面向覆岩含水层下地下气化中隔离煤柱与气化炉宽度设计
方法
技术领域
[0001] 本
发明设计一种地下气化中隔离煤柱与气化炉宽度设计方法，尤其适用于含水层下安全气化采煤时使用的
面向覆岩含水层下地下气化中隔离煤柱与气化炉宽度设计方法。技术背景
[0002] 发展
煤炭地下气化不仅是环境保护的需要也是煤炭行业未来发展的重要技术方向之一，同时对于提高我国
能源安全保障具有重要的意义。煤炭地下气化的本质不是将煤炭采出，而是将煤炭中所蕴含的
能量提取出来。1868年德国科学家Sir William基于这种理念首次提出了将煤炭在原地进行地下气化的设想。此后，苏联、美国、澳大利亚等多个国家对煤炭地下气化工艺进行了研究。但该阶段气化工艺存在气化钻孔多、气化炉成本高及对地质水文要求高等缺点。直到1976年，美国劳伦斯利佛莫尔国家实验室提出了一种名为受控注入点后退气化工艺(简称CRIP)，该工艺属于无井式地下气化工艺，极大的促进了煤炭地下气化的发展。我国煤炭地下气化研究起步较晚，直到上个世纪80年代末，才开始煤炭地下气化实验；并利用现有煤矿的废弃煤巷，研发了“长通道、大断面、两阶段”的有井式地下气化工艺。此后，我国的煤炭地下气化发展迅速，特别是2011～2014年，新奥气化采煤技术有限公司、中国矿业大学承担完成了国家高技术研究发展计划(863计划)项目“煤炭地下气化产业化关键技术”研究与工业性试验，提出了条采-面采后退式控制注气地下气化工艺，使我国在无井式煤炭地下气化工艺取得了重要进展。
[0003] 为了确保地下气化工业性实验的成功，试验区规模相对较小、气化面间隔离煤柱相对较大，试验中较好地保证了气化炉和燃空区围岩的
稳定性，没有导致明显的岩层破断及其与含水层的水
力联系。但是随着推广应用和气化规模扩大，燃空区覆岩裂隙导致
地下水侵入气化炉将成为制约该项技术推广应用的核心
瓶颈问题。特别是随着燃空区的扩展，气化通道顶板悬露面积不断增大，在气化炉高温热
应力和上覆岩层的重力作用下可能发生破断。当裂隙发育至含水层时，将会造成地下
水体污染和地下水侵入气化炉，降低气化效率甚至造成气化炉报废；当裂隙发育至地表时，还将会造成气化有毒气体涌出污染矿区大气环境。因此，如何合理设计条采-面采后退式控制注气地下气化中气化炉与隔离煤柱宽度控制导水裂隙发育和保护覆岩含水层是该工艺推广应用面临的瓶颈难题之一。
[0004] 很多学者围绕常规井工开采覆岩裂隙发育高度计算模型开展了大量的研究工作，并针对不同情况建立了相应的计算模型，已经形成了比较成熟的煤矿开采覆岩裂隙发育高度预测理论和方法。早在上世纪80年代，为了满足水体下采煤的需要，我国学者基于大量实测资料，总结建立了导水裂隙带发育高度的经验公式，并在多次修订后沿用至今，这也是目前实际应用最广泛的预测方法。近年来，还有不少学者根据具体问题建立了相应的覆岩裂隙发育高度计算模型。例如许家林发现覆岩主关键层
位置是影响导水裂隙带发育的关键因素，在此
基础上提出了基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法。张吉雄利用UDEC数值模拟
软件分别就不同采高、不同充实率条件下导水裂隙带高度进行模拟分析，建立了充填开采导水裂隙带高度预计公式，最后与实测结果进行了对比，取得较好的预计结果。黄炳香认为厚岩层的断裂程度是决定岩层是否导水导气的关键，并提出了
岩石贯通度的概念，并对覆岩破断裂隙的贯通度进行了力学分析，以此为基础提出了导水裂隙带发育高度的计算方法。赵兵朝结合岩层
中间层和导水裂缝带广义损伤因子的定义，导出了开采厚度、基岩厚度、
载荷层厚度和导水裂缝带广义损伤因子之间的关系，简化了导水裂缝带高度计算方法。杨国勇结合大量生产实践，提出了基于层次分析-模糊
聚类分析法的导水裂隙发育高度计算方法。上述研究成果为条采-面采后退式控制注气地下气化燃空区覆岩裂隙发育高度计算方法建立提供了重要参考。然而目前对于覆岩含水层下条采-面采后退式控制注入地下气化中气化炉与隔离煤柱宽度如何设计尚未有相关研究。因此，目前缺少覆岩水层下条采-面采后退式控制注气地下气化中隔离煤柱与气化炉宽度设计方法。
发明内容
