煤第４９卷第８期 ｄｏｉ：１０．１ １７９９／ｃｅ２０１７Ｏ８００４ 炭工程 Ｖｏ１．４９．Ｎｏ．８ ＣＯＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ 煤炭地下气化气化区上覆岩层温度场演化规律研究 王 姑 ，周 松。，张晓春 ，梁 杰 （１．中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京１０００８３； ２．中国矿业大学（北京）共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京３．中石化地球物理公司，北京１００７２８） １０００８３； 摘要：对乌兰察布褐煤进行地下气化实验，研究煤炭气化反应过程中气化区上覆岩层温 度场变化，并着重关注通道正上方温度变化。结果表明：煤层与项板交界面处通道正上方温度 基本与煤层温度相同，而通道两侧最终温度仅有３００￣Ｃ左右，但在距交界面４０ｅｍ处二者温度差 别不大；在气化通道正上方，交界面上从进气口到出气口快速升温时间段间隔明显，但在距交 界面２０ｃｍ、４０ｃｍ处，温度变化规律相似；覆岩层温度在竖直方向的扩散要快于在水平方向的扩 散；在接近出气口处，高度方向上存在一定的热弥散作用。 关键词：煤炭地下气化；温度场；覆岩层；气化通道 中图分类号：ＴＤ８４４；ＴＱ５４６ 文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—０９５９（２０１７）０８－００１３－０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ａｂｏｖｅ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ｉｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃｏａｌ ｇａｓｉｉｃａｔｆｉｏｎ ＷＡＮＧ Ｚｈｅ’ ，ＺＨＯＵ Ｓｏｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｃｈｕｎ ，ＬＩＡＮＧ Ｊｉｅ ， （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｍｉｎｉｎｇ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｇｒｏｗｎ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｉｎｏｐｅｃ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００７２８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｇａｓｉｉｃａｔｉｆｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｕｌａｎｃｈａｐ ｌｉｇｎｉｔｅ ｗａｓ ｄｏｎｅ，ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ｉｎ ｔｈｅ ｇａｓｉｉｃａｔｆｉｏｎ ｚｏｎｅ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｅ ａｂｏｖｅ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅ１．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ａｎｄ ｒｏｏｆ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｂｏｖｅ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｏ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｂｏｔｈ ｓｉｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｓ ｏｎｌｙ ａｂｏｕｔ ３００ ｏＣ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｓｉｍｉｌａｒ ａｔ ４０ｃｍ ａｗａｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ａｂｏｖｅ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｒａｐｉｄ ｈｅａｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｐｅｒｉｏｄ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｒｏｍ ａｉｒ ｉｎｌｅｔ ｔｏ ｏｕｔｌｅｔ ｉｓ ｎｏｔｉｃｅａｂｌｅ，ｂｕｔ ａｔ ２０ｃｍ ａｎｄ ４０ｃｍ ａｗａｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｅ ａｒｅ ｓｉｍｉｌａｒ；ｔｈｅ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｏｆ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｆａｓｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｉｎ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；ｎｅａｒ ｔｈｅ ｏｕｔｌｅｔ，ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃｏａｌ ｇａｓｉｉｃａｔｆｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ；ｇａｓｉｉｃａｔｉｆｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ 我国目前勘测到的煤炭储量总量居世界各国之首，但 埋藏深度在１０００～２０００ｍ的煤层储量近总储量的一半。受 到地质条件、当前技术和经济因素的制约，在相当一段时 期内不能实现对ｌＯ００ｍ以下的煤炭资源积极有效地开 工艺技术融为一体的多学科交叉开发清洁能源与化工原料 的新技术 。 煤炭地下气化中，气化燃烧区作为热源对周围煤岩体 产生热作用 ，虽然岩体为热的不良导体，经过１０００～ １３００￣Ｃ的高温长时间作用，煤层顶、底板在高温作用下岩 性发生变化 Ｊ，同时气流通道、钻孔也可能产生热损坏， 发 Ｊ。地下气化是一种煤炭原位开采技术，即不通过物 理开采，在地下对煤进行有控制的燃烧气化，产生可燃气 体可用于民用、发电或化学合成等领域，是将建井、采煤、 无论对于气化过程还是环境影响都该引起人们重视。 ２０ｌ ７一Ｏ５一Ｏｌ 收稿日期： 基金项目： 中国工程院咨询研究项目（２０１７一ＺＤ一０３）；高等学校学科创新引智计划资助项目（Ｂ１４００６） 作者简介： 王酷（１９９１一），男，黑龙江大庆人，博士，主要研究方向为煤炭地下气化与充填材料，Ｅ—ｍａｉｌ： ，周松，张晓春，等．煤炭地下气化气化区上覆岩层温度场演化规律研究［Ｊ］．煤炭工程，２０１７， ａ４１７８４９１３８＠１６３．ｃｏｍ。 引用格式： 王 ４９（８）：１３—１６． １３ 煤炭工程 ２０１７年第８期 下气化方法进行开采量 水 翟： ． 妻 龛 １试验部分 本次实验主要模拟乌兰察布实际赋 …一…～ 。存条件下煤炭气化反应过程中气化区上覆岩层温度场情况， 为进一步探究地下气化对地质环境的影响奠定基础。 １．１ 实验煤样 实验煤样为乌兰察布褐煤，煤样分析结果见表１—３。 表１工业分析 ％ １．２模型试验 模型气化炉膛尺寸为长４．４５ｍ，宽１．１７ｍ，高１．５７ｍ。 气化炉膛横截面如图１所示，气化通道位于横截面正中 时间延迟与煤层扩展时间相一致。这说明两侧煤未充分进 行燃烧气化。距交界面２０ｃｍ处温度在３５０—４５０℃之间， 当交界面温度达到量程一段时间后，距交界面２０ｃｍ处温 间，煤层高度中。在气化通道的左侧为点火点，此处放 置一组电点火器，点火器由木柴浸泡柴油缠绕电阻丝制 度开始上升，上升速率约为１０℃／ｈ。各横截面通道正上方 温度依旧高于两侧，温升时间延迟不如交界面明显。距交 界面４０ｃｍ各横截面上各处温度差别不大，均在１（）０℃左 右，气化２０～３０ｈ可观察到温度上升阶段，上升速率约为 ５．３ｃｃ／ｈ。这是由于顶板模拟材料孔隙率较大，会出现热 作而成。气化过程中，进气点随气化进行自点火点向右 迁移。 乌兰察布现场顶板为软质泥岩，模型试验中将粘土与 沙按１：２比例混合作为顶板泥岩相似材料。相似材料自煤 层起填充５０ｃｍ高度，拍实添平。热电偶在煤层与顶板交 界面（下层）、自煤层向上２０ｃｍ（中层）和４０ｃｍ（上层）处 布置三层，每层３列６排１８个测点，如图１所示，用于 监测气化过程顶板温度在平面以及高度方向上的变化 情况。 弥散现象，导致热混合，致使热量在传递过程中均 匀化 １２１。 