梁 杰，李玉龍，陳世琳，楊彥群，趙 澤，原 航，李 哲

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030024)

煤炭地下氣化是將煤炭在原位進(jìn)行有控制的燃燒，通過(guò)煤的熱解以及煤與氧氣、水蒸氣發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生H，CO和CH等可燃?xì)怏w的過(guò)程。該過(guò)程是在煤炭地下氣化爐里實(shí)現(xiàn)的，組成地下氣化爐的最基本要素是進(jìn)氣井(孔)、出氣井(孔)和連接進(jìn)氣井(孔)、出氣井(孔)的氣化通道，在氣化通道里煤和氣化劑進(jìn)行氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)和干餾干燥反應(yīng)而產(chǎn)生煤氣。

根據(jù)氣化通道施工方式和通道擴(kuò)展方式的不同，可將氣化反應(yīng)區(qū)簡(jiǎn)化為2種類型的氣化反應(yīng)通道：無(wú)固相的自由通道和滲透性多孔疏散的通道。在自由通道里以壁面反應(yīng)為主稱為通道式氣化，在滲流通道里氣化稱為滲流氣化。

我國(guó)廢棄礦井中遺留煤炭資源量約420億t，廢棄礦井煤炭資源井工復(fù)采技術(shù)難度大，安全性差，在經(jīng)濟(jì)上也不合理，因此必須探索新的回收技術(shù)，煤炭地下氣化技術(shù)則是一條可行的技術(shù)路線。煤炭地下氣化可以依托老礦井原有的井筒和巷道建設(shè)地下氣化爐，利用人工掘進(jìn)的煤巷作為氣化通道，形成通道式氣化。

通道式氣化在煤層里圍繞通道形成溫度場(chǎng)和體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)，溫度向頂板巖層傳播和煤層燃空區(qū)變化形成了頂板溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，煤炭地下氣化過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是這些特征場(chǎng)的演化過(guò)程。龐旭林等通過(guò)模型試驗(yàn)研究了涌水條件下富氧煤炭地下氣化溫度場(chǎng)擴(kuò)展規(guī)律；趙明東等研究了煤炭地下氣化溫度場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的演化規(guī)律，采用COMSOL模擬了研究區(qū)地下氣化的溫度場(chǎng)分布；席建奮研究認(rèn)為煤層溫度場(chǎng)擴(kuò)展主方向受裂隙與氣化劑的雙重影響；王張卿在煤炭地下氣化模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了空氣、富氧-CO、富氧-水和富氧連續(xù)氣化工藝中的“三區(qū)”擴(kuò)展過(guò)程；楊蘭和等對(duì)煤炭地下氣化動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)及體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析；唐芙蓉、趙明東等對(duì)熱-力耦合作用下燃空區(qū)覆巖溫度場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的衍化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。但上述研究主要集中在溫度場(chǎng)的擴(kuò)展上，且以數(shù)值模擬為主。

筆者通過(guò)通道式煤炭地下氣化過(guò)程模型試驗(yàn)，研究煤層溫度場(chǎng)、體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)、巖層溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的演化過(guò)程。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)煤樣煤質(zhì)分析

試驗(yàn)煤樣為內(nèi)蒙古烏蘭察布的褐煤，表1為煤樣煤質(zhì)分析結(jié)果，表2為試驗(yàn)煤樣對(duì)CO的反應(yīng)活性。

表1 模型試驗(yàn)煤樣煤質(zhì)分析結(jié)果

表2 試驗(yàn)煤樣對(duì)CO2反應(yīng)活性

烏蘭察布褐煤基本煤質(zhì)特征：全水較高，內(nèi)在水分中等，揮發(fā)分高，灰分高，發(fā)熱量較低，無(wú)黏結(jié)性，CO反應(yīng)活性較高，適合地下氣化。

1.2 煤層模擬及測(cè)點(diǎn)布置

模型試驗(yàn)臺(tái)可模擬氣化區(qū)長(zhǎng)度為4.45 m，寬度為1.17 m，鋪設(shè)煤層厚度為0.4 m。模擬煤層由體積約為550 mm×350 mm×250 mm大塊煤鋪設(shè)，塊煤之間的縫隙采用黏煤混合物拌著碎小煤塊進(jìn)行填充。

