郝鵬程，王創(chuàng)業(yè)，劉 猛，曹望坤，李 翔，袁淑霞，吳 松，齊文嬌

(1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100028；2.中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司,北京 100095；3.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,陜西西安 710065)

為合理開(kāi)發(fā)和保護(hù)煤炭資源，提高煤炭資源利用率，根據(jù)《中華人民共和國(guó)煤炭法》[1]，在煤炭開(kāi)采、利用過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行回采率的監(jiān)督考查。國(guó)家發(fā)改委2013 年1 月施行的《生產(chǎn)煤礦回采率管理暫行規(guī)定》[2]第10 條指出，采區(qū)回采率=采區(qū)采出煤量(t)/采區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量(t)×100%。采區(qū)采出煤量是指采區(qū)內(nèi)所有工作面采出煤量與掘進(jìn)煤量之和，采區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量指采區(qū)采出煤量與損失煤量之和。GB 50215—2015《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]及GB/T 31089—2014《煤礦回采率計(jì)算方法及要求》[4]中規(guī)定了不同類型煤礦的回采率最小值。

常規(guī)煤炭開(kāi)采中提高回采率的方法已相對(duì)成熟[5-8]，但煤炭地下氣化是一種新型的化學(xué)采煤技術(shù)，是對(duì)中深層煤炭資源的開(kāi)發(fā)利用[9-11]。與常規(guī)煤炭開(kāi)采不同，煤炭地下氣化不是工作面形成后再向回開(kāi)采，顯然無(wú)法以回采率來(lái)衡量資源利用率。在煤炭地下氣化這個(gè)全新的領(lǐng)域里，采收率尚缺乏評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)研究也很少，僅有LI 等[12]根據(jù)剩余煤柱寬度方面探討了提高煤炭地下氣化采收率問(wèn)題。

結(jié)合煤炭采區(qū)回采率和油田原油采收率(采出原油數(shù)量與油藏原始地質(zhì)儲(chǔ)量之比)，將煤炭地下氣化采收率定義為氣化煤用量與動(dòng)用煤炭資源量之比。煤炭地下氣化的最終產(chǎn)品是氣體，氣體的產(chǎn)量不但與氣化用煤有關(guān)，還與注入的氣體有關(guān)，這部分對(duì)應(yīng)煤炭采出后的地上氣化過(guò)程中的煤氣產(chǎn)率、氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率等參數(shù)，煤炭地下氣化采收率評(píng)價(jià)的是資源的采收率，只與氣化的煤量有關(guān)。事實(shí)上參與氣化的煤量也隨反應(yīng)工況發(fā)生變化，基于強(qiáng)度和滲透性臨界條件計(jì)算的是該工況下所能達(dá)到的最大采收率。

根據(jù)地質(zhì)評(píng)價(jià)與選址[13-14]、氣化爐建造以及煤層厚度確定氣化腔尺寸[15-16]，建立氣化爐之間煤墻分析模型，根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則和滲透率準(zhǔn)則，確定滿足強(qiáng)度和滲透性要求的最小煤墻厚度，根據(jù)氣化腔體積及動(dòng)用資源體積計(jì)算采收率。在此基礎(chǔ)上研究不同形狀氣化腔、不同厚度煤層可達(dá)到的最大采收率。

1 煤炭地下氣化采收率理論分析

1.1 煤炭地下氣化采收率影響因素分析

影響煤炭地下氣化采收率的主要因素包括：

(1)煤層和巖層物性，主要指煤炭資源賦存條件的限制，物性包括煤層在不同溫度下的強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)等；賦存條件指巖層頂板等地質(zhì)構(gòu)造、煤層結(jié)構(gòu)、煤層厚度等。

