[发明专利]大尺度型煤煤炭地下气化相似材料模拟试验装置及方法

说明书

本发明提供了一种大尺度型煤煤炭地下气化相似材料模拟试验装置及方法，涉及采矿工程技术领域，解决了如何研究长通道内燃空区扩展规律和覆岩力学变化规律的技术问题。该试验装置包括气化炉、气化剂制备单元、监测单元和数据处理单元，气化炉模拟长通道内煤炭气化开采过程，气化剂为气化开采提供模拟煤层气化所需气体，监测单元包括气体流量计、气体压力表、测温热电偶、气相色谱仪、声发射传感器和压力传感器，监测单元对气化过程中的气化参数进行监测，记录气化过程中的岩层温度变化和声发射信号，试验不同配比的气化剂对气化过程的影响，分析气化产生的气体组分及污染物，从而更直观的对气化炉燃空区及覆岩的形态进行观察研究。

技术领域

本发明涉及采矿工程和相似材料模拟技术领域，尤其是一种大尺度型煤煤炭地下气化相似材料模拟试验装置及方法。

背景技术

煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，UCG)是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤层的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程，该过程集建井、采煤、地面气化三大工艺为一体，变传统的物理采煤为化学采煤，因而具有安全性好、投资少、效益高、污染少等优点，所以一直以来深受重视，是煤炭开采利用技术的重要补充。

目前，世界许多国家相继投入了大量的人力和物力进行研究和应用，并取得了丰硕的成果。技术人员先后开展了中试规模的模型试验和现场应用，对一系列煤炭地下气化研究成果进行现场验证。现有技术中：中国专利(CN204175276U)公开了一种煤炭地下气化模拟实验装置，包括气化炉体，固定于气化炉体上的炉盖，设置在气化炉体下部的气化通道，且位于气化炉体的气化空间内的气化通道段为与气化炉体的气化空间相连通的条形槽口，气化通道两端为封闭式结构；在气化通道的条形槽口段的中间位置设置气流挡板，在气流挡板的两侧设置进气管和出气管，进气管和出气管的上端穿过炉盖延伸至炉盖之外，进气管和出气管的下端穿过粘土充填层、实体煤层止于条形槽口上方；安装在气化通道一端的点火装置的点火头设置于进气管附近；热电偶以水平布置的方式设置在炉膛中。但是该装置只记录了气化时的温度变化，未研究气化时的声发射和压力变化；并且在气化结束后也没有对气化炉进行充填，不能对燃烧后的燃空区和围岩进行一个直观的观察。中国专利(CN104122289B)公开了一种煤炭地下气化模型试验台及试验方法，包括气化炉和数据采集系统，气化炉炉膛前后左右及底部从内到外依次分别设置有耐火层、保温层、密封层和耐压层；气化炉顶部设有用于供气体输出、输入的管道，管道由气化炉顶部穿入炉膛内部的试验用煤层中与气化通道相连通；气化炉四周设有多个用于观察点火过程中点火端煤层和气化过程中气化通道煤层燃烧情况的观察孔；气化炉上设有多个用于导出煤气和通讯信号线的工艺参数测量孔。该专利可以模拟可以开展煤炭地下气化模型试验，实现模拟不同倾角和厚度煤层的气化过程，研究气化过程中顶底板和表土的运动情况。但是设备整体结构复杂、造价高，还具有操作难度大等缺点。所以现有相似材料模拟试验设备，大部分设备仅考虑煤炭地下气化过程中气化煤层的燃烧产气特性，未能测量气化过程中围岩的声发射和压力信号变化等，忽略了顶底板围岩在煤层扩展过程中的热损伤破裂以及移动垮落规律；大型煤炭地下气化相似模拟实验操作较为繁琐，且成本较高，耗时较长；没有考虑气化炉运行结束后的气化炉体解剖，从而难以真实有效观察气化煤层的燃烧扩展特性、煤壁的焦化特性、围岩的热损伤特性、覆岩垮落特性以及气化炉腔污染物的分布和扩散特性；缺乏对气化炉进行充填的模拟研究。

与传统的地面煤炭气化技术不同，煤炭地下气化由于不需进行井下通风和排水，也不存在煤炭、材料和人员的运输问题，建井和巷道开掘工作也大幅度减少。但是由于地下环境的复杂性，煤炭地下气化技术也存在着各种不稳定因素，比如燃空区的扩展、围岩的受热变化、不同因素对产气效率的影响、产气组分的变化等。因此为了对煤炭地下气化技术有一个更加彻底的认识和研究，进行预先的煤炭地下气化相似模拟实验是很有必要的。

发明内容