煤炭地下气化过程中覆岩应力场的数值研究

郑慧慧，张兴华，刘希亮，谌伦建

（1.商丘师范学院建筑与土木工程系，河南商丘 476000;2.河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454003; 3.河南理工大学研究生处，河南焦作 454003）

煤炭地下气化过程中覆岩应力场的数值研究

郑慧慧1，张兴华1，刘希亮2，谌伦建3

（1.商丘师范学院建筑与土木工程系，河南商丘 476000;2.河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454003; 3.河南理工大学研究生处，河南焦作 454003）

采用热弹塑性模型，运用有限元软件，对煤炭地下气化的整个过程进行模拟，得出了煤炭地下气化过程中覆岩应力场分布图和塑性区分布图。结果表明:在煤层燃空区上方存在有拱式结构，拱内为冒落裂缝带;随着工作面推进，在煤壁前后方出现了应力集中，且应力集中范围不断扩大，应力峰值也不断增大;随着工作面推进，上覆岩体中塑性区范围不断扩大，当塑性区贯通时，上覆岩体将发生整体坍塌，有可能波及到地表的移动和沉陷。

煤炭地下气化;数值模拟;应力场

煤炭地下气化堪称第二代采煤方法，具有投资少、见效快、用人少、成本低、效益高等优点［1］，可以回收报废矿井中的报废资源，可用于开采井工难以开采的薄弱层、深部煤层和“三下”压煤等。因此，这一高效、洁净的回收煤炭资源的高科技，越来越受到国内外同行的极大关注。但现场试验表明，煤炭地下气化存在一些问题:如果气化过程中炉内冒顶严重将导致供风系统中断;随着气化进行炉内顶板悬顶过大，不能保证气化剂与煤体接触而产生气化反应，且生成的煤气可能在炉内二次燃烧等，这些都与煤炭地下气化过程中，煤层覆岩的应力场分布有关。所以，煤炭地下气化过程中，煤层覆岩的应力场分布规律成为研究的核心问题，对煤炭地下气化技术的推广与应用具有十分重要的作用和意义。

煤炭地下气化过程中，煤层顶底板岩层要经受1200℃以上的高温烘烤作用［1］，国内外专家对煤层顶板高温岩石的力学特性进行了大量的研究［2－4］，但是都未结合煤炭地下气化的工程背景。本文结合煤炭地下气化的工程背景，运用热力耦合模型，对煤炭地下气化过程中覆岩应力场的分布规律进行数值模拟研究，得出了工作面推进不同距离时覆岩垂直应力和塑性区分布图。

1 数值模型的建立

1.1 假定条件

为简化计算，假定:岩体和煤层为均质各项同性;热源（燃烧的煤层）为恒温;岩体和煤层的质量密度、泊松比、黏聚力等不随温度而变化。

1.2 模型尺寸及参数选取

本文选用弹塑性平面应变模型，计算平面沿煤层燃烧方向布置，长为800m，高为166m，煤层厚度为6m。将计算模型范围内岩层分为6层，数值模型选取的各岩层材料按照由上向下的顺序，其力学、热学参数如表1所示，细砂层和粉砂层的弹性 模量和热膨胀系数与温度的关系，如表2所示。

表1 模型各岩层热学和力学参数

表2 弹性模量（E）和热膨胀系数（α）与温度的关系

1.3 边界条件

模型底部取为固定端;模型左右两侧节点的x方向位移为零，允许有y方向的位移;由于模型尺寸的限制，不能模拟到地表，所以模型以上的岩层重量以外载荷代替（大小为5.4MPa）;模型内的各单元均考虑了其自重的作用，即在y的负方向加上重力加速度9.8m/s2。如图1所示。在本模型中，采用第一类热边界条件，将燃烧的煤层设置为恒定温度1200℃，初始温度取为25℃。

图1 力边界条件和物理模型

1.4 施工步骤

根据参考文献 ［7］，取煤炭地下气化火焰移动速度为0.5m/d。工作面自点火眼沿x方向推进，见图1，每个施工步为4m，即8d，共50步，累计气化长度为200m，燃烧后的煤层设置为死单元，赋予空气的热学参数，如表1所示。

2 结果分析

2.1 覆岩垂直应力场分析

一般认为，在重分布应力图上，铅直应力为零或近等于零的次一级“拱形”地带与冒落带的分布范围相对应［8－10］。图2为工作面推进不同距离时垂直应力分布图。

图2 工作面推进不同距离时垂直应力场

由图2可知:

