煤炭地下气化三维渗流数学模型的研究.pdf

第2 9 卷第5 期 中国矿业大学学报V o I ．2 9N 。，5 2 0 0 0 年9 月J o u r n a l0 { C h i n aU n i v e r 苗t yo fM i n i n g ＆T e c h n o | o g y S e p ．2 0 0 0 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 0 0 50 5 2 8 0 4 煤炭地下气化三维渗流数学模型的研究 杨兰和 中国矿业大学资源与环境科学学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要研究了煤炭地下气化流体非线性渗流运动特征．在模型试验的基础上，通过对气化发生炉 体内煤层燃烧气化过程中渗流场分布和变化规律的分析，建立了三维非稳定非线性渗流教学模 型．阐述了主要模型参数的选取方法，用有限单元法对数学模型进行了求解，并对模拟计算结果 进行了分析和讨论．计算值和实测值基本相符合，证明了对气化炉的渗流场的数值模拟是可靠 的． 关键词煤炭地下气化；三堆非稳定；非线性‘渗流场；数学模型 中图分类号T Q5 4 6文献标识码A 在煤炭地下气化过程中，气体运动直接影响着 燃烧区和整个气化炉流体的运移与浓度的分布，制 约着气化剂的扩散，故最终决定着气、固之间的化 学反应速度及煤层的燃烧气化过程．显然，正确研 究火焰工作面附近的化学反应过程、气化剂的运移 规律、温度场的分布规律，必须首先研究地下气化 炉俸内流体的运动规律．本文在实验室模型试验的 基础上，对气化炉体内气体运动规律进行了分析， 建立了气体流动的三维非稳定非线性渗流数学模 型，并采用有限单元法进行了求解，取得了比较理 想的效果． 1 模型试验条件 试验气化炉模型是一个7 1 8c m 1 3 6c mx 7 5c m 长宽高 的长方体铁箱，炉体内净填煤 约21 8 4k g ．煤层走向8 0c m ，倾斜长度6 0 0c m ，厚 度3 5c m ，斜长与垂高之比为1 0 t 1 ，为一缓倾斜煤 层．煤层内埋设一定数量的药卷，温控爆破使煤层 松裂，以利燃烧[ 1 ] ．沿倾斜方向，在煤层的两侧底部 分别埋置一根郯0m i l l 的花钢管，以供风和排气之 用，供排气方向则由换向阀门控制．整个炉体由隔 热耐火层、保温层及密封层组成．沿煤层倾斜方向 布置了1 3 排测压点，每排3 个，共设置3 9 个测压 点．根据地震探测的气化炉体纵测透射剖面，其空 间分布示于图1 ． 析空区燃烧区橙神区 原煤区 图1 气化空间分区示意图 F i g ．1D i a g r a mo fg a s i f i c a t i o na p a c ep a r t i t i o n 2 地下气化气体渗流运动特征 煤层在燃烧气化过程中，随着火焰工作面的刁 断移动，析空区 图1 越来越大，各处的风压以互 距进出口边界的距离变化也愈来愈大，因此，地_ f 气化炉体内各点的流速相差很大。那么，各点风目 的雷诺数相差也比较大． 雷诺数较大时，流体服从非线性渗流定律．蜀 于三维不可压缩渗流，其质量守恒方程为0 3 V “训一0 ， 1 v 一焉， ∞ 式中”为源汇项，m ／s ；v 为渗流速度，m ／s ；H 多 压头函数，1 1 1 ；v 为H a m i l t o n 箅子；口 u ／g e ，b M ／g n e 其中e 为渗透率，m 2 ；v 为运动粘性系数 m 2 ／s ；g 为重力加速度，m ／s 2 ；n 为孔隙度；卢为几和 形状系数；d 为介质当量直径，m ． 在笛卡尔直角坐标系中，有 收藕日期} 2 0 0 0 0 3 2 6 基金项目t 国家自然科学基金资助项目 5 9 9 0 6 0 1 4 作者筒介t 扬兰和 1 9 6 4 一 ．男，山东省高城市人，中国矿业大学副教授，工学博士．从事攥搅地下气化与环埯科拳研靠． 万方数据 第5 期 杨兰和煤凝地下气化三维渗流数学模型的研究5 2 9 一一二 L 型⋯二L 篓f “。