為模擬通道式氣化，在煤層底部中間預(yù)留斷面為10 cm×10 cm的氣化通道，氣化通道高度占煤層高度的1/4,寬度占煤層寬度的1/10。模擬煤層、巖層與氣化通道的關(guān)系及試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 氣化通道與煤層模擬剖面

煤層溫度測(cè)點(diǎn)呈網(wǎng)格布置，共布置19×5=95個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，深度距煤層底部200 mm，在煤層的中部。利用6 mm不銹鋼管布置3×5=15個(gè)壓力及組分測(cè)點(diǎn)，氣化通道中5個(gè)，煤層內(nèi)10個(gè)，15個(gè)測(cè)點(diǎn)主要用來(lái)監(jiān)測(cè)氣化通道和煤層內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)和壓力場(chǎng)。氣體用氣袋采集，用島津氣相色譜儀進(jìn)行分析。煤層溫度測(cè)點(diǎn)及取樣點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 煤層溫度、壓力、組分測(cè)點(diǎn)布置

利用各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，通過(guò)MATLAB軟件將原始數(shù)據(jù)按測(cè)點(diǎn)平面布置網(wǎng)格化，在數(shù)據(jù)點(diǎn)之間進(jìn)行均勻插值，把數(shù)值相同的點(diǎn)連接起來(lái)，定義不同數(shù)值范圍的顏色，繪制煤層的二維場(chǎng)。

1.3 巖層及地壓模擬

在煤系地層中，多為沉積巖，一般利用骨料和膠結(jié)物組成的相似材料即可基本滿足沉積巖的力學(xué)特性。試驗(yàn)用黏土與沙調(diào)整比例，進(jìn)行2種材料的配比試驗(yàn)，得到強(qiáng)度等力學(xué)性能隨溫度的變化規(guī)律，選擇滿足試驗(yàn)需求的配比材料。黏土與沙按照比例混合均勻后，自煤層起填充55 cm高度，裝填過(guò)程中布置頂板中的應(yīng)力傳感器和熱電偶。

應(yīng)力傳感器共11個(gè)，模擬頂板自煤層起30 cm處8個(gè)，布置點(diǎn)如圖3所示，模擬頂板上方布置3個(gè)，沿長(zhǎng)度方向均勻布置，用于測(cè)量表土的實(shí)際應(yīng)力。

圖3 模擬頂板中應(yīng)力傳感器布置

熱電偶在煤層與頂板交界面、自煤層向上20 cm和40 cm處布置3層，每層3列6排18個(gè)測(cè)點(diǎn)，共54個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)氣化過(guò)程頂板溫度在平面以及高度方向的變化。

煤層、頂板、表土、測(cè)溫?zé)犭娕嫉炔贾煤煤?，運(yùn)用液壓裝置加上垂直向下的0.24～0.38 MPa的壓力，將氣化爐密封，則可進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)。

1.4 通道式氣化模型試驗(yàn)過(guò)程

(1)點(diǎn)火。先向氣化爐里鼓入空氣，置換爐內(nèi)積存的可燃?xì)怏w，然后啟動(dòng)點(diǎn)火器。待氣化爐溫度升高后(高溫大于1 000 ℃)，調(diào)整進(jìn)氧量，進(jìn)入正常的富氧-CO氣化試驗(yàn)。

(2)連續(xù)氣化試驗(yàn)：試驗(yàn)從生產(chǎn)岀合格的煤氣開(kāi)始，到停爐結(jié)束，氣化時(shí)間為66 h，經(jīng)歷了富氧(75%)-CO正向氣化、富氧(60%)-CO氣化、富氧(80%)-HO氣化等試驗(yàn)過(guò)程，獲得不同氣化時(shí)段氣化煤層溫度場(chǎng)、體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)的變化規(guī)律，以及巖層溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤層溫度場(chǎng)演化

富氧(75%)-CO氣化共進(jìn)行20 h，進(jìn)口氣化工藝參數(shù)及出口煤氣組成見(jiàn)表3。氣化5 h期間溫度場(chǎng)擴(kuò)展如圖4所示。其中左側(cè)中部設(shè)置進(jìn)氣孔，右側(cè)中部設(shè)置出氣孔(下同)。點(diǎn)火器設(shè)置在左側(cè)中央位置，氣化爐點(diǎn)火后，氣化煤層溫度急劇升高，影響范圍急劇擴(kuò)大,高溫區(qū)集中在進(jìn)氣孔附近，點(diǎn)火處熱電偶最先達(dá)到1 000 ℃。點(diǎn)火5 h后，溫度場(chǎng)沿點(diǎn)火點(diǎn)兩側(cè)方向急劇擴(kuò)展，氣化通道溫度迅速升高，高溫區(qū)延伸到氣化通道1/3處，煤氣有效組分(H+CO+CH)體積分?jǐn)?shù)達(dá)65.42%。說(shuō)明自由通道以壁面燃燒氣化為主，沿氣化通道擴(kuò)展較快，而氣化初期氣化通道壁面都為新鮮煤壁，氣化活性高，反應(yīng)條件好，煤氣有效組分高。

