一种煤炭地下气化地表残余变形计算方法技术

本发明专利技术公开一种煤炭地下气化地表残余变形计算方法，适用于煤炭地下气化场地使用。说先确定气化后煤柱的高度、宽度以及拱高，之后实测数据计算煤炭地下气化后灰分生成率，从而确定气化后残留在燃空区的灰分厚度，根据煤柱剥离后煤块的碎胀系数、灰分厚度、气化后煤柱高度、宽度以及拱高计算气化后煤柱实际剥离宽度，确定灰分的力学属性，根据煤柱力学参数、高度与拱高、灰分厚度及其力学参数、上覆岩层压力计算气化后煤柱屈服区宽度，最终视气化后煤柱的屈服区宽度与剥离宽度为气化燃空区扩大宽度，并认为剥离前后气化区地表沉陷变形差值为地表残余变形值。其计算方法简单，为煤炭地下气化地表残余变形计算提供了科学的理论依据。据。据。

【技术实现步骤摘要】
一种煤炭地下气化地表残余变形计算方法


[0001]本专利技术涉及一种地表残余变形计算方法，尤其适用于煤炭地下气化施工区域使用的一种煤炭地下气化地表残余变形计算方法。
技术背景
[0002]煤炭地下气化(UCG)是指集建井﹑采煤﹑转化工艺为一体的多学科开发清洁能源与化工合成气的新技术，是煤炭流态化开采的重要组成部分，是我国先进能源
的重要方向之一。目前多种工艺的小规模煤炭地下气化工业性实验陆续取得成功，为进一步大规模实验和生产奠定了基础。但未来煤炭地下气化规模化生产设计及推广应用时，必然要计算地表残余变形值，来保证建(构)筑物及水体下安全气化采煤。因此，如何计算煤炭地下气化地表残余变形是亟待解决的瓶颈难题。
[0003]影响煤炭地下气化场地稳定的因素很多，其中煤炭地下气化地表残余变形是影响气化场地稳定的核心因素之一。虽然目前不少学者围绕传统井工开采后地表残余变形展开研究，但这些方法都未考虑气化后煤柱与燃空区特点不适用于煤炭地下气化地表残余变形，目前尚未有计算煤炭地下气化地表残余变形的计算方法。

