[發明專利]一種煤巖單向受熱和雙向受力模擬實驗系統及方法

有效

• 申請號: 201810155320.2
• 申請日: 2018-02-23
• 公開（公告）號: CN108387712B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 辛林;程衛民;謝軍;宋玥;劉震;付海政;胡相明;劉晨
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24;G01N25/00;G01N3/00
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

本發明屬于煤炭開發技術領域，公開了一種煤巖單向受熱和雙向受力模擬實驗系統及方法,針對煤炭地下工作面反應界面煤巖體所處的單向受熱和雙向受力邊界條件，對煤巖樣在不同溫度水平下的單向加熱進行分析；通過XY方向上的雙向加壓螺桿對煤巖樣施加預緊力，模擬煤巖體所處的原巖應力狀態；根據反應區煤巖體的位置不同所受的溫度邊界條件不同，采用不同溫度水平對煤巖體進行單向對流換熱加熱，加熱時間依據火焰工作面的移動速度以及不同溫度水平的分布范圍值進行確定。本發明實現對試件樣品的單向加熱，可以監測試件樣品在單向傳熱過程中，XY雙向的熱膨脹應力變化；可以實時監測試件樣品剝落指標。

技術領域

本發明屬于煤炭開發技術領域，尤其涉及一種煤巖單向受熱和雙向受力模擬實驗系統及方法。

背景技術

目前，業內常用的現有技術是這樣的：

業內還未見對煤炭地下氣化反應界面煤巖體進行單向受熱和雙向受力的實驗裝備和相關研究。煤炭地下氣化技術(Underground Coal Gasification,UCG)是采用化學開采方法將煤炭在地下原位直接進行燃燒氣化產生可燃氣體，是一種高碳資源低碳化開發清潔能源新技術，也是資源與環境協調的煤炭綠色開采技術，其實質是將物理采煤轉變為化學采煤，只提取煤中有用組分而不是采煤本身。煤炭地下氣化將建井、采煤、氣化三大工藝合而為一，以其產氣成本低、安全性高和環境效益好的優點，在世界范圍內受到了廣泛的重視，前蘇聯、歐洲、美國、日本、澳大利亞、中國及亞洲多個國家進行了大量的理論分析和工業性試驗，該技術在低品質(高硫、高灰)、急傾斜、薄煤層、深部煤層、“三下”壓煤以及常規技術經濟不可采等殘滯留煤的開采利用方面具有廣闊的應用前景。此項技術的應用，對于保障我國能源供應的安全，保證國民經濟和社會持續、穩定、健康、和諧地發展都有著十分重要的意義。氣化通道穩定的形態結構是UCG穩定產氣的物質基礎。煤炭地下氣化點火燃燒后，從起始氣化階段到形成穩態火焰工作面結構，原始通道煤壁隨燃燒氣化過程而動態移動，并不斷擴展形成新的反應區(氣化反應界面)，該反應界面形態、結構及其穩定性對UCG的高效穩態產氣，具有十分重要的作用。煤炭地下氣化煤層通道擴展是一個復雜的物理化學過程，包括氣體的流動、傳熱和化學反應的耦合，以及煤體的高溫熱解和熱破裂過程。首先，反應區界面是UCG進行的場所，由于涉及到一些列復雜的物理化學過程，因而界面處煤體所處的環境狀態(溫度、應力等)是分析問題的基礎；其次，從氣化過程來說，氣固化學反應產生的高溫使反應區煤體由于溫度分布不均而發生熱破裂或爆裂，尤其是對于變質程度較高、熱穩定性較差的煙煤和無煙煤(如貧煤、瘦煤、無煙煤等)，煤體的熱破裂反過來又直接導致反應區界面結構的破壞，其裂隙擴展還顯著影響界面多孔介質的滲透率和氣體擴散，對界面的化學反應具有重要的影響作用。因此，反應區界面擴展是煤體在溫度場作用下的熱破裂和氣固化學反應共同作用的結果，而煤體熱破裂則具有十分關鍵的作用。因此，在煤炭地下氣化過程中，針對反應區煤體所處的溫度和應力狀態，深入分析煤體發生熱膨脹破裂的演化過程、影響因素和作用機理，對以后從煤體熱破裂的角度開展煤層通道擴展影響機理的理論和模擬實驗分析，以及對氣化爐通道穩定性控制及鉆孔工程設計具有重要的理論和實際價值。

現有技術方案

在煤炭地下氣化煤巖體熱破裂分析中，現有的技術方案包括：

(1)采用馬弗爐直接加熱法。主要設備包括加熱爐和溫度控制器，加熱爐一般為馬弗爐，外觀形狀可分為箱式爐、管式爐、坩堝爐等，溫度控制器采用PID程控方式。具體加熱步驟為：

1)馬弗爐烘爐干燥；2)調整溫控器至所需工作溫度，輸入溫度控制方式，若采用程序升溫方式，則馬弗爐內溫度按某一升溫速度進行程序升溫；若恒溫加熱，則只將溫控器調整為某一恒定溫度。3)加熱結束后，關閉電源，打開爐門，讓試件在馬弗爐內自然冷卻至常溫，至此結束。