(2)煤炭地下氣化過(guò)程中的氣化腔結(jié)構(gòu)和位置設(shè)計(jì)，預(yù)留煤墻尺寸、氣化腔的形狀、大小等。

1.2 強(qiáng)度準(zhǔn)則

強(qiáng)度準(zhǔn)則又稱破壞準(zhǔn)則，即在某一應(yīng)力或組合應(yīng)力的作用下，材料產(chǎn)生破壞的判據(jù)。強(qiáng)度不足引起的失效現(xiàn)象主要?dú)w結(jié)為屈服和斷裂兩大類型[17]。巖石力學(xué)研究表明，巖石破壞有2 種基本類型：一是脆性破壞，它的特點(diǎn)是巖石達(dá)到破壞時(shí)不產(chǎn)生明顯的變形；二是塑性破壞，破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形而不呈現(xiàn)明顯的破壞面。通常認(rèn)為，巖石的脆性破壞是由于應(yīng)力條件下巖石中裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展的結(jié)果；而塑性破壞通常是在塑性流動(dòng)狀態(tài)下發(fā)生的，因組成物質(zhì)顆粒間相互滑移所致[18]。目前巖石的強(qiáng)度理論多數(shù)是從應(yīng)力的觀點(diǎn)來(lái)考察材料破壞，具有代表性的有Mohr-Coulomb(莫爾-庫(kù)倫)強(qiáng)度準(zhǔn)則、Drucker-Prager(德魯克-普拉格)準(zhǔn)則(簡(jiǎn)稱D-P 巖石破壞準(zhǔn)則)和Griffith(格里菲斯)強(qiáng)度準(zhǔn)則。本文采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則作為煤層失效判據(jù)。Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則是建立在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(單軸壓縮和三軸壓縮)統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)之上，其基本思想為：巖石不是在簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生破壞，而是在不同的正應(yīng)力和剪應(yīng)力組合作用下發(fā)生破壞進(jìn)而喪失承載能力，并認(rèn)為巖石材料的破壞屬于剪切破壞，即在剪應(yīng)力與正應(yīng)力綜合作用下喪失承載能力。Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則可以用莫爾極限應(yīng)力圓直觀地表示。

如圖1 所示(圖中，σ1和σ3分別為最大和最小主應(yīng)力；θ為剪切面與最小主應(yīng)力σ3之間的夾角；σ為正應(yīng)力；τ為剪應(yīng)力)，在σ-τ坐標(biāo)系中Mohr-Coulomb 強(qiáng)度包絡(luò)線的表達(dá)式為

圖1 Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則及破壞面Fig.1 Failure criterion of Mohr-Coulomb and Mohr strength

式中，τf為正應(yīng)力σ作用下的極限剪應(yīng)力，MPa；c為該類巖石的黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

式(1)在τ-σ平面上是一條曲線，即在不同應(yīng)力狀態(tài)下達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力圓的包絡(luò)線。根據(jù)Mohr-Coulomb 強(qiáng)度理論，在判斷材料內(nèi)某點(diǎn)處于復(fù)應(yīng)力狀態(tài)下是否破壞時(shí)，只要在τ-σ平面上作出該點(diǎn)的莫爾應(yīng)力圓。如果所作應(yīng)力圓在莫爾包絡(luò)線以內(nèi)，則通過(guò)該點(diǎn)任何面上的剪應(yīng)力都是小于相應(yīng)面上的抗剪強(qiáng)度，說(shuō)明該點(diǎn)沒(méi)有破壞。如果所繪應(yīng)力圓剛好與包絡(luò)線相切，則通過(guò)該點(diǎn)有一對(duì)平面上的剪應(yīng)力剛好達(dá)到相應(yīng)面上的抗剪強(qiáng)度，該點(diǎn)開(kāi)始破壞，或者稱之為處于極限平衡狀態(tài)。

1.3 煤層滲透率計(jì)算方法

根據(jù)達(dá)西定律，煤層的滲透率可表示為

式中，K為煤層滲透率，m2；Q為滲透量，m3/s；μ為滲透流體的黏度，Pa·s；L為煤墻厚度，m；A為通流面積，m2；Δp為煤墻兩側(cè)壓差，Pa。

根據(jù)式(2)計(jì)算所選煤墻厚度下一定孔隙率煤層不同氣化腔每天的泄漏量。根據(jù)強(qiáng)度分析和滲透率分析結(jié)果確定的氣化腔計(jì)算采收率。