（1）当煤层燃烧后，在工作面燃空区上方存在有拱式结构，该区域内垂直应力较小，已接近为零或为拉应力，表明顶板岩层已经冒落，不再承载拱外上覆岩层的载荷。

（2）随着工作面推进，拱式结构的高度不断增大，当工作面推进40m时，拱顶高度为20m，是煤层厚度的3.3倍;推进120m时，拱高为50m，是煤层厚度的8.3倍;推进200m时，拱高为70m，是煤层厚度的11.6倍;与传统煤炭开采的“两带”高度 （一般为采高的9～12倍［9］）相符合。

（3）随着工作面推进，在工作面煤壁前后方出现了应力集中，且应力集中范围随着工作面推进不断扩大，当工作面推进120m左右，达到稳定，应力集中区为工作面前方12m左右。

（4）随着工作面推进，应力峰值不断增大，工作面推进120m前，峰值位置位于工作面前方顶板10m内，当工作面继续推进时，峰值位于工作面上方粉砂层和细砂层的分界处，其主要原因是由于粉砂层上边界受热的作用向上方膨胀，而细砂层在上覆岩体自重作用下下沉，且两者的热膨胀系数不同，所以就产生了很大的热膨胀力。

2.2 覆岩塑性区分析

图3为塑性区分布。

图3 塑性区分布

由图3可知:

（1）随着工作面推进，煤层顶板岩体中塑性区范围不断扩大，当塑性区贯通时，上覆岩体将发生整体坍塌，有可能波及到地表而引起地表沉陷。

（2）随着工作面推进，底板岩层出现了塑性区，但是其影响范围较小，主要出现在燃空区下方和煤壁前下方，在此区域内岩层可能受拉而破坏。

3 结论

（1）在煤层燃空区上方存在拱式结构，拱内为冒落裂缝带，约为燃烧煤层厚度的9～12倍。

（2）随着工作面推进，在煤壁前后方出现了应力集中，且应力集中范围不断扩大，当工作面推进120m左右，达到稳定;应力峰值也不断增大，当工作面推进120m后，峰值位于工作面上方粉砂层和细砂层的分界处。

（3）随着工作面推进，上覆岩体中塑性区范围不断扩大，当塑性区贯通时，上覆岩体将发生整体坍塌，有可能波及到地表，引发移动和沉陷。

［1］张祖培.煤炭地下气化技术［J］.探矿工程，2000（1）.

［2］吴 忠，秦本东，等.煤层顶板砂岩高温状态下力学特征试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（11）.

［3］谌伦建，吴 忠，等.煤层顶板砂岩在高温下的力学特性及破坏机理［J］.重庆大学学报，2005，28（5）:123－126.

［4］秦本东，门玉明，等.高温下石灰岩膨胀特性和力学特性的试验研究［J］.防灾减灾工程学报，2009，29（6）.

［5］徐小荷，余 静.岩石破碎学［M］.北京:煤炭工业出版社，1984.

［6］虞继舜.煤化学［M］.北京:冶金工业出版社，2000.

［7］杨兰和.煤炭地下气化火焰工作面移动速度的研究［J］.煤炭学报，2000，25（5）:496－450.

［8］钱鸣高.采场矿山压力与控制［M］.北京:煤炭工业出版社，1983.

［9］王遗南.预计导水裂隙带的应力分析方法［J］.煤炭学报，1982（1）.

［10］谢兴华.采动覆岩动态移动规律数值模拟及离层量计算方法研究［D］.泰安:山东科技大学，2001.

［11］煤炭科学研究院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用［M］.北京:煤炭工业出版社，1981.

Numerical Simulation of Stress Field of Surrounding Strata in Underground Gasification of Coal

ZHENG Hui-hui1，ZHANG Xing-hua1，LIU Xi-liang2，CHEN Lun-jian3

（1.Architecture＆Civil Engineering Department，Shangqiu Normal College，Shangqiu 476000，China; 2.Civil Engineering School，Henan University of Science＆Technology，Jiaozuo 454003，China; 3.Graduate School，Henan University of Science＆Technology，Jiaozuo 454003，China）

Applying thermo-elastic-plastic model and finite element software，this paper simulated underground gasification of coal.Stress field distribution and plastic area distribution of overlying strata was obtained in gasification.Results showed that there was arch structure over gob and inside of the arch was caving and fissure zone.With the face advanced，stress concentration occurred before and after the coal wall and stress concentration range extended increasingly，stress summit increased aswell，plastic area of overlying strata extended and when plastic area connected with each other，overlying strata would cave wholly and thismight reached surface.

underground gasification of coal;numerical simulation;stress field

TQ546;TD325

A

1006-6225（2011）04-0017-03

2010－12－23

国家自然科学基金资助项目 （50574037）

郑慧慧 （1981－），女，河南民权人，助教，主要从事岩土工程和结构工程方面的教学和研究工作。

［责任编辑:王兴库］