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(shí)驗(yàn)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(xué)開采方法將煤炭在地下原位直接進(jìn)行燃燒氣化產(chǎn)生可燃?xì)怏w，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(diǎn)，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(gè)國家進(jìn)行了大量的理論研究和工業(yè)性試驗(yàn)，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(jì)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(jìn)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(dá)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?zé)?。燒變后巖石的物理力學(xué)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(yùn)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(jìn)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(kuò)展規(guī)律，具有重要的研究價(jià)值。

在煤炭地下氣化覆巖高溫?zé)崽匦詫?shí)驗(yàn)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(gè)放置于加熱爐中進(jìn)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(shí)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?zé)崽匦詫?shí)驗(yàn)室研究中，需要一種可模擬覆巖單向受熱的實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jìn)一步研究煤炭地下氣化采場覆巖熱損傷破裂特性及機(jī)理創(chuàng)造良好的條件。

為實(shí)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(shí)驗(yàn)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?zé)犭娕?、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(shí)驗(yàn)方法，步驟如下：

一、確定巖石試件物理力學(xué)參數(shù)：

在煤層頂板現(xiàn)場采集頂板巖石，在實(shí)驗(yàn)室做成巖石試件，尺寸為φ50×100，進(jìn)行巖石力學(xué)分析，確定煤體的物理力學(xué)參數(shù)，所要獲得的巖石物理力學(xué)參數(shù)主要包括：巖石的抗壓強(qiáng)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(jì)算巖石試件在單面恒溫加熱條件下，試件高度方向上隨時(shí)間的溫度分布范圍，理論計(jì)算試件軸向隨傳熱時(shí)間變化的熱應(yīng)力數(shù)值，根據(jù)試件高度方向上隨時(shí)間變化的溫度分布值，可以得到不同加熱時(shí)間時(shí)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(shí)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(dá)800-1000℃，為了在實(shí)驗(yàn)室模擬覆巖的受熱狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(gè)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(jìn)行加熱，并通過加熱控制系統(tǒng)對加熱方式進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測，熱應(yīng)力值由壓力傳感器進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測記錄；

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)束：

當(dāng)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(dá)到所設(shè)定的終止條件時(shí)，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(jìn)行監(jiān)測，帶巖石試件降溫至常溫后停止監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

本發(fā)明有益效果為：可在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)際，也更加真實(shí)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(shí)驗(yàn)，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(jī)理，提供了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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?zé)犭娕肌囟炔杉K；

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(shí)驗(yàn)方法，步驟如下：

步驟1，確定巖石試件物理力學(xué)參數(shù)

在待氣化煤層頂板采集砂巖巖石樣品，進(jìn)行巖樣基本力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，確定巖石樣品的物理力學(xué)參數(shù)。所獲得的巖石力學(xué)參數(shù)主要包括：巖石的抗壓強(qiáng)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(xué)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(shí)間，秒；

z—高度方向坐標(biāo)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(biāo)變化。

該傳熱方程的起始條件、加熱邊界條件和無窮遠(yuǎn)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(yuǎn)處邊界條件，通過對傳熱方程(1)進(jìn)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(jìn)行數(shù)值模擬，與理論計(jì)算值進(jìn)行對比驗(yàn)證。

②確定熱電偶選型

根據(jù)理論計(jì)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(dāng)加熱時(shí)間為tei(i＝6)時(shí)的溫度值，并乘以一個(gè)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(gè)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(gè)熱電偶，共6個(gè)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(diǎn)與巖石試件壁面點(diǎn)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(gè)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(jìn)行預(yù)警，當(dāng)該熱電偶所測溫度值等于90℃時(shí)，為保護(hù)聲發(fā)射探頭，則實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)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(shí)確定最終加熱時(shí)間tei(i＝1,2,3,…,6)，最終加熱時(shí)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?zé)釗p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(jìn)行監(jiān)測，熱應(yīng)力值由壓力傳感器9進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測記錄。

步驟6，實(shí)驗(yàn)結(jié)束

當(dāng)6#熱電偶的測溫顯示該處巖石試件20溫度增量δt分別達(dá)到所設(shè)定的終止條件時(shí)(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(jìn)行監(jiān)測，帶巖石試件20降溫至常溫后停止監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

本具體實(shí)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(diǎn)如下：

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

(3)該裝置可以實(shí)時(shí)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(shí)施例的細(xì)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(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)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(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)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(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。