[0005] 针对上述问题，提供了一种步骤简单且能切实解决了地下气化中隔离煤柱与气化炉设计及如何保护上覆含水层难题的面向覆岩含水层下地下气化中隔离煤柱与气化炉宽度设计方法。
[0006] 为了实现上述技术目的，本发明的面向覆岩含水层下地下气化中隔离煤柱与气化炉宽度设计方法，其步骤为：
[0007] a根据气化区域的水文地质资料及含水层位置，确定防水煤岩柱的最大高度；
[0008] b利用计算得到的保护层厚度确定研究区域气化采煤导水裂隙带发育的限值；
[0009] c利用采集到的气化区域地质资料及各岩层力学参数基于数值模拟方法建立条采-面采后退式控制注气地下气化数值模型，数值模型中设计隔离煤柱宽度为4m～35m、气化炉宽度为4m～35m，将所有气化炉宽度与隔离煤柱宽度组合形成一组数据并排列所有组合数据，利用数值模型计算不同隔离煤柱与气化炉宽度数据组下导水裂隙带的高度，将所有导水裂隙带发育高度数据与气化炉宽度、隔离煤柱宽度数据组进行对应匹配，从而获得进而获得条采-面采后退式控制注气地下气化导水裂隙带发育高度和气化炉宽度、隔离煤柱宽度数据组的关系；
[0010] d最后根据研究区域已知的导水裂隙带发育限值，结合条采-面采后退式控制注气地下气化导水裂隙带发育高度和隔离煤柱宽度、气化炉宽度数据组的关系，结合已确定的导水裂隙带发育的限值，根据得到的导水裂隙带发育高度与隔离煤柱宽度和气化炉宽度的关系，选出最接近限值并小于限值的导水裂隙带高度数值匹配的隔离煤柱与气化炉宽度数据组合即为最佳气化区域条采-面采后退式控制注气地下气化的隔离煤柱与气化炉宽度，完成设计。
[0011] 具体步骤为：
[0012] 步骤1：针对进行覆岩含水层下气化采煤区域，收集拟气化采煤区域水文地质资料、钻孔示意图等资料，明确拟气化区域覆岩的含水层和隔水层的位置，进而根据含水层的位置确定防水煤岩柱的最大高度H防，保证防水煤岩柱的最大高度H防小于
煤层到含水层的距离；所述防水煤岩柱是指为确保水体下安全采煤而设计的煤层开采上限至水体底部的煤、岩体；
[0013] 步骤2：根据《
建筑物、水体、
铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中防水煤岩柱留设的保护层厚度计算公式，结合拟气化区域的地质采矿条件及覆岩岩性，计算气化区域的保护层厚度H保进而得到拟气化区域的导水裂隙带的限值H导限＝H防-H保；
[0014] 步骤3：根据拟气化区域地质采矿条件、工作面分布情况、地应力监测结果以及不同
温度下岩石力学参数变化规律资料，使用ANSYS软件建立条采-面采后退式控制注气地下气化数值模型，进行网格划分，将建立的条采-面采后退式控制注气地下气化数值模型导入FLAC3D计算获取导水裂隙带发育高度，由于煤炭地下气化燃空区围岩存在高温效应，因此对研究区域煤层
底板15m、煤层宽度10m及顶板20m范围内的岩层进行力学实验，获取拟气化区域底板、原煤及顶板的抗压强度、
抗拉强度、30°～1000°间内聚力随温度的变化规律，并利用数学表达式显示抗压强度、抗拉强度及内聚力与温度的关系，结合围绕温度场分布规律利用fish语言将抗压强度、抗拉强度及内聚力与温度的关系嵌入到FLAC3D模型计算导水裂缝带高度中，最后利用应力分析法确定地下气化导水裂隙发育带的高度；
[0015] 设计隔离煤柱宽度为4m～35m、气化炉宽度为4m～35m，根据模拟方案利用建立的数值模型计算不同气化炉与隔离煤柱宽度下条采-面采后退式控制注气地下气化的导水裂隙带高度H1，H2，H3，…Hn，从而确定条采-面采后退式控制注气地下气化导水裂隙带发育高度和气化炉与隔离煤柱宽度的关系；
[0016] 步骤4：将拟气化区域导水裂隙带发育高度的限值H导限与不同气导水裂隙带发育高度H1，H2，H3，…Hn逐一进行比较，选择出满足Hi≤H导限且最接近指标H导限的数据，Hi为最佳值，同时根据最佳值Hi
选定条采-面采后退式控制注气地下气化的气化炉和隔离煤柱宽度，进而完成覆岩含水层下条采-面采后退式控制注气地下气化中隔离煤柱与气化炉宽度的设计。
[0017] 在缓倾斜和倾斜煤层开采条件下防水安全煤岩柱中的保护层厚度根据下表中的数值选取：
[0018]
