鄭慧慧，張興華，劉希亮，諶倫建

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

煤炭地下氣化過(guò)程中覆巖應(yīng)力場(chǎng)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(xué)院建筑與土木工程系，河南商丘 476000;2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作 454003; 3.河南理工大學(xué)研究生處，河南焦作 454003）

采用熱彈塑性模型，運(yùn)用有限元軟件，對(duì)煤炭地下氣化的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬，得出了煤炭地下氣化過(guò)程中覆巖應(yīng)力場(chǎng)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(jìn)，在煤壁前后方出現(xiàn)了應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)力峰值也不斷增大;隨著工作面推進(jìn)，上覆巖體中塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，當(dāng)塑性區(qū)貫通時(shí)，上覆巖體將發(fā)生整體坍塌，有可能波及到地表的移動(dòng)和沉陷。

煤炭地下氣化;數(shù)值模擬;應(yīng)力場(chǎng)

煤炭地下氣化堪稱第二代采煤方法，具有投資少、見(jiàn)效快、用人少、成本低、效益高等優(yōu)點(diǎn)［1］，可以回收?qǐng)?bào)廢礦井中的報(bào)廢資源，可用于開(kāi)采井工難以開(kāi)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(lái)越受到國(guó)內(nèi)外同行的極大關(guān)注。但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，煤炭地下氣化存在一些問(wèn)題:如果氣化過(guò)程中爐內(nèi)冒頂嚴(yán)重將導(dǎo)致供風(fēng)系統(tǒng)中斷;隨著氣化進(jìn)行爐內(nèi)頂板懸頂過(guò)大，不能保證氣化劑與煤體接觸而產(chǎn)生氣化反應(yīng)，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(guò)程中，煤層覆巖的應(yīng)力場(chǎng)分布有關(guān)。所以，煤炭地下氣化過(guò)程中，煤層覆巖的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律成為研究的核心問(wèn)題，對(duì)煤炭地下氣化技術(shù)的推廣與應(yīng)用具有十分重要的作用和意義。

煤炭地下氣化過(guò)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(guó)內(nèi)外專家對(duì)煤層頂板高溫巖石的力學(xué)特性進(jìn)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(yùn)用熱力耦合模型，對(duì)煤炭地下氣化過(guò)程中覆巖應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出了工作面推進(jìn)不同距離時(shí)覆巖垂直應(yīng)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(jiǎn)化計(jì)算，假定:巖體和煤層為均質(zhì)各項(xiàng)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(yīng)變模型，計(jì)算平面沿煤層燃燒方向布置，長(zhǎng)為800m，高為166m，煤層厚度為6m。將計(jì)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(xué)、熱學(xué)參數(shù)如表1所示，細(xì)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(xué)和力學(xué)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(diǎn)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(fù)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(shè)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(xiàn) ［7］，取煤炭地下氣化火焰移動(dòng)速度為0.5m/d。工作面自點(diǎn)火眼沿x方向推進(jìn)，見(jiàn)圖1，每個(gè)施工步為4m，即8d，共50步，累計(jì)氣化長(zhǎng)度為200m，燃燒后的煤層設(shè)置為死單元，賦予空氣的熱學(xué)參數(shù)，如表1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 覆巖垂直應(yīng)力場(chǎng)分析

一般認(rèn)為，在重分布應(yīng)力圖上，鉛直應(yīng)力為零或近等于零的次一級(jí)“拱形”地帶與冒落帶的分布范圍相對(duì)應(yīng)［8－10］。圖2為工作面推進(jìn)不同距離時(shí)垂直應(yīng)力分布圖。

圖2 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)垂直應(yīng)力場(chǎng)

由圖2可知:

（1）當(dāng)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(yīng)力較小，已接近為零或?yàn)槔瓚?yīng)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(jìn)，拱式結(jié)構(gòu)的高度不斷增大，當(dāng)工作面推進(jìn)40m時(shí)，拱頂高度為20m，是煤層厚度的3.3倍;推進(jìn)120m時(shí)，拱高為50m，是煤層厚度的8.3倍;推進(jìn)200m時(shí)，拱高為70m，是煤層厚度的11.6倍;與傳統(tǒng)煤炭開(kāi)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(jìn)，在工作面煤壁前后方出現(xiàn)了應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中范圍隨著工作面推進(jìn)不斷擴(kuò)大，當(dāng)工作面推進(jìn)120m左右，達(dá)到穩(wěn)定，應(yīng)力集中區(qū)為工作面前方12m左右。

（4）隨著工作面推進(jìn)，應(yīng)力峰值不斷增大，工作面推進(jìn)120m前，峰值位置位于工作面前方頂板10m內(nèi)，當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，峰值位于工作面上方粉砂層和細(xì)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(xì)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(jìn)，煤層頂板巖體中塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，當(dāng)塑性區(qū)貫通時(shí)，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(jìn)，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(jìn)，在煤壁前后方出現(xiàn)了應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中范圍不斷擴(kuò)大，當(dāng)工作面推進(jìn)120m左右，達(dá)到穩(wěn)定;應(yīng)力峰值也不斷增大，當(dāng)工作面推進(jìn)120m后，峰值位于工作面上方粉砂層和細(xì)砂層的分界處。

（3）隨著工作面推進(jìn)，上覆巖體中塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，當(dāng)塑性區(qū)貫通時(shí)，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(dòng)和沉陷。

［1］張祖培.煤炭地下氣化技術(shù)［J］.探礦工程，2000（1）.

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

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［11］煤炭科學(xué)研究院北京開(kāi)采研究所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(xué)和研究工作。

［責(zé)任編輯:王興庫(kù)］