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专利号: 2020102479919
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 土层或岩石的钻进;采矿
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种UCG-CCS覆岩裂隙发育高度的预测方法,其特征在于步骤如下:

在地下正常施工“双曲线”型隔离煤柱,构建兼顾气化过程中的高温效应和煤柱的长期稳定性要求的隔离煤柱二次剥离模型,分析煤炭地下气化应力分布,建立二氧化碳封存后的隔离煤柱力学模型,利用层次分析法确定覆岩裂隙发育高度影响因素权重,利用权重建立二氧化碳封存后的覆岩裂隙发育高度模型,通过对模型分析完成覆岩裂隙发育高度的预测。

2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化耦合二氧化碳封存覆岩裂隙发育高度的预测方法,其特征在于具体步骤如下:步骤1:为保证稳定性将地下隔离煤柱设定为无井式煤炭地下气化技术生成的“双曲线”型煤柱结构,其两侧曲线弧是一个以煤层厚度为直径的半圆形曲线弧;

步骤2:利用FLAC3D数值模拟软件考虑煤柱长期风化而产生的煤柱剥离情况下构建煤柱二次剥离模型,构建煤柱二次剥离模型需要兼顾气化过程中的高温效应和煤柱的长期稳定性要求,煤柱二次剥离模型包括覆岩荷载下的煤柱一次剥离模型和覆岩荷载下的煤柱二次剥离模型;

步骤3:利用FLAC3D数值模拟软件建立煤柱的二次剥离模型,模拟煤炭气化后的变化,具体的,通过向顶板施加满足使二氧化碳超临界化的向上应力(7.38Mpa)模拟二氧化碳封存后的应力,提取煤层顶板的应力值获取到煤炭气化后、封存后的应力分布,通过分析封存前后的应力变化规律,进而构建二氧化碳封存后的煤柱应力分布模型;

步骤4:根据FLAC3D数值模型,结合包括覆岩结构、工作面倾向长度、采深、开采厚度、煤层倾角在内的影响因素,利用层次分析法确定影响岩层裂隙发育高度中各因素的权重,并综合上覆岩层实际荷载、实际封存应力、煤柱应力分布大小数据,从而确定二氧化碳封存后的覆岩裂隙发育高度,从而达到预测覆岩裂隙发育高度的目的。

3.根据权利要求2所述煤炭地下气化耦合二氧化碳封存后的覆岩裂隙发育高度的预测方法,其特征在于建立煤柱二次剥离模型具体步骤如下:

1)根据无井式煤炭地下气化的双通道控制后退气化的特点,确定气化后的隔离煤柱形态为“双曲线”型;

2)根据岩层的自重应力和隔离煤柱的“双曲线”特点,将“双曲线”隔离煤柱剥离过程抽象成2个阶段的剥离过程:首先煤柱上半部分弯曲部分发生剥离后呈矩形结构,其它位置不发生剥离作为一次剥离模型,然后将煤柱上半部分矩形煤柱发生剥离之后呈曲线形态,其它位置不发生剥离作为二次剥离模型;

煤柱在经历两次剥离后,最终其煤柱将会维持在固定的形态而不会在发生变化,为更好的进行数学上的计算,因此将剥离后的煤柱边界近似等效为曲线型,边界曲线可近似视为1/4椭圆,其扁率近似与煤柱下半部分相等,因其扁率较小,因此在计算时,可将其等效为扁长型三角形进行计算;

计算出的建立煤柱的二次剥离模型为:

一次剥离模型:

二次剥离模型:

式中,d0为煤柱弯曲部分长度;d1为堆积体堆积在煤柱附近的宽度;M表示煤厚、k表示碎胀系数和θ表示堆积体休止角;γ为上覆岩层的平均容重、H为上覆岩层的平均采深;d、b表示隔离煤柱一次剥离后的煤柱顶部宽度和等效燃空区宽度;d10、b1表示隔离煤柱二次剥离后的煤柱顶部宽度和等效燃空区宽度;L为气化工作面推进的距离;δ1为顶板岩层垮落角。