表3 通道式富氧-CO2連續(xù)氣化參數(shù)

圖4 通道式富氧(75%)-CO2連續(xù)氣化過(guò)程溫度場(chǎng)演化

從圖4可計(jì)算出，在5 h內(nèi)溫度場(chǎng)(氣化工作面)沿氣化通道(橫向)擴(kuò)展1.5 m，擴(kuò)展速度為0.3 m/h。為降低橫向擴(kuò)展速度，將O體積分?jǐn)?shù)降低至60%，總流量由9.81降至6.35 m/h，共氣化14.62 h，氣化過(guò)程溫度場(chǎng)擴(kuò)展如圖5所示。

圖5 通道式富氧(60%)-CO2連續(xù)氣化過(guò)程溫度場(chǎng)演化

從圖5可計(jì)算出，60%富氧氣化時(shí)，在14.5 h內(nèi)溫度場(chǎng)沿氣化通道(橫向)擴(kuò)展1.5 m，擴(kuò)展速度為0.103 m/h,沿煤層(縱向一側(cè))平均擴(kuò)展0.13 m，擴(kuò)展速度為0.009 m/h。橫向擴(kuò)展速度為縱向擴(kuò)展速度的11.4倍。此階段煤氣有效組分也由開(kāi)始56.45%降至34.87%，說(shuō)明反應(yīng)條件變差。

自由通道氣化以壁面燃燒氣化為主，橫向擴(kuò)展速度大于縱向擴(kuò)展速度的11.4倍以上時(shí)，反應(yīng)過(guò)程將失去穩(wěn)定性。同時(shí)自由通道在富氧氣化時(shí)，壁面易焦化或結(jié)焦，也是導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)條件惡化、煤氣有效組分下降的原因之一。通道式氣化過(guò)程失穩(wěn)后，需要暴露新鮮的煤面才能維持氣化過(guò)程的連續(xù)。隨著氣化過(guò)程的進(jìn)行，燃空區(qū)增加，在地壓作用下，煤層冒落，形成新鮮煤面，或采用溫控爆破等技術(shù)措施，暴露新鮮的煤面，維持氣化過(guò)程的連續(xù)。

2個(gè)不同時(shí)刻最高溫度點(diǎn)的間距除以這一段時(shí)間內(nèi)的凈注氣時(shí)間，就可以算出溫度場(chǎng)平均擴(kuò)展速度。沿通道方向?yàn)榛鹧嬉苿?dòng)速率，移動(dòng)的火焰工作面即被認(rèn)為是加載到上覆煤巖的移動(dòng)熱源。圖6給出了試驗(yàn)過(guò)程火焰工作面沿氣化通道方向(橫向)和垂直通道方向(縱向)移動(dòng)平均速度的變化情況。

圖6 通道式氣化橫向與縱向氣化工作面擴(kuò)展速度

由圖6可知，沿通道(橫向)和垂直通道(縱向)平均擴(kuò)展速度分別為0.089 和0.012 m/h,橫向速度遠(yuǎn)大于縱向速度，橫縱平均速度比為7.42倍。在供風(fēng)點(diǎn)附近，橫向和縱向燃燒速度均達(dá)到最大值，分別為0.116 和0.118 m/h，在供風(fēng)點(diǎn)處煤層與氣化劑接觸面積大，O與煤壁的接觸狀態(tài)好，燃燒反應(yīng)劇烈，氣化速度最快。因此，通道式氣化一般都設(shè)置輔助進(jìn)氣孔，或采用控制后退注氣點(diǎn)氣化工藝，使注氣點(diǎn)隨著氣化工作面的移動(dòng)而移動(dòng)，能夠有效地提高氣化反應(yīng)速度，維持氣化過(guò)程的連續(xù)。

