一種煤炭地下氣化覆巖單向受熱模擬實驗系統(tǒng)及方法與流程

本發(fā)明涉及的是一種煤炭地下氣化覆巖單向受熱模擬實驗系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

煤炭地下氣化技術(shù)(undergroundcoalgasification,ucg)是采用化學開采方法將煤炭在地下原位直接進行燃燒氣化產(chǎn)生可燃氣體，是一種高碳資源低碳化開發(fā)清潔能源新技術(shù)，也是資源與環(huán)境協(xié)調(diào)的煤炭綠色開采技術(shù)。煤炭地下氣化將建井、采煤、氣化三大工藝合而為一，以其產(chǎn)氣成本低、安全性高和環(huán)境效益好的優(yōu)點，在世界范圍內(nèi)受到了廣泛的重視，前蘇聯(lián)、歐洲、美國、日本、澳大利亞、中國及亞洲多個國家進行了大量的理論研究和工業(yè)性試驗，該技術(shù)在低品質(zhì)(高硫、高灰)、急傾斜、薄煤層、深部煤層、“三下”壓煤以及常規(guī)技術(shù)經(jīng)濟不可采等殘滯留煤的開采利用方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

煤炭地下氣化是將煤炭在地下原位直接進行燃燒氣化，是一種自熱式燃燒氣化方式，氣化爐內(nèi)火焰工作面采場及周圍燃空區(qū)的溫度將達到1000℃左右，燃空區(qū)高溫氣流通過對流和輻射傳熱方式烘烤采場覆巖，將使覆巖發(fā)生高溫燒變。燒變后巖石的物理力學性質(zhì)將發(fā)生很大變化，將對地下氣化采場覆巖穩(wěn)定性和氣化爐運行安全性造成一定影響。因此，研究采場覆巖高溫條件下溫度場分布，以及熱損傷破裂特性，對于進一步研究煤炭地下氣化采場覆巖熱力耦合應(yīng)力場、位移場分布以及燃控區(qū)擴展規(guī)律，具有重要的研究價值。

在煤炭地下氣化覆巖高溫熱特性實驗室研究中，巖石試件的加熱處理方式是研究的關(guān)鍵。煤炭地下氣化覆巖處于單向受熱狀態(tài)，覆巖的溫度分布、熱損傷特性也呈現(xiàn)單向分布的規(guī)律。傳統(tǒng)的巖石試件加熱處理方式是將巖石試件整個放置于加熱爐中進行程序升溫或者恒溫加熱，然后再研究試件的熱損傷特性，該加熱處理方式忽略了煤炭地下氣化覆巖的真實受熱狀態(tài)，也無法獲取覆巖在單向受熱過程中溫度場的分布以及熱破裂的特性。

因此，在煤炭地下氣化覆巖高溫熱特性實驗室研究中，需要一種可模擬覆巖單向受熱的實驗裝置，并進一步研究覆巖在單向受熱狀態(tài)下的溫度梯度分布以及熱損傷特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提供了一種煤炭地下氣化覆巖單向受熱模擬實驗系統(tǒng)及方法，該技術(shù)操作方便，簡便有效，可用于巖石試件單向受熱的溫度分布、熱應(yīng)力分布和聲發(fā)射特性研究，為進一步研究煤炭地下氣化采場覆巖熱損傷破裂特性及機理創(chuàng)造良好的條件。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種煤炭地下氣化覆巖單向受熱模擬實驗系統(tǒng)，包括巖石試件、罐體及支架部分、保溫部分、加熱和溫控部分、溫度監(jiān)測部分、熱應(yīng)力監(jiān)測部分和聲發(fā)射監(jiān)測部分；

所述巖石試件尺寸為φ50×100mm；

所述罐體及支架部分包括上部哈氏合金墊塊、下部哈氏合金墊塊、哈氏合金加熱墊塊、合金鋼罐體、合金鋼罐體頂蓋、螺旋緊固盤、不銹鋼支柱、合金鋼底座、合金鋼上部托架；

所述保溫部分包括上部填充隔熱保溫材料、葉蠟石粉；

所述加熱和溫控部分包括鎳鉻合金發(fā)熱片、溫度控制器；

所述溫度監(jiān)測部分包括耐高溫熱電偶、溫度采集模塊；

所述聲發(fā)射監(jiān)測部分包括ae聲發(fā)射傳感器；

所述熱應(yīng)力監(jiān)測部分包括應(yīng)力監(jiān)測模塊。

一種煤炭地下氣化覆巖單向受熱模擬實驗方法，步驟如下：

一、確定巖石試件物理力學參數(shù)：

在煤層頂板現(xiàn)場采集頂板巖石，在實驗室做成巖石試件，尺寸為φ50×100，進行巖石力學分析，確定煤體的物理力學參數(shù)，所要獲得的巖石物理力學參數(shù)主要包括：巖石的抗壓強度、彈性模量、泊松比、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容、密度、熱膨脹系數(shù)；