1.4 煤炭地下氣化采收率計(jì)算方法

在煤炭地下氣化過(guò)程中，煤炭采出量可以理解為參與氣化的煤，即氣化腔的總體積。則煤炭地下氣化的采收率可表示為氣化腔的體積與采區(qū)煤層體積之比，即

當(dāng)存在落煤時(shí)，采區(qū)采收率表示為

2 基于強(qiáng)度和滲透率分析的最小煤墻厚度計(jì)算

煤炭地下氣化產(chǎn)生可燃性或腐蝕性氣體，一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)污染地下水和影響地層結(jié)構(gòu)，因此氣化腔結(jié)構(gòu)需滿足滲透性要求。而強(qiáng)度是保持氣化腔結(jié)構(gòu)完整性的重要指標(biāo)，氣化腔頂?shù)装?、氣化腔之間的煤墻必須滿足強(qiáng)度要求[19-21]，反之，輕者會(huì)造成氣化腔泄漏，重者會(huì)造成氣化腔坍塌，發(fā)生事故。因此從強(qiáng)度和滲透率2 個(gè)方面研究最小煤墻厚度。

2.1 最小煤墻厚度有限元分析

2.1.1模型及網(wǎng)格劃分

采用有限元法進(jìn)行強(qiáng)度分析，根據(jù)巖石材料失效準(zhǔn)則判定煤墻最小安全厚度。煤炭地下氣化的氣化腔多為梨形連續(xù)腔或梨形單腔(圖2)，如果氣化腔較長(zhǎng)，將會(huì)有很長(zhǎng)的圓柱段，圓柱形腔比梨形腔強(qiáng)度更弱，選擇圓柱形腔進(jìn)行強(qiáng)度分析，建立圖3 所示的強(qiáng)度分析模型，圖3 中氣化腔直徑為24 m，氣化腔長(zhǎng)度為60 m，煤墻距離根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果確定。采用間接耦合方法進(jìn)行數(shù)值模擬，首先進(jìn)行熱分析，選擇8 節(jié)點(diǎn)六面體Solid 278 單元，該單元具有溫度自由度，最終輸出節(jié)點(diǎn)溫度。劃分網(wǎng)格如圖3 所示(2 種顏色分別代表不同材料)。熱分析結(jié)束后，得到所有節(jié)點(diǎn)的溫度，同時(shí)需要將網(wǎng)格單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析單元，采用鋼筋混凝土單元Solid 65，該單元作為混凝土使用時(shí)可在3 個(gè)方向分別配筋，而作為煤炭等巖石力學(xué)分析時(shí)不配鋼筋。單元轉(zhuǎn)化完成后，將節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加于強(qiáng)度分析單元上，再施加強(qiáng)度分析所需邊界條件。

圖2 煤炭地下氣化梨形氣化腔Fig.2 Pear-shaped gasification chambers of underground coal gasification

圖3 煤墻強(qiáng)度分析模型Fig.3 Modelling of strength analysis

通過(guò)劃分不同數(shù)量網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出網(wǎng)格密度對(duì)溫度場(chǎng)分布幾乎無(wú)影響，對(duì)最高應(yīng)力略有影響，但隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，最高應(yīng)力趨于穩(wěn)定。例如當(dāng)氣化腔直徑為24 m，煤墻厚度為5 m，壓力為6 MPa，地層溫度為350 K，氣化溫度為1 300 K，兩氣化腔同時(shí)氣化時(shí)，不同網(wǎng)格密度下的最高溫度和最大Von mises 應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)表1。選擇網(wǎng)格數(shù)為268 000進(jìn)行計(jì)算。