一n 细缸’“，一日 b y0 v ’ 仉 再- 瓦1 瓦M 4 ， 3 。。’’。。。’ 。。。。，H ● 。。_ p 。‘。。～ 式中口一√记u } “ ； 嫒． 将式 2 代入式 1 得 V f 篇卜Ⅳ o ． ㈤ 3 渗流数学模型的建立 3 。1 基本假设 流体不可压缩；忽珞热阻力效应；忽略节漉效 应；非均质备向同性c “． 3 ．2 定解条件 第1 类边界设置在析空区流体入口处，压力 值班此处定时观测的数据为依据． 第2 类边界没定在析空区出口处，由于每隔 一定时间对出日赫的气体流量进行了测定，敞2 类 边界西上的浚量为已知． 初始条件以点火后，鼓风踅达到稳定时的流 体压力测试结果为初始压力簸件。 3 ，3 数学模墅 煤炭地下气化漉体三维非稳态非线性渗流运 动的数学模型为 af1 a l l l ，of 1 a H l 缸IE } 妇缸∥静I 口十幻劫』『 磊a I 而1 警 十W s 警， 0 ， z ，Y ， ∈S 1 杰 馨c o s c 以卅 杰 磬o s 以歹， 而1 警c 0 S 以z 叫z 啪蹦 ， 8 0 ≥0 ， o ，Y ，2 eS 2 ， 式中S 。为与礼隙率有关的常数；j 矗为初始鹾头 强数，m ；灯；为已知鹾头函数，m ； 为n 的第1 类 边界面；南为疗的第2 类边界掰；口为渗流域；一7 为 S 蘑的外法线方向；g 为S 。题上的流量，m 3 ／s ；t 为 时间 s ．其它符号意义简前． 4 模型的有限元解法 卒文采用伽辽金有限单元法求照上述数学模 型，为此，设 L c H ，一引3 而1 面a t t 卜未点警 一o l赢1謦卜W3zb y飞型3 t 一。．㈣＼口越J ” ”’⋯ 取试探解 翁 ∑G 黟，臼，y ， ． 1 0 限定它满足数学模型中绘定压头的边界条件，其中 { 彰， z ，J ，2 ，i 一1 ，2 ，⋯，N } 是纂函数缱；{ ￡ f ，i 1 ，2 ，⋯，N 是依鞍予时阗的系数，按伽辽金方 法，对于圊定的t ，这些系数可由下剜方程组解出 皿，L m 弧∞舭 d 埘埘一⋯1 1 1 一l ，2 ，⋯，Ⅳ 将式 9 代入上式得 甄，{ 麦忐磐j 毒 再1 面芬 飘O 。 1 锄9 娩／7 』1 Ⅳ一s s 警} x飘口 锄娩』十坩一6 s i 『 g 。d z d 撕z 一0 i l ，2 ，⋯，N ． 1 2 对上式两端使用椿林公式，则有 Ⅲ 毫 i ‰尝 ∥蠢捌必z ～最 杰馨警舾灿 Ⅱa 上 b v 影，面e H c 幽’㈡批 1 3 对予变萤y 和z 有类似表选式，把它们都代A 到式 2 0 ％ 以外，其余各点的 计算相对误蓑均在1 0 ％～1 8 ％之间，计算结果与 试戳淹试结果萋率一致． 橱拯尴坝廿篁皱纂．气熔乐咖沿搓是撼键盘自 b 1 1 月5 日 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 劬 是逐濒降低静，瑟柱不翘区段下终壤疫期差较太。 在析空区压力变化较小，下降平缓；在燃烧区，即在 火焰工作面附近魔然降低，流体进入松动区，其压 力值最低，接近于零．这是西为祈空鬣流体运动随 灰小．浚携搀女。鼓气椿压力在铯枣l 愈接近燃烧 万方数据 第5 期 枥茎张煤炭地下气佬三维渗流数学模型的瓣究 区，流体瓣受到的阻力愈大，渗透性愈小，使气俸压 力也愈来愈糸{ 在燃烧隧附近，渗透阻力急剩增加， 导致流体莲力下海鼹度簸大；在松动区，渗透阻力 继续增加，使流体运动磊力趋近于零n ] ．试验中，由 于焦浊堵塞，使部分铡搓患孛后期已观测不出压 力，因而缺少足够多的压力测点对数值计算结果进 行反演拟合，欠缺计算耩度的全霹验诞，但上述不 同时刻的拟合计算结果表明，气化炉体内气然漉动 压力豹数值模拟计算簋与试验测定健畿够较好魏 相吻合，弗且模拟计算维聚符食实际地下气化过程 中漉俸鹾力的分布规律，这充分证明，本文所建立 的煤炭她下气佬三缀非稳态非线性渗流数学模型 是芷确的，模拟计算结粜也是可靠的． 