2.2 煤層中氣體體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)演化

利用布置的3×15個(gè)取氣點(diǎn)，對(duì)H，CO和CH在煤層里分布進(jìn)行了測(cè)定。

(1)不同時(shí)刻的H體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)。圖7為通道式氣化不同時(shí)間H體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)分布。從高體積分?jǐn)?shù)所占的面積和位置來(lái)分析，H體積分?jǐn)?shù)分布的總體趨勢(shì)是：隨著氣化的進(jìn)行，高體積分?jǐn)?shù)逐漸向氣化通道(中部)中轉(zhuǎn)移，可以理解為氣化初期隨煤層溫度的升高，煤層產(chǎn)生熱解煤氣，使煤層中H體積分?jǐn)?shù)高于氣化通道中，但隨著熱解煤氣擴(kuò)散滲透到氣化通道，煤層中相對(duì)H體積分?jǐn)?shù)降低，而氣化通道壁面還原反應(yīng)所產(chǎn)生的H體積分?jǐn)?shù)相對(duì)升高，從而中部(通道)附近的H體積分?jǐn)?shù)高于煤層中。

圖7 通道式氣化煤層中H2體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)演化

(2)不同時(shí)刻的CO體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)。通道式氣化煤層CO體積分?jǐn)?shù)分布如圖8所示。同樣從高體積分?jǐn)?shù)所占的面積和位置來(lái)分析，CO體積分?jǐn)?shù)分布的總體趨勢(shì)是：開(kāi)始時(shí)氣化通道附近的CO體積分?jǐn)?shù)高于煤層中，可以理解為通道壁面的氣化還原反應(yīng)是CO的主要來(lái)源，熱解煤氣在氣化過(guò)程中對(duì)CO的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。隨著氣化的進(jìn)行，煤層溫度升高，煤層中熱解煤氣貢獻(xiàn)增加，使煤層中CO體積分?jǐn)?shù)升高。

圖8 通道氣化煤層中CO體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)演化

(3)不同時(shí)刻的CH體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)。圖9為通道式氣化煤層不同時(shí)間CH體積分?jǐn)?shù)分布。

圖9 通道式氣化煤層中CH4體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)演化

高體積分?jǐn)?shù)CH在氣化初期出現(xiàn)在氣化爐的中部，而非高溫區(qū)，且距反應(yīng)區(qū)約為1.5 m?？梢耘袛嗝簹庵械腃H是由于高溫氣體對(duì)氣化通道煤層加熱熱解得到的。由其他時(shí)刻的CH體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)也可知，CH的產(chǎn)生均不在反應(yīng)高溫核心處，CH的高體積分?jǐn)?shù)區(qū)與反應(yīng)區(qū)存在一定距離，反應(yīng)強(qiáng)度不同，距離不一樣。同樣從高體積分?jǐn)?shù)所占的面積和位置來(lái)分析，CH體積分?jǐn)?shù)分布的總體趨勢(shì)是煤層中CH體積分?jǐn)?shù)高于中部(氣化通道)附近，說(shuō)明CH來(lái)源于煤層熱解，而非通道中的CH氣化反應(yīng)。

氣化前期(如氣化3 h)，高體積分?jǐn)?shù)CH區(qū)域范圍比較大，說(shuō)明熱解氣所占比例較大；隨著氣化過(guò)程的進(jìn)行，高體積分?jǐn)?shù)CH區(qū)域范圍逐漸縮小，大部分區(qū)域CH體積分?jǐn)?shù)小于2%，說(shuō)明熱解氣所占比例減小。

H和CH體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的下降速率明顯小于CO，說(shuō)明地下氣化過(guò)程中煤層熱解對(duì)有效氣的貢獻(xiàn)可以提高生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，同時(shí)CO體積分?jǐn)?shù)是判別氣化爐反應(yīng)狀況的重要指標(biāo)。

2.3 巖層溫度場(chǎng)演化

熱彌散是多孔介質(zhì)一種特有的換熱現(xiàn)象，由于多孔介質(zhì)孔隙內(nèi)速度脈動(dòng)引起熱量的平均化，從而導(dǎo)致?lián)Q熱的增強(qiáng)。這與溶質(zhì)運(yùn)移的彌散效應(yīng)類似，稱為熱彌散。在氣化過(guò)程中溫度在頂板巖層傳導(dǎo)時(shí)，在垂直方向上發(fā)生熱彌散作用。以氣化20 h時(shí)熱彌散情況為例，溫度擴(kuò)展如圖10所示。隨高度增加，溫度影響范圍逐漸增加，但溫度降低。煤層和頂板交界面到20 cm高頂板處產(chǎn)生熱彌散作用，距煤層20～40 cm熱彌散作用明顯，彌散角約為45°。