技术实现思路

[0004]针对上述技术不足之处，提供一种步骤简单，精准度高，兼顾煤柱双曲线结构特点及残留固体废弃物性质的地下气化地表残余变形的计算方法。
[0005]为了实现上述技术目的，本专利技术的煤炭地下气化后煤柱两侧为双曲线型结构，气化后产生的燃空区两侧为煤柱或未气化煤层；
[0006]根据资料与实测数据确定双曲线型煤柱的高度数据、宽度数据、竖直方向的倾角以及拱高数据；
>[0007]通过实测数据计算出煤炭地下气化后的灰分生成率，从而利用灰分生成率以及煤柱高度计算出气化后残留在燃空区的灰分厚度；
[0008]采集煤柱剥离后的煤块进行测试获得碎胀系数；
[0009]然后根据煤柱剥离后煤块的碎胀系数、燃空区的灰分厚度、双曲线型煤柱的高度、宽度和拱高计算气化后煤柱实际剥离宽度；
[0010]采集煤层上的煤样进行模拟气化，并根据规范或三轴试验确定煤层与顶底板岩层间的内聚力、内摩擦角；确定煤柱内的应力集中系数、上覆岩层容重以及侧压系数；确定灰分的平均容重、灰分内摩擦角、最危险滑面倾角以及气化后煤柱与灰分的摩擦角；
[0011]基于上述数据，计算气化后煤柱屈服区宽度，将屈服区宽度与剥离宽度认定为气化燃空区扩大宽度，并认定剥离前后气化区地表沉陷的变形差值等同于地下气化地表残余变形。
[0012]进一步，在风化、地下水浸蚀以及上覆岩层压力的协同作用下，气化后煤柱上部出现剥离，剥离后的煤块散落到气化后产生的燃空区内，并形成依靠气化后煤柱侧面堆积形
成侧表面倾斜延伸至气化后煤柱顶端的煤堆，通过等效采厚理论，基于气化后灰分生成率k
p
，推导出灰分厚度H
′
＝k
p
m，m为气化后煤柱高度。
[0013]进一步，以气化后煤柱中心为原点，水平方向为x轴；垂直方向为y轴建立坐标系，设气化后煤柱剥离边界曲线为四分之一椭圆，气化后煤柱不高于灰分厚度的部分受灰分侧压力的影响产生少量剥离与膨胀，因此认为剥离煤块的碎胀系数为1；
[0014]根据气化后煤柱剥离后的几何特点，推导出双曲线型气化后煤柱剥离煤块体积V
p
计算式为
[0015][0016]式中，k为剥离煤块碎胀系数，设为1；d为气化后煤柱顶部剥离区宽度；θ为休止角；m为气化后煤柱高度；其中V
t
表示气化后“双曲线”型煤柱与顶底板相交点的连线同煤柱“双曲线”型边界线组成的拱形的面积，V
r
表示灰分在成拱区域的面积，V
s
为剥离煤块中膨胀系数为1部分的面积。
[0017]其中，
[0018][0019][0020]上式中，
[0021]k为剥离煤块碎胀系数，d为气化后煤柱顶部剥离宽度；θ为休止角；a为拱高；L为气化后煤柱宽度与两侧拱高之和；u为双曲线右支的顶点位置，v为双曲线虚轴的一半；
[0022]根据煤块体积V
p
建立等式：
[0023][0024]通过迭代计算确定气化后煤柱顶部剥离区宽度d的值，迭代计算的计算误差小于10
‑5，进而通过下式计算气化后煤柱中部的剥离宽度即气化后煤柱实际剥离宽度b：
[0025]式中T为气化后煤柱宽度。
[0026]进一步，气化后煤柱边界曲型所受灰分侧压力为
[0027][0028]式中，H
′
为灰分厚度；γ
′
为灰分的平均容重；φ为灰分内摩擦角；δ为气化后煤柱与灰分的摩擦角；α为气化后煤柱在竖直方向的倾角；θ
′
为最危险滑面倾角。
[0029]根据极限条件下平衡微分方程，求解得气化后煤柱发生塑性变形后屈服区宽度为
[0030][0031]式中，m为气化后煤柱高度；A为弹性区与塑形区的侧压系数；为煤层与顶底板岩层间的内摩擦角；P为灰分侧压力；Z为煤炭开采深度；k为煤柱内的应力集中系数；γ为上覆岩层的平均容重；C为煤层与顶底板岩层间的内聚力。
[0032]进一步，为保证气化场地安全稳定，当气化后煤柱剥离与屈服区宽度之和与燃空区扩大面积相等时最为可靠；若气化后煤柱剥离与屈服前采空区宽度为s1，根据概率积分法地表移动与变形预测模型计算气化后煤柱剥离与屈服前地表移动与变形值W1；然后采用提出的气化后煤柱剥离与屈服区宽度计算公式计算气化后煤柱剥离宽度b与屈服区宽度x0；在气化后煤柱屈服与剥离后采空区宽度扩大为s1+b+x0，并根据概率积分法预测模型得到气化后煤柱屈服与剥离后地表移动与变形值W2，将概率积分法预测模型计算得到的“双曲线”型气化后煤柱屈服与剥离前后地表移动与变形值作差，得到煤炭地下气化地表残余变形量W2‑
W1，进而实现气化场地地表残余变形预测。
[0033]有益效果：本方法通过考虑煤炭地下气化后煤柱为“双曲线”型的特点以及残留固体废弃物性质,建立了顾及“双曲线”型煤柱与灰分条件下的煤炭地下气化煤柱剥离与屈服区宽度计算方法，计算过程简便；并以此提出了煤炭地下气化地表残余变形计算方法，从而实现气化后地表残余变形的预测，在保证安全的情况下计算出可靠的地表残余变形值，为气化场地利用提供了科学的理论依据。
附图说明
[0034]图1为本专利技术煤炭地下气化中“双曲线”型煤柱剥离模型示意图。
[0035]图2为本专利技术对煤柱计算分区示意图。
[0036]图3为本专利技术煤炭地下气化地表残余变形计算方法中煤炭地下气化后煤柱力学模型示意图。
具体实施方式
[0037]下面将结合图和具体实施过程对本专利技术做进一步详细说明：
[0038]如图1、图2和图3所示，本专利技术的一种煤炭地下气化地表残余变形计算方法，煤炭
地下气化后煤柱两侧为双曲线型结构，气化后产生的燃空区两侧为煤柱或未气化煤层；
[0039]根据资料与实测数据确定双曲线型煤柱的高度数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤炭地下气化地表残余变形计算方法，其特征在于：煤炭地下气化后煤柱两侧为双曲线型结构，气化后产生的燃空区两侧为煤柱或未气化煤层；根据资料与实测数据确定双曲线型煤柱的高度数据、宽度数据、竖直方向的倾角以及拱高数据；通过实测数据计算出煤炭地下气化后的灰分生成率，从而利用灰分生成率以及煤柱高度计算出气化后残留在燃空区的灰分厚度；采集煤柱剥离后的煤块进行测试获得碎胀系数；然后根据煤柱剥离后煤块的碎胀系数、燃空区的灰分厚度、双曲线型煤柱的高度、宽度和拱高计算气化后煤柱实际剥离宽度；采集煤层上的煤样进行模拟气化，并根据规范或三轴试验确定煤层与顶底板岩层间的内聚力、内摩擦角；确定煤柱内的应力集中系数、上覆岩层容重以及侧压系数；确定灰分的平均容重、灰分内摩擦角、最危险滑面倾角以及气化后煤柱与灰分的摩擦角；基于上述数据，计算气化后煤柱屈服区宽度，将屈服区宽度与剥离宽度认定为气化燃空区扩大宽度，并认定剥离前后气化区地表沉陷的变形差值等同于地下气化地表残余变形。2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化地表残余变形计算方法，其特征在于：在风化、地下水浸蚀以及上覆岩层压力的协同作用下，气化后煤柱上部出现剥离，剥离后的煤块散落到气化后产生的燃空区内，并形成依靠气化后煤柱侧面堆积形成侧表面倾斜延伸至气化后煤柱顶端的煤堆，通过等效采厚理论，基于气化后灰分生成率k
p
，推导出灰分厚度H
′
＝k
p
m，m为气化后煤柱高度。3.根据权利要求1所述煤炭地下气化地表残余变形计算方法，其特征在于：以气化后煤柱中心为原点，水平方向为x轴；垂直方向为y轴建立坐标系，设气化后煤柱剥离边界曲线为四分之一椭圆，气化后煤柱不高于灰分厚度的部分受灰分侧压力的影响产生少量剥离与膨胀，因此认为剥离煤块的碎胀系数为1；根据气化后煤柱剥离后的几何特点，推导出双曲线型气化后煤柱剥离煤块体积V
p
计算式为式中，k为剥离煤块碎胀系数，设为1；d为气化后煤柱顶部剥离区宽度；θ为休止角；m为气化后煤柱高度；其中V
t
表示气化后“双曲线”型煤柱与顶底板相交点的连线同煤柱“双曲线”型边界线组成的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李怀展，唐超，郭广礼，查剑锋，宫亚强，张学伟，李伟，陈福，周华安，黄成，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：