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煤炭地下气化燃空区扩展及顶板稳定性研究

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1绪论

1.1课题研究背景及意义(Research Objective and Meaning)

1.2煤炭地下气化工艺研究现状(Technology Research Status of UCG)

1.3煤炭地下气化围岩稳定研究现状(Research Status at Stability of Surrounding Rock during UCG)

1.4研究内容与技术路线(Research Contents and Technological Route)

2煤炭地下气化燃空区顶板稳定性分析

2.1气化通道围岩扩展形式(The Gasification Tunnel Surrounding Rock Expanded Form)

2.2气化初期通道围岩应力分析(Early Gasification Channel Surrounding Rock Stress Analysis)

2.3燃空区顶板热破断规律研究(Research the Failure Rules of Combustion Cavity Roof under Temperature)

2.4本章小结(Brief Summary)

3煤炭地下气化物理相似理论研究

3.1模型试验相似定理及相似准则(Similarity Theorem and Criterion of Model Experiment)

3.2气化通道围岩相似准则(Similarity Criterion of Gasification Channel Surrounding)

3.3气化试验材相似料配比(Similar Material Ratio of the Gasification Experiment)

3.4相似材料热物理力学性质测定(Similar Material Thermal Physical and Mechanical Properties Test)

3.5气化模型相似常数确定(Similarity Constant of Gasification Model)

3.6本章小结(Brief Summary)

4煤炭地下气化温度场与岩层移动相似试验

4.1试验模型设计(Test Model Design)

4.2监测内容(Monitoring Content)

4.4试验结果分析(Test Result Analysis)

4.5本章小结(Brief Summary)

5煤炭地下气化围岩顶板稳定性数值研究

5.1气化通道围岩热力耦合数学模型(Mathematical Model for Thermal-Mechanical Coupling of Surrounding Rock during UGC)

5.2 COMSOL Multiphysics软件介绍(COMSOL Multiphysics Introduction)

5.3模拟方案设计(Modeling Scheme Design)

5.4数值模拟结果分析(Analysis of Numerical Simulation Result)

5.5本章小结(Brief Summary)

6主要结论

参考文献

作者简历

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摘要

煤炭地下气化是一项新的煤炭开采技术,具有安全性好、投资少、见效快、污染少等优点。煤炭地下气化过程顶板稳定性对于气化过程非常重要,但目前研究较少,一方面在于气化过程是封闭的,很难测得气化围岩温度分布情况;另一方面岩石的力学性质与温度关系较为复杂。论文通过理论分析、物理相似试验及数值模拟相结合的方法对上述问题进行了初步研究,得到相应成果。
  (1)燃烧贯通顶底板之前,将气化通道截面近似成圆形,得到了在地应力、温度及气化压强共同作用下围岩应力分布特征,研究认为气化压强对围岩的控制作用较小,在整个地下气化过程中地应力与热应力对塑性区的扩展起主要作用。
  (2)理论分析温度对有均布载荷作用固支梁内应力分布的影响,认为温度产生的热应力会抵消梁内的拉应力,同时增大压应力;且在煤炭地下气化过程老顶极限跨距的大小取决于岩石极限抗拉强度降低及热应力增加的相对情况。
  (3)随着气化推进,燃空区顶板温度分布呈现出不同的特征,可将其分为3个阶段:温度场初始变化阶段、垮落扰动阶段及平稳阶段。燃空区顶板岩层间的离层、破断会对岩层温度值及温度梯度产生影响,但对温度扩展范围影响不大。
  (4)数值分析了煤炭地下气化过程采场围岩矿压显现规律,研究认为热应力的存在改变了围岩垂直应力的分布状态,使应力集中更加明显,且因岩石性质受温度的影响,围岩垂直应力等值线呈锯齿状。气化过程燃空区顶底板位移比常规开采要大得多,主要是因为温度改变了岩石的力学性质同时还增加了岩石的热膨胀变形值。
  (5)围岩塑性区扩展形式不同,常规开采塑性区主要沿着采空区两端肩部向上扩展;气化开采过程塑性区的扩展与温度分布有关,在温度较低的区域塑性区扩展与常规开采一致,且气化开采塑性区范围比常规开采大。

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