表1 不同網(wǎng)格密度最高溫度和最大Von mises 應(yīng)力對(duì)比Table 1 Comparison of maximum temperature and maximum Von mises stress for different mesh quantities

2.1.2材料屬性及本構(gòu)方程

分別指定煤炭和巖石的材料屬性?？紤]溫度影響的煤力學(xué)分析材料屬性包括密度、彈性模型、泊松比、線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、非線性本構(gòu)方程、破壞準(zhǔn)則等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，煤的密度以視密度表示，為1 350 kg/m3、彈性模量和泊松比分別為3.133 GPa和0.36、線膨脹系數(shù)取6.435×10-6℃-1、熱導(dǎo)率為1.2 W/(m·K)、非線性本構(gòu)方程采用Drucker-Prager模型，Drucker-Prager 模型需要給定材料的黏聚力、內(nèi)摩擦角和膨脹角。其中的膨脹角用于控制體積膨脹大小，在巖土工程中，一般密實(shí)砂土和超強(qiáng)固結(jié)土在發(fā)生剪切時(shí)會(huì)由于顆粒重新排列而出現(xiàn)體積膨脹；而一般砂土或正常固結(jié)的土體，只會(huì)發(fā)生剪縮，煤炭結(jié)構(gòu)也適用于該情況，因此膨脹角設(shè)置為0°。根據(jù)文獻(xiàn)[22]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，煤的黏聚力及抗拉強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增加，當(dāng)圍壓為10 MPa 時(shí)，煤的黏聚力為13 MPa，內(nèi)摩擦角為21.4°，抗拉強(qiáng)度極限為1.15 MPa，抗壓強(qiáng)度極限為60.7 MPa，抗剪強(qiáng)度極限為21 MPa。因煤炭為脆性材料，在拉力作用下容易開(kāi)裂，而壓力過(guò)大也會(huì)被壓碎。鑒于研究目的是確定滿足強(qiáng)度要求的最小煤墻厚度，并非進(jìn)行極限分析，不考慮壓碎情況，關(guān)閉壓碎選項(xiàng)。為防止拉力作用下的破壞，考慮開(kāi)裂情況，并假設(shè)裂紋張開(kāi)時(shí)的剪切傳遞系數(shù)是0.4，裂紋閉合時(shí)的剪切傳遞系數(shù)是0.9，根據(jù)文獻(xiàn)[23]確定煤的單軸起裂強(qiáng)度為9.8 MPa。

2.1.3邊界條件

考慮氣化過(guò)程的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及地層應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度分析。煤炭地下氣化是在高溫下的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，溫度的影響不可忽略，采用熱-應(yīng)力耦合分析，首先進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，再把溫度場(chǎng)分析后的節(jié)點(diǎn)溫度施加于強(qiáng)度分析模型，進(jìn)行煤層受力強(qiáng)度分析。氣化腔頂部和底部按地層壓力和溫度計(jì)算，熱分析時(shí)4 個(gè)側(cè)面為絕熱邊界，強(qiáng)度分析2 個(gè)側(cè)面為對(duì)稱邊界，前后表面約束位移。氣化腔軸向溫度按線性變化，所施加邊界條件見(jiàn)表2，共包含46 種工況。其中對(duì)稱邊界代表2 個(gè)氣化腔同時(shí)氣化，非對(duì)稱邊界代表一個(gè)氣化腔冷卻之后進(jìn)行另一氣化腔的氣化。

表2 計(jì)算工況Table 2 Working conditions

2.2 煤墻應(yīng)力分析

2.2.1直徑24 m 對(duì)稱工況

當(dāng)氣化腔直徑為24 m，若兩腔同時(shí)氣化時(shí)，所選區(qū)域的溫度場(chǎng)分布如圖4 所示，氣化腔內(nèi)溫度在軸向方向呈梯度變化，最高溫度為1 027 ℃。中間煤墻溫度較高。

