【技术实现步骤摘要】
本专利技术公开一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计及安全评价方法，属于煤炭地下气化。
技术介绍
1、煤炭地下气化技术是通过在煤层原位构筑地下气化炉，将煤中的有用物质(挥发分、固定碳等)通过热解、燃烧、气化等物理和化学转化的方式转变为可燃气体，将传统物理采煤转变为化学采气。与常规物理采煤方法一样，地下气化开采过程中也需要留设煤柱以保证安全。但与常规采煤方法不同的是，地下气化过程中，煤柱长期处于高温和地应力共同作用的环境中，可能会产生变形、剥离和核区尺寸缩减，使其承载能力下降而发生破坏甚至失稳，导致顶板破断、冒落，进而引发气化炉溃水、煤气泄漏、地表塌陷和地下水污染等事故灾害。受高温和开采方式影响，地下气化煤柱具有形状不规则、质地不均匀等特点，且其体内不同区域的组构和力学特性存在差异且随时间变化，使得煤柱的承载性能不断改变。因此，基于常规物理采煤法的理论或者方法对地下气化条带煤柱进行尺寸设计或者稳定性评价可能带来安全隐患。
2、在煤炭地下气化工程中，主要存在两类煤柱，一种是气化工作面之间留设的煤柱，其作用于等同于常规采煤工作面之间的区段煤柱，主要用于支撑上覆岩层，以防止燃空区顶板出现大面积垮落或者地表发生严重下沉；另一种隔绝地下气化炉与外界(如通风行人巷道、采空区、断层、含水层等)联系的隔离煤柱，这类煤柱除了要能够支撑上覆岩层，还必须具备隔热、防渗和抗暴等功能，以保证井下人员与设备的安全以及生产的稳定，这对有井式地下气化工程尤为重要。已有公开文献或专利主要集中在气化工作面间的区段煤柱(包括条带煤柱)的承载性能、力学特性、尺寸设计
3、与常规物理采煤方法不同，地下气化过程中，煤层燃烧会形成高达1200℃的高温，同时产生co、ch4、h2等有毒或可燃气体，甚至发生爆炸。因此，常规的煤柱稳定性评价方法无法满足地下气化高温、易燃、易爆环境对煤柱安全性的要求，而应该从隔温性、承压性、防渗性、抗爆性等四方面性能来设计煤柱留设尺寸或者评价其安全性：一是煤柱能够完全隔绝地下气化高温对邻近巷道中行人和设施的影响；二是煤柱能够支撑其上覆岩层的载荷并长期维持稳定状态；三是煤柱能够防止气化炉中的有毒、可燃气体渗透至通风行人巷道中；四是煤柱能够抵御气化炉内煤气爆炸产生的冲击载荷。综上，本专利从地下气化炉隔离煤柱对上述四个方面的要求进行分析，然后分别确定保障煤柱各项性能所需的最小宽度尺寸，取其中最大值作为衡量煤柱安全与否的临界值，当实际留设的护巷煤柱宽度尺寸大于等于该临界值时，即认为煤柱安全，否则为不安全。
4、该专利的关键创新点在于综合考虑了地下气化炉隔离煤柱对隔温性、承压性、防渗性、抗爆性等四个方面的需求，并针对每个方面提出了相应的煤柱尺寸确定方法，克服了现有方法仅考虑煤柱承载性能的弊端，不仅可以用于确定地下气化炉隔离煤柱，还可以用于煤柱的安全性评价。
技术实现思路
1、针对上述技术问题，本专利技术提供一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计及安全评价方法，其步骤简单，考虑状态全面，能够从隔温性、承压性、防渗性、抗爆性对地下气化炉隔离煤柱的需求进行分析，构建合理可靠的隔离煤柱，同时对现有的隔离煤柱的安全性做出快速准确的评估，
2、为实现上述技术目的，提供一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，构建的为井式地下气化炉，内部设有气化炉侧巷，其中隔离煤柱只是靠近气化炉内侧受高温影响，气化开采后在燃空区和侧巷之间形成窄煤柱；分别从隔温性、承压性、有害气体防渗性、抗爆性四方面分别对地下气化炉隔离煤柱的需求进行分析：需要满足以下四个要求：
3、地下气化炉隔离煤柱能够完全隔绝地下气化高温对邻近巷道中人员和设施的影响；计算出地下气化过程中隔离煤柱体内的温度场分布情况以及煤柱体内的温度传播范围，其中隔离煤柱体温度场中的预设阈值温度或者原始地温等温线距离燃空区煤壁最远处设定为布置巷道的界限wpt；
4、地下气化炉隔离煤柱在气化过程中能够支撑其上覆岩层的载荷并长期维持稳定状态；为维持隔离煤柱稳定，须保证煤柱承受载荷pal小于其极限载荷pul，并据此设计隔离煤柱的安全尺寸wps；
5、地下气化炉隔离煤柱能够防止气化炉中的有毒、可燃气体渗透至通风行人巷道中，煤柱的设计宽度必须大于燃空区右侧煤壁、气化炉侧巷右侧煤帮和通风行人巷道左侧煤帮的破裂区宽度三者叠加在隔离煤柱形成的最大距离wpf；
6、地下气化炉隔离煤柱能够抵御气化炉内煤气爆炸产生的冲击载荷，冲击载荷为地下气化煤气最大爆炸压力；计算获得基于剪切和弯曲破坏准则设计的煤柱宽度wpes和wpet，较大者即为wpe；
7、取基于隔温、承压、防渗、抗爆等原则设计的隔离煤柱宽度wpt，wps，wpf，wpe，其中最大值max{wpt，wps，wpf，wpe}即为地下气化炉隔离煤柱的宽度尺寸。
8、进一步，随着气化工作面推进，煤体内部不同区域的温度会随着时间变化，设燃空区内介质各向同性，且除了工作面火焰外无其它热源，则隔离煤柱体内的温度场tb(x，t)如下：
9、
10、式中：tf0为火焰工作面温度，对于不同气化工艺，其变化范围为800～1200℃，为确保安全最高温度设1200℃；t0为煤层原始地温，20℃；erfc(x)为余误差函数，x为某点至煤柱表面的距离；a为煤层的导温系数，10-7m2/s；t为气化工作面己运行时间；k为燃空区温度分布函数斜率，℃/s，tfc为煤柱表面的冷却温度，取200℃；ts为气化工作面的服务年限。
11、进一步，隔离煤柱承受载荷的计算方法如下：
12、当采用长壁开采模式时，隔离煤柱上方的载荷源自煤柱上覆岩层重量加上两侧巷道、窄煤柱及燃空区一侧悬露岩层转移到煤柱上的部分重量，则隔离煤柱上的总载荷pa1为：
13、
