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煤炭地下气化燃空区覆岩裂隙演化及破断规律研究

作　者: 唐芙蓉
导　师: 王连国
学　校: 中国矿业大学
专　业: 固体力学
关键词: 煤炭地下气化 燃空区 覆岩破断 裂隙演化 温度-应力耦合
分类号: TD841
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 22次
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内容摘要


煤炭地下气化技术是将地下煤炭通过热化学反应原地转化为可燃气体的一种洁净煤综合利用技术。在煤炭地下气化过程中，如何准确地查明燃空区覆岩裂隙演化及破断规律，对于保证煤炭地下气化稳定、安全生产具有重要的意义。本文以国内某煤炭地下气化现场的工程地质条件为背景，综合采用物理相似模拟、数值模拟、理论分析以及现场实测相结合的研究手段和方法，对温度与应力共同作用下的燃空区覆岩变形、破坏以及裂隙扩展规律等进行了深入、系统地研究，取得了如下创新性成果：(1)进行了实时高温下(常温~800℃)不同岩性(包括泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩等)岩石试样的热物理性质和力学性质的实验室试验，获得了岩石比热容、导热系数、弹性模量以及抗压强度等参数随温度的演化规律，为研究温度场和应力场共同作用下燃空区覆岩裂隙演化及破断规律提供了基础试验数据。(2)以国内某煤炭地下气化现场的具体工程地质条件为原型，采用相似材料模拟试验手段对煤炭地下气化过程中燃空区扩展过程进行了物理模拟研究，获得了温度场和应力场影响下的燃空区覆岩破断、冒落形态及高度、裂隙扩展演化等规律，为煤炭地下气化现场工程设计提供了重要的指导依据。(3)基于实验室试验获得的岩石热物理和力学性质的参数，建立了高温下岩石热传导控制方程以及岩石损伤本构方程，并将其嵌入到RFPA以及COMSOL软件中，对温度和应力耦合作用下的燃空区扩展过程进行了数值模拟，深入研究了燃空区扩展过程中覆岩温度、应力的分布规律及覆岩破断和裂隙扩展演化规律。(4)在传统的岩层控制关键层理论的基础上，进一步借助热力学理论和弹性力学理论，建立了温度与应力共同作用下的燃空区覆岩关键层力学模型，从理论上研究了燃空区覆岩关键层的位置、初次破断及周期破断演化规律。通过在现场采用钻孔观测试验法对燃空区覆岩裂隙带发育高度进行了现场探测分析，现场探测结果与本文的相似模拟试验、数值模拟及理论分析结果吻合良好，有力地证明了本文试验及模型结果的合理性。本文的研究成果对于指导煤炭地下气化燃空区覆岩稳定性控制具有重要的理论与工程意义。该论文有图127幅，表20个，参考文献195篇。

全文目录


致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
Extended Abstract  8-12
目录  12-16
图清单  16-23
表清单  23-25
变量注释表  25-27
1 绪论  27-50
  1.1 研究背景及意义  27-29
  1.2 国内外研究现状  29-46
  1.3 存在的主要问题  46
  1.4 本文研究内容及技术路线  46-50
2 岩石热物理和力学性质试验研究  50-89
  2.1 岩石密度试验  50-54
  2.2 岩石比热容试验  54-57
  2.3 岩石导热系数试验  57-61
  2.4 岩石劈裂试验  61-64
  2.5 岩石压剪试验  64-69
  2.6 岩石常温单轴压缩试验  69-73
  2.7 岩石高温单轴压缩试验  73-85
  2.8 岩石碎胀系数试验  85-87
  2.9 本章小结  87-89
3 燃空区覆岩裂隙演化及破断规律的相似模拟试验研究  89-129
  3.1 原型条件  89-91
  3.2 燃空区覆岩温度场分布规律  91-94
  3.3 相似模型建立  94-104
  3.4 燃空区覆岩裂隙演化与破断规律的相似模拟结果  104-116
  3.5 不考虑温度影响的燃空区覆岩裂隙演化及破断规律的相似模拟试验  116-127
  3.6 本章小结  127-129
4 燃空区覆岩裂隙演化及破断规律的数值模拟研究  129-148
  4.1 数值计算模型建立  129-130
  4.2 燃空区覆岩裂隙演化及破断规律的数值模拟结果  130-141
  4.3 不考虑温度影响的燃空区覆岩裂隙演化及破断规律的数值模拟  141-147
  4.4 本章小结  147-148
5 燃空区覆岩破断规律的理论研究  148-159
  5.1 燃空区覆岩关键层的力学模型  148-149
  5.2 燃空区覆岩关键层初次破断规律  149-151
  5.3 燃空区覆岩关键层周期破断规律  151-157
  5.4 本章小结  157-159
6 工程实践  159-171
  6.1 工程地质概况  160-161
  6.2 温度-应力耦合作用下燃空区覆岩裂隙演化规律数值模拟  161-168
  6.3 燃空区覆岩裂隙带发育高度现场探测  168-170
  6.4 本章小结  170-171
7 结论与展望  171-174
  7.1 主要结论  171-173
  7.2 展望  173-174
参考文献  174-184
作者简历  184-187
学位论文数据集  187

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中图分类: > 工业技术 > 矿业工程 > 矿山开采 > 煤及油页岩地下气化 > 地下气化理论
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