二、確定加熱工藝參數(shù)：

根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)理論，建立滿足第一類邊界條件的一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程，理論計算巖石試件在單面恒溫加熱條件下，試件高度方向上隨時間的溫度分布范圍，理論計算試件軸向隨傳熱時間變化的熱應(yīng)力數(shù)值，根據(jù)試件高度方向上隨時間變化的溫度分布值，可以得到不同加熱時間時試件不同高度層位的溫度值，作為不同高度層位熱電偶選擇的依據(jù)，根據(jù)試件軸向隨傳熱時間變化的熱應(yīng)力值，作為熱應(yīng)力監(jiān)測模塊選型的依據(jù)；煤炭地下氣化火焰工作面附近的溫度可達800-1000℃，為了在實驗室模擬覆巖的受熱狀態(tài)，實驗室確定巖石試件下端的加熱溫度為900℃，采用恒溫加熱方式，由溫控控制器對加熱端溫度進行恒溫控制；

三、各部分的安裝：

1、巖石試件與加熱部分安裝：將巖石試件下端嵌入在下部的哈氏合金b2上，哈氏合金b2內(nèi)部安裝鎳鉻合金發(fā)熱片，發(fā)熱片上端安裝一個哈氏合金傳熱墊片，傳熱墊片與巖石試件直接接觸，使巖石試件下端面受熱均勻，將哈式合金b2嵌入下墊塊(碳纖維隔熱材料)內(nèi)，然后將下墊塊嵌入缸體下底蓋，將缸筒與下底蓋螺紋連接在一起，完成裝置缸體部分安裝；

2、溫度監(jiān)測部分安裝：在缸筒縱剖面兩側(cè)，打眼布置溫度熱電偶安裝孔，所安裝溫度熱電偶由溫度采集模塊將所測溫度值顯示在電腦并儲存；

3、聲發(fā)射探頭安裝：在巖石試件的上端面安裝ae聲發(fā)射探頭，聲發(fā)射探頭可監(jiān)測巖石試件在加熱過程中，巖石熱破裂所引發(fā)的聲發(fā)射事件；

4、隔熱材料填裝：在巖石試件、加熱部分、溫度監(jiān)測部分、聲發(fā)射探頭安裝到位后，在缸筒內(nèi)填充隔熱保溫材料；

5、熱應(yīng)力監(jiān)測部分安裝：將巖石試件上端面嵌入其上部的合金壓頭，在合金壓頭上面安裝壓力傳感器，通過壓力傳感器監(jiān)測巖石試件受熱膨脹的熱應(yīng)力大小值，并由采集模塊將所測壓力值顯示在電腦并儲存；

6、外框架結(jié)構(gòu)安裝：將缸筒置于底座上，用螺栓固定，底座與上橫梁用立柱螺紋連接；

四、加熱操作：

巖石試件下端面由加熱爐對巖石試件進行加熱，并通過加熱控制系統(tǒng)對加熱方式進行控制；

五、溫度、熱應(yīng)力以及聲發(fā)射事件監(jiān)測：

巖石試件高度方向上不同層位的溫度值由熱電偶進行監(jiān)測，熱應(yīng)力值由壓力傳感器進行監(jiān)測，聲發(fā)射事件由ae聲發(fā)射探頭采集并經(jīng)聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測記錄；

六、實驗結(jié)束：

當最上端熱電偶的測溫顯示該處巖石試件溫度增量δt分別達到所設(shè)定的終止條件時，停止加熱，停止加熱后，考慮到傳熱以及熱破裂的滯后性，上述溫度、熱應(yīng)力以及聲發(fā)射事件監(jiān)測系統(tǒng)繼續(xù)進行監(jiān)測，帶巖石試件降溫至常溫后停止監(jiān)測，實驗結(jié)束。

本發(fā)明有益效果為：可在實驗室有效模擬煤炭地下氣化覆巖單向受熱過程，監(jiān)測覆巖在高度方向上的溫度梯度分布、熱應(yīng)力變化以及熱破裂聲發(fā)射特性；該實驗裝置對巖石試件加熱處理的方法，更加符合煤炭地下氣化覆巖受熱過程的實際，也更加真實有效地用于研究梯度溫度作用下覆巖熱破裂宏觀聲發(fā)射特性、熱破裂演化規(guī)律，加熱方式簡單易控，能夠很好地用于試件高溫單向加熱實驗，對研究該加熱條件下試件溫度分布、熱應(yīng)力分布、聲發(fā)射特性以及熱破裂特性和機理，提供了實驗條件，解決了在一定受熱邊界條件下加熱處理方法，對其他材料，或者其他加熱條件(中低溫加熱以及變溫控制)等同樣適用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體框架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的加熱、溫度監(jiān)測、熱應(yīng)力監(jiān)測以及聲發(fā)射監(jiān)測部分工作示意圖；