圖4 溫度場(chǎng)分布Fig.4 Distribution of temperature

根據(jù)圖4 所示的溫度場(chǎng)分布及前述邊界條件進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到所選區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布。計(jì)算結(jié)果包括每個(gè)方向正應(yīng)力、剪應(yīng)力、3 個(gè)主應(yīng)力、第三強(qiáng)度理論等效應(yīng)力、第四強(qiáng)度理論等效應(yīng)力等。通過(guò)應(yīng)力云圖無(wú)法直觀顯示Mohr-Coulomb 強(qiáng)度理論等巖石材料等效應(yīng)力，但第四強(qiáng)度理論(Von mises)等效應(yīng)力體現(xiàn)了3 個(gè)主應(yīng)力的綜合影響，可以表現(xiàn)出多向應(yīng)力條件下材料的應(yīng)力分布情況。對(duì)比了不同煤墻厚度情況下腔內(nèi)壓力為6 MPa 時(shí)的Von mises 等效應(yīng)力分布情況，如圖5 所示?？梢?jiàn)在內(nèi)壓力作用下氣化腔周?chē)膽?yīng)力分布基本呈蝶形，兩腔之間的煤墻處應(yīng)力較高，尤其是煤墻較窄時(shí)。隨著煤墻厚度的增加，最大應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)移至頂層巖板和底層巖板接觸處，但由于巖板的保護(hù)，該處不會(huì)導(dǎo)致破壞，最危險(xiǎn)截面仍為煤墻中心處。

圖5 不同煤墻厚度等效應(yīng)力對(duì)比Fig.5 Comparison of von Mises stress for different wall thickness

根據(jù)Mohr-Coulumb 準(zhǔn)則對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定，選取每個(gè)計(jì)算模型的煤墻中間位置作為分析面，寬度為整個(gè)煤墻厚度，高度和長(zhǎng)度各為2 m 計(jì)算3 個(gè)方向的主應(yīng)力，畫(huà)出應(yīng)力圓。不同厚度煤墻的氣化腔結(jié)構(gòu)在不同壓力下σ-τ平面的應(yīng)力圓如圖6 所示。在工作壓力為6 MPa 時(shí)不同厚度煤墻氣化腔的應(yīng)力圓如圖7 所示。應(yīng)力圓與σ軸的右側(cè)交點(diǎn)為σ1(第1 主應(yīng)力)，左側(cè)交點(diǎn)為σ3(第3 主應(yīng)力)，半徑為(σ1-σ3)/2。圖6 中截距c為材料的黏聚力，煤的黏聚力隨著圍壓的增加而增加，無(wú)煙煤在圍壓10 MPa 下的黏聚力為13 MPa；夾角φ為內(nèi)摩擦角，無(wú)煙煤的內(nèi)摩擦角為21.4°，由截距c和內(nèi)摩擦角φ確定的線為包絡(luò)線。應(yīng)力圓在包絡(luò)線以下代表按照Mohr-Coulumb 準(zhǔn)則材料不會(huì)發(fā)生破壞，與包絡(luò)線相切代表臨界狀態(tài)，與包絡(luò)線相割代表材料發(fā)生破壞。

圖6 不同壓力下不同厚度煤墻莫爾強(qiáng)度對(duì)比Fig.6 Comparison of Mohr strength of different wall thickness under different pressure

圖7 6 MPa 下不同厚度煤墻莫爾強(qiáng)度對(duì)比Fig.7 Comparison of Mohr strength of different wall thickness under the pressure of 6 MPa

從圖6 可以看出，對(duì)于兩氣化腔溫度壓力完全相同工況，氣化腔壓力越接近地層壓力，應(yīng)力圓越小，代表越安全；氣化腔壓力與地層壓力相差越大，應(yīng)力圓越大，煤墻越容易破壞；當(dāng)氣化腔壓力高于地層壓力時(shí)，即圖6(c)、(d)中12 MPa 情況，應(yīng)力圓嚴(yán)重左移，有可能出現(xiàn)拉應(yīng)力，使得煤層更容易出現(xiàn)裂紋。由圖7 可以看出，工作壓力相同時(shí)，不同厚度煤墻的σ3相同，但σ1隨著煤墻厚度的增加而減小，應(yīng)力圓半徑也隨之減小，代表煤墻越安全。

