煤炭地下气化相似模拟试验热固耦合数值模拟研究

李超^1,2，辛林^1,2，徐敏^1,2，李剑^1,2，韩立民^1,2，安明煜^1,2

1. 山东科技大学矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地2. 山东科技大学矿业与安全工程学院

摘 要：为研究煤炭地下气化过程中煤岩层温度、应力以及位移场的分布演化规律,采用COMSOL数值仿真软件对试验炉内的煤炭地下气化模拟试验进行了热固耦合数值模拟,在简化的燃空区扩展模型的基础上,将试验炉内垂直于气化通道走向的任一截面燃空区扩展的过程分为升温和降温2个阶段进行研究。通过拟合燃空区边界升温曲线,设置以温度为自变量的导热系数、弹性模量等物理参数,进行合理的热固耦合研究,得到更加接近真实情况的温度场、第一主应力场及垂直位移场分布情况。同时根据COMSOL瞬态研究的结果分析气化通道截面温度场、第一主应力场及垂直位移场的分布规律。结果表明:由于点火点位于煤层中部靠底板的位置,在点火之后直到燃空区边界扩展至最大扩展半径的一半之后的这段时间,传热对顶板的影响较小,热量主要在煤层和直接底内传播,且范围逐渐扩大。在这段时间,燃空区燃烧边界的移动是煤层和直接底出现部分温度较高区域的主要原因;在燃空区扩展的过程中,第一主应变主要产生于燃空区附近区域,主要集中在煤层和底板。当燃空区边界扩展至最大扩展半径的一半之后,煤岩层受主应变影响的区域范围变化不大,但在该区域中,燃空区圆弧形边界附近的应变量持续增加;在升温阶段,岩体受热膨胀,垂直位移整体呈向上趋势,且在模型中由下至上数值递增,由内向外数值递减。模拟结果有助于从热固耦合的角度研究地下气化过程对围岩的破坏。

关键词：煤炭地下气化;热固耦合;燃空区;围岩破坏;