圖3是本發(fā)明的實驗方法原理圖；

圖中1-底座；2-底盤；3-下墊板；4-下承載板；5-傳熱片；6-立柱；7-上壓蓋；8-壓頭；9-傳感器；10-絲杠；11-絲母；12-手輪；13-蓋母；14-絲杠壓蓋；15-巖棉隔熱材料；16-葉蠟石粉；17-試驗筒體；18-加熱爐；19-上橫梁；20-巖石試件；21-ae傳感器；22-聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)；23-溫度監(jiān)測系統(tǒng)；24-加熱與溫控系統(tǒng)。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實施方式，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施方式僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

參看圖1至圖3，本具體實施方式采用以下技術(shù)方案：一種煤炭地下氣化覆巖單向受熱模擬實驗系統(tǒng)，包括巖石試件20、罐體及支架部分、保溫部分、加熱和溫控部分、溫度監(jiān)測部分、熱應(yīng)力監(jiān)測部分和聲發(fā)射監(jiān)測部分；

所述巖石試件20尺寸為φ50×100mm；

所述罐體及支架部分包括上部哈氏合金墊塊、下部哈氏合金墊塊、哈氏合金加熱墊塊、合金鋼罐體、合金鋼罐體頂蓋、螺旋緊固盤、不銹鋼支柱、合金鋼底座、合金鋼上部托架；

所述保溫部分包括上部填充巖棉隔熱材料15、葉蠟石粉16；

所述加熱和溫控部分包括鎳鉻合金發(fā)熱片、溫度控制器；

所述溫度監(jiān)測部分包括耐高溫熱電偶、溫度采集模塊；

所述聲發(fā)射監(jiān)測部分包括ae傳感器21；

所述熱應(yīng)力監(jiān)測部分包括應(yīng)力監(jiān)測模塊。

一種煤炭地下氣化覆巖單向受熱模擬實驗方法，步驟如下：

步驟1，確定巖石試件物理力學參數(shù)

在待氣化煤層頂板采集砂巖巖石樣品，進行巖樣基本力學實驗分析，確定巖石樣品的物理力學參數(shù)。所獲得的巖石力學參數(shù)主要包括：巖石的抗壓強度、彈性模量、泊松比、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容、密度、熱膨脹系數(shù)。

表砂巖巖石樣品物理力學參數(shù)記錄表

步驟2，確定加熱工藝參數(shù)

①確定傳熱微分方程

根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)理論，建立滿足第一類邊界條件的熱傳導(dǎo)微分方程為：

式中，t—溫度值，℃；

τ—時間，秒；

z—高度方向坐標值，m；

a—熱膨脹系數(shù)，a＝k/ρc，1×10^-6/℃。

該傳熱方程的假設(shè)：假設(shè)巖石內(nèi)部各向同性，忽略巖層內(nèi)部空隙、裂隙、節(jié)理、斷層及滲透性影響，且一般無熱源，巖層初始溫度(原巖溫度)相同且等于某一常數(shù)t0。因此上述微分方程的熱傳導(dǎo)系數(shù)k、比熱容c和密度ρ都可以看作是常數(shù)，不隨溫度和坐標變化。

該傳熱方程的起始條件、加熱邊界條件和無窮遠處邊界條件如下：

t(z,0)＝t0(2)

t(0,τ)＝tc(3)

式中，t0—巖石起始溫度值，℃；

tc—巖石下邊界加熱溫度值，℃。

帶入起始條件、加熱邊界條件以及無窮遠處邊界條件，通過對傳熱方程(1)進行求解，可以得到一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的解析解。

采用comsol多場耦合數(shù)值模擬軟件，對模型傳熱進行數(shù)值模擬，與理論計算值進行對比驗證。

②確定熱電偶選型

根據(jù)理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果，得到巖石試件20不同高度層位上當加熱時間為tei(i＝6)時的溫度值，并乘以一個富裕系數(shù)(可取1.3)作為熱電偶量程范圍的確定依據(jù)。

步驟3，各部分安裝

(1)巖石試件20與加熱部分安裝：將巖石試件20下端嵌入在下部的哈氏合金b2上，嵌入深度為1mm，以便試件對正。哈氏合金b2內(nèi)部安裝鎳鉻合金發(fā)熱片，發(fā)熱片上端安裝一個哈氏合金傳熱墊片，傳熱墊片與巖石試件20直接接觸，使巖石試件20下端面受熱均勻。將哈式合金b2嵌入下墊塊(碳纖維隔熱材料)內(nèi)，然后將下墊塊嵌入缸體下底蓋。將缸筒與下底蓋螺紋連接在一起，完成裝置缸體部分安裝。