4.根据权利要求2所述炭地下气化耦合二氧化碳封存后的覆岩裂隙发育高度的预测方法,其特征在于构建煤柱应力分布模型的具体步骤如下:

1)利用FLAC3D数值模拟软件,利用现有的钻孔数据建立数值模型,模拟开挖多个工作面,以模拟在两次剥离情况下的“双曲线”型煤柱稳定性;

2)通过数值模拟的手段,用FLAC3D代码提取煤柱顶板的应力大小,使用Origin软件作图,对比煤炭地下气化UCG和煤炭地下气化耦合二氧化碳捕捉与封存UCG-CCS煤柱应力分布,从而分析出UCG和UCG-CCS煤柱分布大小的差异;

3)根据煤炭地下气化的后退式点火控制技艺可以看出,在整个气化过程中,气化通道之间是留设隔离煤柱的,因此在条带开采煤柱应力分布模型增加封存应力这一影响条件,同时兼顾长期地下水影响,在UCG-CCS煤柱应力分布模型上考虑地下水弱化函数影响,最终构建新的煤柱应力分布模型,其模型分布如下:具体的,应力分布函数

式中f(x)为煤柱整体应力分布函数,D为煤柱宽度的一半,d0为煤柱单侧剥离宽度,a、b、c1和d均为模型系数,表示煤柱应力大小随煤柱宽度增加的变化程度;

当x→d0-D时,该位置实为剥离后的煤柱边缘,其应力应为封存应力和冒落矸石侧应力,同时考虑应力随注入距离增大而减小的特点,故在此基础上,乘上封存衰减系数;当x→Y-D,煤柱应力达到峰值;其中K'为封存压力衰减系数(0~1),K”为侧应力系数,σ1为最大主应力,γ为地层平均容重,H为采深,L为气化通道推进距离,根据Wilson两区约束理论,最大主应力为: σ3=γH,其中:c为煤柱的内聚力,Mpa, 为煤柱的内摩擦角,内聚力和内摩擦角均可以通过实验测出,联立以上各公式,求解参数,结果如下:此外,超临界二氧化碳注入后,由于其自身的粘度小于液态,扩散速度更是比液体高出两个量级,因此注入后,二氧化碳会迅速填满燃空区,且会沿着原生裂隙扩散至煤柱内部,这会对煤柱稳定性造成一定的影响,类比地下水影响函数,因此引入并修正水弱化函数来反映超临界二氧化碳浸入对煤柱的影响:g(c)=(1-Rx)(1-wx)2+K1Rx

式中:Rx为煤柱软化函数;wx为含水量函数,Rx和wx都随着煤柱距离而不断减小,影响区域为屈服区g(cq)和弹性核区g(ce);K1为修正系数;

最终隔离煤柱上方的应力分布应为:

即为UCG-CCS煤柱应力分布模型。

5.根据权利要求1所述炭地下气化耦合二氧化碳封存后的覆岩裂隙发育高度的预测方法,其特征在于步骤2中的关于覆岩裂隙发育高度预测方法具体如下:

1)结合文献分析,归纳总结出较为关键的影响因素,利用层次分析法判别出各因素对裂隙发育高度的权重;

2)根据权重,结合由于封存条件的不同而增加的可控制影响因素:上覆岩层实际荷载因素、实际封存应力因素、煤柱应力分布大小;利用以下公式,预测二氧化碳封存后覆岩裂隙发育的高度,H=f(C1、C2、C3、C4、C5、C0、σ、Fs、f(x))

其中:f为影响函数;C0是由各封存条件的不同而增加的可控制影响因素,由实施封存的具体地点确定;σ为上覆岩层实际荷载;Fs为实际封存应力;f(x)为煤柱应力分布大大小及其分布。