[0019] 表格中A为煤层厚度。
[0020] 有益效果：
[0021] 本发明考虑了条采-面采后退式控制注气地下气化燃空区围岩高温效应，兼顾导水裂隙带发育控制和覆岩含水层保护，创造性的提出了覆岩含水层下条采-面采后退式控制注气地下气化生产设计方法，解决了条采-面采后退式控制注气地下气化推广应用中气化炉与隔离煤柱宽度设计以及如何控制导水裂隙发育、保护覆岩含水层难题，其步骤简单，运算量小，对于覆岩含水层下气化采煤设计、导水裂隙发育控制以及覆岩含水层保护等均具有重要的实际意义和应用价值。
附图说明
[0022] 图1为本发明实施的覆岩含水层下地下气化中隔离煤柱与气化炉宽度设计流程图。
[0023] 图2(a)为乌兰察布矿条采-面采后退式控制注气地下气化场岩层抗压强度与高温的关系附图。
[0024] 图2(b)为乌兰察布矿条采-面采后退式控制注气地下气化场岩层
弹性模量与高温的关系附图。
[0025] 图3为乌兰察布矿条采-面采后退式控制注气地下气化场燃空区横断面温度场分布规律。
具体实施方式
[0026] 下面将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明：
[0027] 图如1所示，面向覆岩含水层下地下气化中隔离煤柱与气化炉宽度设计方法，其步骤在于：
[0028] a根据气化区域的水文地质资料及含水层位置，确定防水煤岩柱的最大高度；
[0029] b利用计算得到的保护层厚度确定研究区域气化采煤导水裂隙带发育的限值；
[0030] c利用采集到的气化区域地质资料及各岩层力学参数基于数值模拟方法建立条采-面采后退式控制注气地下气化数值模型，数值模型中设计隔离煤柱宽度为4m～35m、气化炉宽度为4m～35m，将所有气化炉宽度与隔离煤柱宽度组合形成一组数据并排列所有组合数据，利用数值模型计算不同隔离煤柱与气化炉宽度数据组下导水裂隙带的高度，将所有导水裂隙带发育高度数据与气化炉宽度、隔离煤柱宽度数据组进行对应匹配，从而获得进而获得条采-面采后退式控制注气地下气化导水裂隙带发育高度和气化炉宽度、隔离煤柱宽度数据组的关系；不同的气化炉宽度和隔离煤柱宽度会对应一个导水裂隙带高度。比如气化炉宽度4m、隔离煤柱宽度5m，会有一个导水裂隙带高度h1；气化炉宽度4m、隔离煤柱宽度5m，会也有一个导水裂隙带高度h2；气化炉宽度5m、导水裂隙带宽度5m，也会有一个导水裂隙带高度h3。
[0031] d最后根据研究区域已知的导水裂隙带发育限值，结合条采-面采后退式控制注气地下气化导水裂隙带发育高度和隔离煤柱宽度、气化炉宽度数据组的关系，结合已确定的导水裂隙带发育的限值，根据得到的导水裂隙带发育高度与隔离煤柱宽度和气化炉宽度的关系，选出最接近限值并小于限值的导水裂隙带高度数值匹配的隔离煤柱与气化炉宽度数据组合即为最佳气化区域条采-面采后退式控制注气地下气化的隔离煤柱与气化炉宽度，完成设计。
[0032] 一种覆岩含水层下地下气化中隔离煤柱与气化炉宽度设计方法，步骤为：
[0033] a根据气化区域的水文地质资料及含水层位置，确定防水煤岩柱的最大高度；
[0034] b利用计算得到的保护层厚度确定研究区域气化采煤导水裂隙带发育的限值；
[0035] c同时基于数值模拟方法利用采集到的气化区域地质资料及各岩层力学参数，建立条采-面采后退式控制注气地下气化数值模型，设计隔离煤柱宽度为4m～35m，数值模型依次输入：4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m、12m、13m、14m、15m、16m、17m、18m、19m、20m、21m、22m、23m、24m、25m、26m、27m、28m、29m、30m、31m、32m、33m、34m、35m，及气化炉宽度为4m～
35m：4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m、12m、13m、14m、15m、16m、17m、18m、19m、20m、21m、22m、
