煤炭地下气化的热环境下煤样内部构造变化及模型试验研究

苏发强^1,2,3，于光磊¹，高喜才²，范伟涛¹，荆士杰¹，浦海³，王伟林⁴

1. 河南理工大学能源科学与工程学院2. 西安科技大学省部共建西部煤炭绿色安全开发国家重点实验室3. 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室4. 山西潞安矿业(集团)有限责任公司

摘 要：煤炭地下气化（UCG）是一种将煤炭资源低碳化利用的技术,在中国的低碳经济下具有很好的前景。然而,全球煤炭地下气化经历几十年的现场试验,目前仍有许多待解决的问题。在煤炭地下气化过程中,气化区域随着煤层中裂纹和裂隙的扩展不断扩大,若不能有效监测和控制气化区域,将会引起煤层顶板岩层过度破坏,从而导致气体泄漏、地表沉陷和水污染等问题。为此,提出了以声发射活动参数及变化规律为基础评价气化过程中煤体的破裂及演化活动。利用板状和柱状煤样进行了一系列热履历试验,采用声发射（AE）监测和X射线扫描技术监测煤样加热前后的内部结构变化,研究温度、层理面与加热面方向对煤样破裂和裂隙扩展的影响。结果表明在对煤样表面加热的过程中,煤样表面及内部会产生许多裂纹和裂隙,并释放大量声发射信号;煤样的加热温度变化越快,声发射活性越高,产生的微裂纹越多;煤样内部产生微裂纹的方向与煤层理面趋向于平行。介绍了一种基于声发射活动参量的地下气化破裂区标定模型试验。分别测定了气化过程中的温度分布、声发射活动、气化煤气成分和气化煤量等。揭示了气化条件下煤体内部裂隙产生演化与声发射的内在联系,证明了声发射监测技术能够达到对气化过程中煤岩体破裂及演化区域进行预测及评价的目的。

关键词：煤炭地下气化;结构变化;煤岩破裂;裂纹扩展;声发射;