當(dāng)煤墻厚度為2 m 時(shí)，氣化腔壓力為4 和6 MPa時(shí)應(yīng)力圓與包絡(luò)線相割，而煤墻厚度為3 m 時(shí)，氣化腔壓力為4 MPa 時(shí)應(yīng)力圓與包絡(luò)線相割，實(shí)際操作中應(yīng)根據(jù)應(yīng)力圓與包絡(luò)線相對(duì)位置確定煤墻厚度。

2.2.2直徑24 m 非對(duì)稱工況

英譯：http://en.dpm.org.cn/collections/collections/2009-10-16/837.html

煤炭地下氣化過(guò)程中，通常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)氣化腔氣化完成后再進(jìn)行下一個(gè)腔的氣化情況，極端情況是假設(shè)氣化完成的腔已冷卻至地層溫度。假設(shè)第1 個(gè)腔的壓力與地層壓力相同，溫度為地層壓力，研究第2個(gè)腔在工作溫度下壓力分別為4、6、8 和10 MPa 時(shí)煤墻的應(yīng)力狀態(tài)。各工況下的應(yīng)力圓如圖8 所示。

圖8 煤墻厚度4 m 非對(duì)稱工況不同壓力下的應(yīng)力圓Fig.8 Comparison of asymmetrical Mohr’s stress circle of wall with the thickness of 4 m under different pressure

由圖8 可以看出，應(yīng)力圓直徑先隨著工作壓力的增加而縮小，進(jìn)而隨著工作壓力的增加而增大。尤其是當(dāng)工作壓力大于8 MPa 后，應(yīng)力圓出現(xiàn)左移現(xiàn)象，意味著拉應(yīng)力的出現(xiàn)。盡管圖8 中當(dāng)工作壓力為10 MPa 時(shí)所有平均應(yīng)力仍均為壓應(yīng)力，但輸出所有點(diǎn)的應(yīng)力發(fā)現(xiàn)已有部分節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為拉應(yīng)力，并且在煤墻中間部位已出現(xiàn)了裂紋(圖9)，因此煤墻厚度為4 m已無(wú)法適用于該工況，將煤墻厚度增加到5 m 后強(qiáng)度滿足要求。

圖9 煤墻中出現(xiàn)裂紋Fig.9 Cracks appeared in the wall

2.2.3不同煤層厚度對(duì)比

由于煤層厚度的差異，氣化腔直徑也隨之變化。氣化腔直徑的改變將導(dǎo)致應(yīng)力圓發(fā)生變化。由圖10可以看出，當(dāng)氣化腔直徑為20 m、工作壓力為4 MPa時(shí)，煤墻厚度2 m 時(shí)應(yīng)力圓與包絡(luò)線相割，煤墻厚度為3 m 時(shí)應(yīng)力圓與包絡(luò)線相切，與圖6(a)、(b)相比，其安全性已大大提高。通過(guò)對(duì)氣化腔直徑為30、20、16 和12 m 進(jìn)行計(jì)算可知，當(dāng)氣化腔直徑為30 m 時(shí)，煤墻最小厚度需取為6 m 以上，氣化腔直徑為20 m和16 m 時(shí)，煤墻最小厚度可取為3 m，而氣化腔直徑為12 m 時(shí)，煤墻最小厚度可取為2 m。

圖10 直徑20 m、工作壓力4 MPa 時(shí)不同厚度煤墻應(yīng)力圓Fig.10 Mohr’s stress circle of different wall thickness under the pressure of 4 MPa for a gasification chamber with the diameter of 20 m