从图２（ａ）、图２（ｂ）可知，在气化炉左部，距交界面 ２０ｅｍ处通道正上方温度甚至高于交界面通道两侧温度；从 图２（Ｃ）、图２（ｄ）可知，在气化炉中部，距交界面２０ｃｍ处 通道正上方温度与交界面通道两侧温度接近；从图２（ｅ）、 图２（ｆ）可知，在气化炉右部，距交界面２０ｃｍ处通道正上方 温度已经低于交界面通道两侧温度。可见覆岩层温度在竖 直方向的扩散要快于在水平方向的扩散。 点火点 １．３ １．２ １．１ ２．３ ２．２ ２．１ ３．３ ３—２ ３．１ ４．３ ４．２ ４．１ ５．３ ５．２ ５．１ ６ ３ ６．２ ６．１ ２．２通道正上方温度变化 ２．２．１水平切面 图１ 顶板横截面温度测点布置图 通道正上方水平切面（４．４５ｍ ｘ １．５７ｍ）温度随时问变化 ２覆岩温度场演化规律 ２．１ 垂直通道截面温度变化 三层（煤层与顶板交界面，距交界面２０ｃｍ、４０ｃｍ）热 电偶在距点火０．６５ｍ、１．３ｍ、１．９５ｍ、２．６ｍ、３．２５ｍ、 ３．９ｍ横截面处（１．５７ｍ×１．１７ｍ）温度随时间的变化曲线如 图２所示；由图２可知，交界面处通道正上方温度基本与 煤层温度相同，明显高于两侧，沿通道方向温升有延迟， 】４ 关系曲线如图３所示。从图３（ａ）可知，点火点附近与煤层 接触顶板处热电偶迅速升温，点火２～３ｈ后就可达到煤层 温度，超出热电偶量程，通道正上方其他热电偶温度达到 约８００￣Ｃ时急速上升，跳跃到ＩＯ００￣Ｃ。除点火处热电偶之 外，２００％之前各热电偶升温较缓，２００—８００％之间升温速 率较大，且各横截面快速升温时间段间隔明显。 从图３（ｂ）可知，距交界面２０ｃｍ处温度上升较交界面 明显放缓，最高温度达到４３４．２＂Ｃ，平均升温速率约为 ２０１７年第８期 越赠 煤炭工程 ７．２℃／ｈ。从图３（ｃ）可以看出，距顶板４０ｃｍ处温度上升更 ４０ｃｍ处，水平切面上温度变化规律相似。这是由于进气管 道存在，导致沿进气管道的热扩散速度快于沿竖直方向的 热扩散，致使在距交界面２０ｅｍ、４０ｅｍ处，出现各横截面同 时升温的现象。 加缓慢，在气化２０ｈ前，各热电偶均升温至８０℃左右平均 升温速率约为１．６１￣／ｈ，最高温度为９７．６℃，之后温度基 本保持不变，以后温度变化不大。可见在距交界面２０ｅｒａ、 寇 赠 赠 Ｏ １Ｏ ２０ ３０ ４Ｏ ５Ｏ ０ １０ ２Ｏ ３Ｏ ４Ｏ ５Ｏ ０ ｌ０ ２Ｏ ３０ ４０ ５０ 时间，ｌｌ ｆａ）距进气孔０．６５ｍ处 时间／ｌｌ （ｂ）距进气孔１．３ｍ处 时间／ｈ （ｃ）距进气孔１．９５ｍ处 雾 ２０。 ２００ ０ １０ ２０ ３０ ４０ 趣赠 ５０ ０ ｌ０ ２０ ３０ ４０ ５０ ０ １０ ２０ ３Ｏ ４０ ５Ｏ 时间／Ｉｌ （ｄ）距进气孔２．６ｍ处 时间／ｈ （ｅ）距进气孔３．２５ｍ处 时间／Ｉｌ （ｆ）距进气孔３．９ｍ处 图２垂直通道截面（１．５７ｍ Ｘ１．１７ｍ）温度变化 ｌ４００ ５００ １００ ｌ２００ ４００ ｌ０００ ８００ ８０ ３００ ６０ 赠６００ ４００ 赠２００ １０Ｏ 赠４０ ２０ ２００ ０ ｌ０ ２Ｏ ３０ ４Ｏ ５Ｏ ０ ｌ０ ２０ ３０ ４０ ５０ ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ 时间 （ａ）煤层与顶板交界面 时间／ｈ （ｂ）距交界面２０ｃｍ 时间 （ｃ）距交界面４０ｃｍ 图３通道正上方水平切面（４．４５ｍ×１．５７ｍ）温度变化 ２．２．２横截面 １５ｈ和３０ｈ两个时刻作为还原区和氧化区的代表，计算顶板 通道正上方六个横截面上温度随时间变化关系曲线如 图４所示，可见各横截面三个高度上的温度差异。从图４ 中可知，距进气口较近时，交界面热电偶温度达到量程后， 温度下降梯度。气化１５ｈ（还原区），煤层顶板交界面、距 交界面２０ｃｍ、４０ｃｍ处温度分别为６８３℃、１１５℃、４０℃，煤 层上方０—２０ｅｍ处顶板温度下降梯度为２８．４℃／ｃｍ，煤层上 方２０～４０ｃｍ处顶板温度下降梯度为３．７５￣／ｅｍ。气化３０ｈ 时（氧化区），交界面、距交界面２０ｃｍ、４０ｅｒａ处温度分别为 １２００℃、３１５℃、９０℃，煤层上方０～２０ｅｍ顶板岩层温度下 降梯度为４４．３℃／ｅｍ，煤层上方２０～４０ｅｍ顶板温度下降梯 度为１１．２５℃／ｃｍ。 顶板中温度开始上升，距进气口越近，顶板温升延迟时间 越长，接近出气口时延迟消失，如图４（ｅ）、（ｆ）所示，三 个热电偶几乎同时升温，说明在接近出气口处，在高度方 向上存在一定的热弥散作用。 气化中期气化炉运行较稳定，以图４（ｅ）为例，取气化 １５ 煤＼ 赠 炭工程 ２０１７年第８期 时间ｍ （ａ］距进气孔０ ６５ｍ￣２ 时间／Ｉｌ （ｂ）距进气孔１．３ｍ处 时间／ｈ （ｃ）距进气孔１ ９５ｍ￣ｂ 玻ｉ＿赠 枷 瑚 咖 啪 伽 枷 ０ 时间／ｈ （ｄ）距进气孔２．