(2)溫度監(jiān)測部分安裝：在缸筒縱剖面兩側(cè)，打眼布置溫度熱電偶安裝孔，縱剖面兩側(cè)各布置3個熱電偶，共6個熱電偶(由下到上依次為1#、2#、3#、4#、5#和6#)，由下到上距離試件下端面的間距分別為5mm、25mm、45mm、65mm、85mm、95mm。熱電偶前端點與巖石試件壁面點接觸，測量該高度位置的溫度值，由溫度采集模塊將所測溫度值顯示在電腦并儲存。

(3)聲發(fā)射探頭安裝：在巖石試件20的上端面5mm處安裝3個ae聲發(fā)射探頭(1#、2#和3#)，聲發(fā)射探頭的耐熱溫度最高為100℃，根據(jù)與聲發(fā)射探頭同一高度位置的最上端熱電偶溫度值進行預(yù)警，當該熱電偶所測溫度值等于90℃時，為保護聲發(fā)射探頭，則實驗必須停止加熱。

(4)隔熱材料填裝：在巖石試件20、加熱部分、溫度監(jiān)測部分、聲發(fā)射探頭安裝到位后，在缸筒內(nèi)填充葉蠟石粉16隔熱保溫材料和巖棉隔熱材料15。

(5)熱應(yīng)力監(jiān)測部分安裝：將巖石試件20上端面嵌入其上部的合金壓頭，嵌入深度為1mm，在合金壓頭8上面安裝壓力傳感器9，并與固定在上橫梁上19的絲杠10連接。通過旋轉(zhuǎn)加載手柄將絲杠10與壓力傳感器9頂緊。加熱實驗過程中，絲杠10端固定，通過壓力傳感器9監(jiān)測巖石試件20受熱膨脹的熱應(yīng)力大小值，并由采集模塊將所測壓力值顯示在電腦并儲存。

(6)外框架結(jié)構(gòu)安裝：將缸筒置于底座1上，用螺栓固定。底座1與上橫梁19用4根立柱螺紋連接，保證底座1與上橫梁19平行度誤差在0.1mm范圍內(nèi)。

步驟4，加熱操作

巖石試件20下端面采用恒溫加熱方式，恒溫為900℃，同步記錄加熱時間(t)并記錄各熱電偶(1#～6#)溫度值t。根據(jù)6#熱電偶的測溫數(shù)據(jù)，當該位置巖石試件溫度增量δt(t-t0，t0為原巖溫度)分別為10℃、30℃、60℃和90℃時確定最終加熱時間tei(i＝1,2,3,…,6)，最終加熱時間的不同引起溫度發(fā)展范圍的不同，有助于反映巖石試件20高度方向上發(fā)生高溫熱損傷范圍的變化。

步驟5，溫度、熱應(yīng)力以及聲發(fā)射事件監(jiān)測

巖石試件20高度方向上不同層位的溫度值由1#-6#熱電偶進行監(jiān)測，熱應(yīng)力值由壓力傳感器9進行監(jiān)測，聲發(fā)射事件由1#～3#ae聲發(fā)射探頭采集并經(jīng)聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)22進行監(jiān)測記錄。

步驟6，實驗結(jié)束

當6#熱電偶的測溫顯示該處巖石試件20溫度增量δt分別達到所設(shè)定的終止條件時(即δt＝10℃、30℃、60℃和90℃)，停止加熱。停止加熱后，考慮到傳熱以及熱破裂的滯后性，上述溫度、熱應(yīng)力以及聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)22繼續(xù)進行監(jiān)測，帶巖石試件20降溫至常溫后停止監(jiān)測，實驗結(jié)束。

本具體實施方式主要用于試件樣品在單向受熱狀態(tài)下的溫度分布、熱應(yīng)力變化以及熱破裂聲發(fā)射特性的研究，其優(yōu)點如下：

(1)現(xiàn)有加熱設(shè)備及方式無法實現(xiàn)對試件樣品的單向加熱，馬弗爐等加熱裝置是將整個試件樣品放入其中，對其整體部分進行加熱。

(2)可以監(jiān)測試件樣品在單向傳熱過程中，高度方向上的溫度分布和熱應(yīng)力變化，而馬弗爐等加熱裝置則不具備此項功能。

(3)該裝置可以實時監(jiān)測試件樣品在受熱過程中的熱破裂聲發(fā)射特性，這是其他加熱設(shè)備所不能滿足的。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。