2.3 滲透率分析

根據(jù)式(2)所示的Darcy 定律可得煤層滲透量為

由文獻(xiàn)[17]，煤層滲透率隨著煤層壓力的升高而降低，具體關(guān)系如圖11 所示，可知當(dāng)?shù)貙訅毫?0 MPa 時(shí)，煤層滲透率為0.002×10-15m2。

圖11 滲透率與煤層壓力關(guān)系Fig.11 Relationship between permeability and pressure

按照最危險(xiǎn)工況，取滲透面積為D×60 m2(D為氣化腔直徑)，當(dāng)工作壓力為10 MPa，已完成氣化腔壓力為4 MPa 時(shí)2 者壓差最大，取Δpmax=6 MPa。L分別取2、3、4、5 和6 m。氣體在1 000 ℃、10 MPa 下的黏度為51.92 μPa·s。

表3 氣化腔直徑30 m、壓差6 MPa 時(shí)不同煤墻厚度滲透量Table 3 Permeability of different wall thicknesses under the gasification chamber diameter of 30 m and the pressure difference of 6 MPa

表4 不同直徑氣化腔壓差6 MPa、煤墻厚度2 m 滲透量Table 4 Permeability of different gasification chamber diameter under the pressure difference of 6 MPa with the wall thickness of 2 m

3 煤炭地下氣化采收率計(jì)算

3.1 煤炭地下氣化采收率計(jì)算方法

根據(jù)《生產(chǎn)煤礦回采率管理暫行規(guī)定》，生產(chǎn)煤礦采區(qū)回采率采用式(3)進(jìn)行計(jì)算。在煤炭地下氣化過(guò)程中，采出煤量可以理解為參與氣化的煤量，即氣化腔的總體積。則煤炭地下氣化的采收率可表示為氣化腔的體積與采區(qū)煤層體積之比。當(dāng)存在落煤時(shí)，采區(qū)采收率表示為式(4)。

3.2 不同條件下氣化腔的采收率計(jì)算

3.2.1氣化腔形狀定義

中深層煤炭地下氣化尚處于試驗(yàn)階段，氣化腔的具體形狀及其控制技術(shù)有待開(kāi)發(fā)，美國(guó)Lawrence Livermore National Laboratory 提出注入點(diǎn)可控后退(CRIP)技術(shù)，在氣化的同時(shí)控制注入點(diǎn)后退使得氣化腔擴(kuò)展，當(dāng)注入的氣化劑無(wú)法滿足氣化腔擴(kuò)展要求，氣化質(zhì)量開(kāi)始惡化時(shí)，控制注入管后退并重新點(diǎn)火形成新的氣化腔。根據(jù)加拿大天鵝山示范工程項(xiàng)目(Swan Hills Synfuels In Situ Coal Gasification Demonstration Project)的調(diào)查報(bào)告，其氣化腔形狀為梨形，類似圖12(c)。實(shí)際氣化過(guò)程，其結(jié)構(gòu)并非理想梨形結(jié)構(gòu)，而是類似香腸形狀，簡(jiǎn)化為圖12(b)所示圓柱形結(jié)構(gòu)，如果僅考慮圓柱段，氣化腔又可簡(jiǎn)化為圖12(a)所示的圓柱形結(jié)構(gòu)。分別研究了以上3 種形狀氣化腔的采收率。

圖12 3 種形狀氣化腔Fig.12 Three types of gasification chambers

在動(dòng)用煤炭區(qū)域內(nèi)取2 列氣化腔所占區(qū)域進(jìn)行研究，為滿足周期對(duì)稱邊界條件，氣化腔與壁面距離為兩氣化腔距離一半。考慮氣化腔為理想形狀，此時(shí)計(jì)算的采收率為該工況下最大采收率。根據(jù)幾何尺寸計(jì)算氣化腔的體積，最終采收率等于氣化腔體積/所選動(dòng)用煤炭區(qū)域體積。