条僚，酋次建立了煤炭地下气亿过程中气俸流动的 三维稚稳态非线性数学模型，并用舞隈单元法送行 了求锵，取得了比较满意的结果，尽管在计算值与 实测值之间存在一定的误蓑，然露只要壤糍鼹俸的 煤层燃烧气化条件，选择歪确的参数或反求优化参 数，则完全可以将上述数学模型应用予现场试验。 变现对煤炭地下气化过程中的流体运动变化规律 的预测． 参考文献 [ 1 3 物兰和．煤炭地F 气亿三维非线性动态温度场数值 模撼黯] ．申翻矿业大学学搬，2 0 0 0 ，2 9 2 ；1 4 0 1 4 3 ． 7 结论[ 3 ] 应用传统的线性D a r c y 定德来描述煤炭她下⋯ L q j 气亿流体的运动规律，这穗理论上，严重偏离实际 情况，察鉴于此。本文分析了接述地下气化气体渗 流运动的特征一～非线性渗透定律 撮据模型试验 陈仝，综放采场气转输运理论与火灾瓦新防治 ∞] ．橡髑；中辫矿盟大学，1 9 9 5 ．6 - 控。 郭缨云．煤炭气织[ M ] ．豫封l 中辫矿韭大学搬版 社。1 9 8 81 5 - 6 3 ． 扬兰和．煤炭媲F 气像灏控爆破渗漉燃烧技术的研 究[ 羚] ．缘州中园矿业走喾资源与环境科学学院． 】9 9 6 ．1 1 8 13 3 ． R e s e a r c ho nM a t h e m a t i c a lM o d e lo f3 一DS e e p a g eF l o w i nU n d e r g r o u n dC o a lG a s i f i c a t i o n Y A N GL a n h e C o l l e g eo fM i n e r a iR e s o u r c ea n dE n v i r o n m e n tS c o n c e s ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h en o n l i n e a rs e e p a g ef l o wm o v e m e n ti nu n d e r g r o u n dc o a lg a s i f i c 8 t | o n U C G w a sr e s e a r c b e d ．I n t h em o d e le x p e r i m e n t ，b ya n a l y z i n gt h ed i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o no fs e e p a g ef l o wf i e l di ng a s i f i c a t i o ns t o v e ， t h em a t h e m a t i c sm o d e lf o r3 - Dn o n l i n e a ru n s t a b l es e e p a g ew a se s t a b l i s h e d 。T h em e t h o do fd e t e r m i n i n gt h e m a i np a r a m e t e r so ft h em o d e lw a se x p l a i n e d ，S o l u t i o n so ft h em o d e lw e r ef o u n dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ．A n dt h ec a l c u l a t e dv a l u e sa r eh a s i e a l l yi na c c o r d a n c ew i t ht h em e a s u r e do n e s ，i n d i c a t i n gt h a tt h e m o d e li ar e l i a b l e ． K e yw o r d s U C G ；t h r e ed i m e n s i o n s ；n o n l i n e a r i t y ；s e e p a g ef o l wf i e l d ；m a t h e m a t i c sm o d e l 万方数据