23m、24m、25m、26m、27m、28m、29m、30m、31m、32m、33m、34m、35m的设计方案，利用建立的条采-面采后退式控制注气地下气化数值模型计算不同隔离煤柱与气化炉宽度下导水裂隙带的高度，进而确定条采-面采后退式控制注气地下气化导水裂隙带发育高度和气化炉与隔离煤柱宽度的关系；
[0036] d最后根据研究区域确定的导水裂隙带发育限值，结合条采-面采后退式控制注气地下气化导水裂隙带发育高度和隔离煤柱与气化炉宽度的关系，选定气化区域条采-面采后退式控制注气地下气化的隔离煤柱与气化炉宽度，进而完成覆岩含水层下条采-面采后退式控控制注气地下气化中隔离煤柱与气化炉宽度的设计。
[0037] 具体步骤为：
[0038] 步骤1：针对进行覆岩含水层下气化采煤区域，收集拟气化采煤区域水文地质资料、钻孔示意图等资料，明确拟气化区域覆岩的含水层和隔水层的位置，进而根据含水层的位置确定防水煤岩柱最大高度H防；防水煤岩柱是指为确保水体下安全采煤而设计的煤层开采上限至水体底部的煤、岩体。
[0039] 步骤2：根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中防水煤岩柱留设的保护层厚度计算公式，结合拟气化区域的地质采矿条件及覆岩岩性，计算气化区域的保护层厚度H保，进而得到拟气化区域的导水裂隙带的限值H导限＝H防-H保。在缓倾斜和倾斜煤层开采条件下防水安全煤岩柱中的保护层厚度可按表1中的数值选取。
[0040] 表1缓倾斜和倾斜煤层开采条件下防水安全煤岩柱的保护层厚度
[0041]
[0042] 保护层厚度的计算是根据上表计算，保护层厚度的计算就是覆岩性质及埋藏条件，进而确定保护层厚度是3A或4A或5A，其中A为煤层厚度。比如是松散层底部无粘土层的中硬条件，保护层厚度就是6A，如果煤厚是3米，那么保护层厚度就是18米；
[0043] 步骤3：根据拟气化区域地质采矿条件、工作面分布情况、地应力监测结果以及不同温度下岩石力学参数变化规律资料，使用ANSYS软件建立条采-面采后退式控制注气地下气化数值模型，进行网格划分，将建立的条采-面采后退式控制注气地下气化数值模型导入FLAC3D进行计算来获取导水裂隙带发育高度。考虑到煤炭地下气化燃空区围岩的高温效应，对地下气化区域的煤层底板及顶板的抗压强度及弹性模量进行了高温试验，获取了气化区域底板及顶板的的抗压强度与弹性模量随温度的变化规律，如图2所示。再结合条采-面采后退式控制注气地下气化试验场燃空区围岩温度场分布规律，如图3所示，利用fish语言将抗压强度、弹性模量与温度的关系嵌入到FLAC3D模型计算导水裂缝带高度中。同时利用应力分析法确定地下气化导水裂隙发育带的高度。
[0044] 设计隔离煤柱宽度为4m～35m：4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m、12m、13m、14m、15m、16m、17m、18m、19m、20m、21m、22m、23m、24m、25m、26m、27m、28m、29m、30m、31m、32m、33m、34m、
35m，及气化炉宽度为4m～35m：4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m、12m、13m、14m、15m、16m、17m、
18m、19m、20m、21m、22m、23m、24m、25m、26m、27m、28m、29m、30m、31m、32m、33m、34m、35m的设计方案，根据模拟方案利用建立的数值模型计算不同气化炉与隔离煤柱宽度下条采-面采后退式控制注气地下气化的导水裂隙带高度H1，H2，H3，…Hn。这样就可以确定条采-面采后退式控制注气地下气化导水裂隙带发育高度和气化炉与隔离煤柱宽度的关系。
[0045] 步骤4：将步骤2中得到的拟气化区域导水裂隙带发育高度的限值H导限与步骤3中得到的不同气化炉与隔离煤柱宽度下条采-面采后退式控制注气地下气化的导水裂隙带发育高度H1，H2，H3，…Hn逐一进行比较，选择出满足Hi≤H导限且最接近指标H导限的数据，同时根据最佳值Hi选定条采-面采后退式控制注气地下气化的气化炉和隔离煤柱宽度，进而完成覆岩含水层下条采-面采后退式控制注气地下气化中隔离煤柱与气化炉宽度的设计。