3.2.2不同形狀氣化腔采收率計(jì)算結(jié)果分析

不同形狀氣化腔在不同煤墻厚度下的采收率見(jiàn)表5，通過(guò)煤墻強(qiáng)度分析，在一定溫度、壓力和氣化腔直徑下，存在最小煤墻厚度。

表5 不同形狀氣化腔采收率Table 5 Recovery rate of different gasification chambers

從表5 可以看出，圓柱形氣化腔的采收率略低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的厚煤層75%回采率的要求，且根據(jù)強(qiáng)度要求，氣化腔直徑較大而煤墻厚度較小時(shí)的工況為不安全工況，實(shí)際中不予采用，沒(méi)有采收率。帶錐段圓柱腔的采收率比圓柱腔略有降低。而梨形連續(xù)腔的采收率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求?？梢?jiàn)，一定煤墻厚度下氣化腔直徑越大采收率越高。但氣化腔直徑大也會(huì)削弱其強(qiáng)度，不得不采用更厚的煤墻。從表5 可以看出，當(dāng)氣化腔直徑為30 m 時(shí)，煤墻厚度需達(dá)到6 m 才能滿足各工況要求，而氣化腔直徑為12 m 時(shí)，煤墻厚度只需2 m 便可滿足要求。對(duì)于圓柱形氣化腔2 者在滿足強(qiáng)度要求的最小間距下采收率基本相等，但對(duì)于梨形氣化腔，氣化腔直徑的降低仍會(huì)導(dǎo)致采收率的大幅降低，即使煤墻厚度減小也無(wú)法彌補(bǔ)。

當(dāng)考慮氣化腔中存在20%殘?zhí)繒r(shí)，不同煤墻厚度時(shí)的采收率見(jiàn)表5 括號(hào)內(nèi)數(shù)值，其采收率率進(jìn)一步降低，連續(xù)梨形氣化腔的采收率甚至?xí)档?0%以下。

4 結(jié)論和意義

4.1 結(jié)論

(1)煤炭地下氣化的采收率與煤層及巖層在不同溫度下的物性、煤層賦存的地層條件、煤層厚度、預(yù)留煤墻厚度、氣化腔形狀、大小、是否有殘?zhí)坑嘘P(guān)。

(2)煤炭地下氣化的采收率在10%～65%，總體小于煤炭開(kāi)采的回采率。

(3)采收率圓柱形腔 ＞ 帶錐段的圓柱形腔 ＞ 梨形腔。

4.2 結(jié)果所體現(xiàn)的意義

由于煤炭地下氣化的固有特點(diǎn)，在氣化反應(yīng)過(guò)程中，氣化腔趨向于向圓形演化，形成圓柱形或梨形氣化腔，無(wú)法像煤炭開(kāi)采一樣形成方形通道，這也決定了即使沒(méi)有預(yù)留安全煤墻，其采收率也僅能達(dá)到75%，當(dāng)預(yù)留安全煤墻后，其采收率會(huì)進(jìn)一步降低。隨著煤墻厚度的增加，采收率逐漸降低，但煤墻厚度對(duì)厚煤層影響較小，對(duì)薄煤層影響較大。煤層厚度為30 m時(shí)，安全煤墻厚度從2 m 增加到6 m 其采收率僅降低8%，而厚度為12 m 的煤層，安全煤墻厚度從2 m 增加到6 m 其采收率降低15%。梨形連續(xù)腔的采收率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，尤其是考慮殘?zhí)看嬖跁r(shí)，其采收率甚至低于10%。

通過(guò)強(qiáng)度分析和滲透率分析，提出了新的煤炭地下氣化采收率的評(píng)價(jià)方法，由于國(guó)內(nèi)外尚未建立起煤炭地下氣化資源評(píng)價(jià)方法，本研究提出的方法可為創(chuàng)建煤炭地下氣化資評(píng)方法提供可利用率或可開(kāi)采率的評(píng)價(jià)方法。