６ｍ处 时间，ｈ （ｅ）距进气孔３．２５ｍ处 时间ｍ （ｆ）￣／：Ｌ３．９ｍ处 图４通道正上方横截面（１．５７ｍ×１．１７ｍ）温度变化 … ３结论 １９９０，３９（４）：１—７． ［７］Ｐｅｒｋｉｎｓ Ｇ，Ｓａｈａｊｗａｌｌａ Ｖ．Ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｅｍｉ—ｉｎｆｉｎｉｔｅ ｂｌｏｅｋ ｆ ｏｃｏａｌ ｉｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ 煤层与顶板交界面处通道正上方温度基本与煤层温度 相同，明显高于两侧，但距交界面４０ｃｍ处各横截面上各处 温度差别不大；覆岩层温度在竖直方向的扩散要快于在水 平方向的扩散；在接近出气口处，在高度方向上存在一定 的热弥散作用；在气化通道正上方，交界面上从进气口到 出气口快速升温时间段间隔明显，但在距交界面２０ｃｍ、 ４０ｃｍ处，温度变化规律差别不明显。 参考文献： ［１］ 王永炜．中国煤炭资源分布现状和远景预测［Ｊ］．煤， ２００７，１６（５）：４４—４５． ｃｏａｌ ｇａｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ＆ｆｕｅｌｓ，２００５，１９（４）： １６７９—１６９２． 罗吉安，张新亮．煤层气化上覆岩层温度场分布规律研究 ［Ｊ］．安徽理工大学学报（自然科学版）［Ｊ］．２０１２，３２ （１）：６７—７０． ＭＲ Ｂａｌｍｅ，Ｖ Ｒｏｃｅｈｉ，Ｃ Ｊｏｎｅｓ，ｅｔａ／．Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｍｓ ｏｎ ｉｇｎｅｏｕｓ ｒｏｃｋｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ， ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｏｃｋ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｃｅｌｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｏｌｃａｎｏｌｏｇｙ ｎｄ Ｇｅｏｔａｈｅｒｍａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０Ｏ４，１３２（８）：１５９—１７３． Ｋｕｗａｈａｒａ Ｆ，Ｎａｋａｙａｍａ Ａ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｏｒｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，１９９９，１２１（２）：１６０一】６３． Ｐｅｄｒａｓ Ｍ Ｈ Ｊ．ｄｅ Ｌｅｍｏｓ Ｍ Ｊ Ｓ．Ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｐｏｒｏｕｓ ［２］ 马庆元．中国炼焦煤资源的分布特征［Ｊ］．煤炭科学技 术，２００４，３２（３）：６４—６６． ［３］ 黄文辉，杨起，唐修义，等．中国炼焦煤资源分布特点 ｍｅｄｉａ ａｓ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ—ｆｌｕｉｄ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｒａｔｉｏ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，２００８，５１（２１／ ２２）：５３５９—５３６７． Ｓｈｉ Ｊｕｍｕｉ，Ｌｉ Ｂｅｎｗｅｎ，Ｘｕ Ｙｏｕｎｉｎｇ，ｅｌ ａ１． Ｆｌａｍｅ 与深部资源潜力分析［Ｊ］．中国煤炭地质，２０１０，２２（５）： ２—６． ［４］ 梁杰．煤炭地下气化过程稳定性及控制技术［Ｍ］．徐 州：中国矿业大学出版社，２００２：１１—１４． ［５］ 刘宁宁，邱亮亮，敬毅．国内外煤炭地下气化技术发展 ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｆｏｒｄｉｆｕｓｉｏｎ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ『Ｊ］．ＣＩＥＳＣ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１２，６３（１１）：３５００—３５０５． 现状［Ｊ］．煤炭技术，２００９（６）：４—７． ［６］ 余力．煤炭地下气化的过去与未来［Ｊ］．矿业译丛， （责任编辑杨蛟洋） １６