14、式中：we为气化工作面长度；wp′为窄煤柱的宽度；wr为巷道宽度；wp为隔离煤柱的宽度；h为煤层埋深；δ为燃空区上覆岩层垮落角；γr为岩层平均容重；m为气化煤层厚度；hr为巷道高度；γc为气化煤层容重；
15、若采用短壁开采模式时，燃空区顶板不会发生大面积垮落现象，气化开采后燃空区覆岩的一半重量会转移至隔离煤柱上，则煤柱所受总荷载pa1为：
16、
17、进一步，通过确定煤柱的极限承载强度σz1和塑性区宽度xp，从而确定隔离煤柱的极限载荷pul：
18、①计算隔离煤柱极限承载强度：
19、将煤层概化为均匀、连续、各向同性的理想弹-塑性材料，基于统一强度理论的条带煤柱极限承载强度σzl为：
20、
21、式中：b为统一强度理论参数，其值范围为[0，1]；为煤柱的内摩擦角；c为煤柱的粘聚力；为覆岩平均容重；
22、②计算隔离煤柱塑性区宽度：
23、利用极限平衡理论推导出隔离煤柱塑性区本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，其特征在于，构建的为井式地下气化炉，内部设有气化炉侧巷，其中隔离煤柱只是靠近气化炉内侧受高温影响，气化开采后在燃空区和侧巷之间形成窄煤柱；分别从隔温性、承压性、有害气体防渗性、抗爆性四方面分别对地下气化炉隔离煤柱的需求进行分析：需要满足以下四个要求：
2.根据权利要求1所述的一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，其特征在于，随着气化工作面推进，煤体内部不同区域的温度会随着时间变化，设燃空区内介质各向同性，且除了工作面火焰外无其它热源，则隔离煤柱体内的温度场Tb(x,t)如下：
3.根据权利要求1所述的一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，其特征在于，隔离煤柱承受载荷的计算方法如下：
4.根据权利要求3所述的一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，其特征在于，通过确定煤柱的极限承载强度σzl和塑性区宽度xp，从而确定隔离煤柱的极限载荷Pul：
5.根据权利要求4所述的一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，其特征在于，煤柱宽度需要确保气化炉隔离煤柱的实际承受载荷小于其极限载荷，同时考虑安全系数n，则隔离煤柱
6.根据权利要求1所述的一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，其特征在于，基于破裂区确定煤柱宽度：
7.根据权利要求1所述的一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，其特征在于，地下气化煤气最大爆炸压力的计算过程：首先估算地下气化煤气最大爆炸压力，以此作为隔离煤柱侧面承受的冲击载荷，以确保隔离煤柱的抗爆能力，通过剪切破坏准则和弯曲破坏准则，获得隔离煤柱隔爆的最小宽度；然后定义爆炸反应方程式，然后确定爆炸热效应，确定爆炸最高温度，最后确定爆炸最大压力，从而计算地下气化煤气最大爆炸压力：
8.一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-7中所述的地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法。
9.一种利用权利要求1-7中任意一项权利要求所述地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法的地下气化炉隔离煤柱安全评价方法。
10.一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求9中所述的地下气化炉隔离煤柱安全评价方法。
...【技术特征摘要】
1.一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，其特征在于，构建的为井式地下气化炉，内部设有气化炉侧巷，其中隔离煤柱只是靠近气化炉内侧受高温影响，气化开采后在燃空区和侧巷之间形成窄煤柱；分别从隔温性、承压性、有害气体防渗性、抗爆性四方面分别对地下气化炉隔离煤柱的需求进行分析：需要满足以下四个要求：
2.根据权利要求1所述的一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，其特征在于，随着气化工作面推进，煤体内部不同区域的温度会随着时间变化，设燃空区内介质各向同性，且除了工作面火焰外无其它热源，则隔离煤柱体内的温度场tb(x,t)如下：
3.根据权利要求1所述的一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，其特征在于，隔离煤柱承受载荷的计算方法如下：
4.根据权利要求3所述的一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，其特征在于，通过确定煤柱的极限承载强度σzl和塑性区宽度xp，从而确定隔离煤柱的极限载荷pul：
5.根据权利要求4所述的一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，其特征在于，煤柱宽度需要确保气化炉隔离煤柱的实际承受载荷小于其极限载荷，同时考虑安全系数n，则隔离煤柱的宽度为：
6.根据权利要求1所述的一种地下气化炉隔离煤柱尺寸设计方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄温钢，段天宏，王作棠，辛林，李怀展，王国志，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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