū)為工作面前方12m左右。

（4）隨著工作面推進，應力峰值不斷增大，工作面推進120m前，峰值位置位于工作面前方頂板10m內(nèi)，當工作面繼續(xù)推進時，峰值位于工作面上方粉砂層和細砂層的分界處，其主要原因是由于粉砂層上邊界受熱的作用向上方膨脹，而細砂層在上覆巖體自重作用下下沉，且兩者的熱膨脹系數(shù)不同，所以就產(chǎn)生了很大的熱膨脹力。

2.2 覆巖塑性區(qū)分析

圖3為塑性區(qū)分布。

圖3 塑性區(qū)分布

由圖3可知:

（1）隨著工作面推進，煤層頂板巖體中塑性區(qū)范圍不斷擴大，當塑性區(qū)貫通時，上覆巖體將發(fā)生整體坍塌，有可能波及到地表而引起地表沉陷。

（2）隨著工作面推進，底板巖層出現(xiàn)了塑性區(qū)，但是其影響范圍較小，主要出現(xiàn)在燃空區(qū)下方和煤壁前下方，在此區(qū)域內(nèi)巖層可能受拉而破壞。

3 結(jié)論

（1）在煤層燃空區(qū)上方存在拱式結(jié)構(gòu)，拱內(nèi)為冒落裂縫帶，約為燃燒煤層厚度的9～12倍。

（2）隨著工作面推進，在煤壁前后方出現(xiàn)了應力集中，且應力集中范圍不斷擴大，當工作面推進120m左右，達到穩(wěn)定;應力峰值也不斷增大，當工作面推進120m后，峰值位于工作面上方粉砂層和細砂層的分界處。

（3）隨著工作面推進，上覆巖體中塑性區(qū)范圍不斷擴大，當塑性區(qū)貫通時，上覆巖體將發(fā)生整體坍塌，有可能波及到地表，引發(fā)移動和沉陷。

［1］張祖培.煤炭地下氣化技術(shù)［J］.探礦工程，2000（1）.

［2］吳 忠，秦本東，等.煤層頂板砂巖高溫狀態(tài)下力學特征試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（11）.

［3］諶倫建，吳 忠，等.煤層頂板砂巖在高溫下的力學特性及破壞機理［J］.重慶大學學報，2005，28（5）:123－126.

［4］秦本東，門玉明，等.高溫下石灰?guī)r膨脹特性和力學特性的試驗研究［J］.防災減災工程學報，2009，29（6）.

［5］徐小荷，余 靜.巖石破碎學［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1984.

［6］虞繼舜.煤化學［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2000.

［7］楊蘭和.煤炭地下氣化火焰工作面移動速度的研究［J］.煤炭學報，2000，25（5）:496－450.

［8］錢鳴高.采場礦山壓力與控制［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1983.

［9］王遺南.預計導水裂隙帶的應力分析方法［J］.煤炭學報，1982（1）.

［10］謝興華.采動覆巖動態(tài)移動規(guī)律數(shù)值模擬及離層量計算方法研究［D］.泰安:山東科技大學，2001.

［11］煤炭科學研究院北京開采研究所.煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及其應用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1981.

Numerical Simulation of Stress Field of Surrounding Strata in Underground Gasification of Coal

ZHENG Hui-hui1，ZHANG Xing-hua1，LIU Xi-liang2，CHEN Lun-jian3

（1.Architecture＆Civil Engineering Department，Shangqiu Normal College，Shangqiu 476000，China; 2.Civil Engineering School，Henan University of Science＆Technology，Jiaozuo 454003，China; 3.Graduate School，Henan University of Science＆Technology，Jiaozuo 454003，China）

Applying thermo-elastic-plastic model and finite element software，this paper simulated underground gasification of coal.Stress field distribution and plastic area distribution of overlying strata was obtained in gasification.Results showed that there was arch structure over gob and inside of the arch was caving and fissure zone.With the face advanced，stress concentration occurred before and after the coal wall and stress concentration range extended increasingly，stress summit increased aswell，plastic area of overlying strata extended and when plastic area connected with each other，overlying strata would cave wholly and thismight reached surface.

underground gasification of coal;numerical simulation;stress field

TQ546;TD325

A

1006-6225（2011）04-0017-03

2010－12－23

國家自然科學基金資助項目 （50574037）

鄭慧慧 （1981－），女，河南民權(quán)人，助教，主要從事巖土工程和結(jié)構(gòu)工程方面的教學和研究工作。

［責任編輯:王興庫］