圖10 通道式氣化20 h煤層與頂板各層溫度場(chǎng)演化

圖11為氣化不同時(shí)刻煤層與頂板交界面溫度場(chǎng)和距交界面20 cm處溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)。

圖11 頂板與煤層交界面及距交界面20 cm處巖層溫度場(chǎng)演化

煤層點(diǎn)火點(diǎn)在中部左側(cè)，所以頂板溫度場(chǎng)在中部左側(cè)開(kāi)始產(chǎn)生和擴(kuò)展，初始時(shí)溫度上升緩慢。氣化一段時(shí)間后(高溫區(qū)距進(jìn)氣孔1 m)，火焰沿正中心鋪設(shè)的氣化通道推進(jìn)，頂板溫度場(chǎng)也逐漸趨于對(duì)稱，且有規(guī)律的沿通道方向和垂直通道方向擴(kuò)展，與煤層溫度場(chǎng)變化一致，且延遲時(shí)間約為2 h。在距煤層20 cm處頂板溫度上升緩慢，擴(kuò)展與交界面溫度場(chǎng)相似，最高溫度在400～500 ℃。

2.4 頂板應(yīng)力變化

圖12為4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系。各測(cè)點(diǎn)均發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大集中應(yīng)力各點(diǎn)不同，但差別不大，約為0.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.0～2.5。沿通道方向上依次發(fā)生應(yīng)力集中，時(shí)間延后，與煤層溫度場(chǎng)推進(jìn)方向一致。

應(yīng)力集中區(qū)是巖層易冒落區(qū)域，從圖12應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的位置和應(yīng)力集中的時(shí)間可看出，巖層冒落隨著氣化工作面的推移而逐步發(fā)生。3個(gè)特征場(chǎng)之間的關(guān)聯(lián)是溫度，溫度場(chǎng)決定了體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。煤層溫度場(chǎng)決定了煤層的氣化程度，溫度越高的區(qū)域氣化程度越高，該區(qū)域氣樣中H，CO體積分?jǐn)?shù)越高。頂板溫度場(chǎng)隨著煤層溫度場(chǎng)的擴(kuò)展而擴(kuò)展，頂板應(yīng)力也隨著煤層溫度場(chǎng)的推進(jìn)沿通道方向依次發(fā)生集中，但與煤層溫度場(chǎng)相比都有一定的時(shí)間延后。

圖12 上覆巖層應(yīng)力場(chǎng)演化

3 結(jié) 論

(1)模型試驗(yàn)條件下，通道式氣化溫度場(chǎng)沿通道(橫向)和垂直通道(縱向)平均擴(kuò)展速度分別為0.089和0.012 m/h,橫向速度遠(yuǎn)大于縱向速度，平均速度比為7.42倍。在供風(fēng)點(diǎn)附近，橫向和縱向擴(kuò)展速度均達(dá)到最大值，分別為0.116和0.118 m/h。通道式氣化以壁面燃燒氣化為主，橫向擴(kuò)展速度大于縱向擴(kuò)展速度的11.4倍以上時(shí)，反應(yīng)過(guò)程將失去穩(wěn)定性。

(2)通道式氣化體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)，煤層氣化通道附近的氣樣中H和CO體積分?jǐn)?shù)高于煤層氣樣中，可以理解為通道壁面的還原反應(yīng)是H和CO的主要來(lái)源，CH體積分?jǐn)?shù)分布的總體趨勢(shì)是煤層氣樣中的CH體積分?jǐn)?shù)高于氣化通道附近氣樣中，說(shuō)明CH來(lái)源于煤層熱解，而非通道中的CH化反應(yīng)。

(3)從煤層和巖層交界面到20 cm高頂板處產(chǎn)生熱彌散作用，距煤層20～40 cm內(nèi)熱彌散作用明顯，彌散角為45°；頂板巖層中各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)均發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大集中應(yīng)力各點(diǎn)不同，但差別不大，約為0.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.0～2.5。沿通道方向上依次發(fā)生應(yīng)力集中，時(shí)間延后，但與煤層溫度場(chǎng)推進(jìn)方向一致。