本發(fā)明屬于煤炭地下氣化領(lǐng)域，具體涉及一種模擬煤層高溫氣化反應(yīng)及巖石熱剝落機(jī)制的裝置和方法，尤其針對煤塊及周圍巖體熱剝落機(jī)制、孔隙壓力和溫度演化及氣體生成特性和組成的多參數(shù)耦合研究。

背景技術(shù)：

1、煤炭地下氣化（ucg）是一種在深部煤層原位注入氧氣等反應(yīng)性氣體，使其發(fā)生熱解和化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生ch4、co、h2等可燃?xì)獾那鍧嵏咝Ю眉夹g(shù)。它實現(xiàn)了從物理采煤到化學(xué)采氣的轉(zhuǎn)變，具有安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保等優(yōu)勢。

2、ucg過程中形成的高溫氣化空腔（反應(yīng)爐）不斷擴(kuò)展。其頂部煤層暴露于高溫下，經(jīng)歷干燥、熱解等反應(yīng)，導(dǎo)致煤塊產(chǎn)生裂縫并剝落掉入空腔。剝落直接影響空腔的生長速率和形狀，改變氣化通道邊界條件，進(jìn)而影響傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)。但剝落也增加了反應(yīng)接觸面積，提高了氣化效率和煤氣質(zhì)量，減少了焦油等雜質(zhì)。

3、然而，ucg完成后會形成巨大燃空區(qū)，改變圍巖支撐條件。氣化高溫（可達(dá)上千度）使圍巖物理力學(xué)性質(zhì)劇變，發(fā)生熱損傷導(dǎo)致強(qiáng)度下降，誘發(fā)開裂剝落直至失穩(wěn)等地質(zhì)工程問題，嚴(yán)重影響工藝實施條件和安全性。因此，探究煤層及圍巖的開裂剝落機(jī)制至關(guān)重要。

4、中國礦業(yè)大學(xué)自1984年攻關(guān)煤炭地下氣化，研發(fā)出“長通道、大斷面”新工藝。1986年建成國內(nèi)首套低壓氣化模型裝置（6.8m×0.85m×0.2m），可模擬不同煤層傾角，首次實現(xiàn)二維溫度場可視化監(jiān)測，但在模擬煤層厚度、圍巖條件及優(yōu)化氣化爐結(jié)構(gòu)等方面存在局限。

5、德國亞琛工業(yè)大學(xué)的高壓模擬裝置（反應(yīng)腔：2m長×0.5m直徑，壓力2.5mpa）受限于縮尺空間和高壓密閉環(huán)境，難以獲取真實地質(zhì)條件下的完整氣化特征參數(shù)（如溫度場、壓力場），阻礙關(guān)鍵機(jī)理研究。

6、專利cn1186840a、cn1775920a、cn2908510y介紹了多噴嘴對置式氣化爐（用于水煤漿/煤粉），利用射流撞擊增強(qiáng)湍流、延長停留時間、提高傳質(zhì)效率，但主要用于地上氣化。

7、專利cn1117917c、cn1500967a、cn2600588y、cn1419037a則針對礦井地下氣化爐設(shè)計，利于連續(xù)生產(chǎn)、回采煤柱、形成規(guī)模，但均針對礦井試驗。

8、專利cn104122289a設(shè)計了多層復(fù)合結(jié)構(gòu)氣化爐，能模擬不同傾角、厚度煤層及頂?shù)装暹\(yùn)動，克服了傳統(tǒng)臺無法模擬傾角及巖層變化的局限，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣、參數(shù)難精確控制。

9、專利cn119124919a的氣化裝置可模擬煤炭單面加熱，提出用失重速率閾值判定剝落事件，但判定方法單一，無法深入探討剝落機(jī)制。

10、綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)主要進(jìn)行了地下煤炭氣化模擬試驗爐的建立，少有對于煤巖高溫開裂以及熱剝落機(jī)制的試驗研究，因此，開發(fā)一種模擬煤層高溫氣化反應(yīng)及巖石熱剝落機(jī)制的試驗裝置以及提出對應(yīng)試驗方法是煤炭地下氣化領(lǐng)域迫切的需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，并提供一種模擬煤層高溫氣化反應(yīng)及巖石熱剝落機(jī)制的裝置和方法。本發(fā)明能在氣化過程中實時測量注入氣體（組分、氣壓、流速）、煤塊/巖塊重量以及煤塊/巖塊內(nèi)部孔隙氣壓和溫度、及時收集剝落下的顆粒和產(chǎn)出氣體，以及使用攝像設(shè)備通過觀察視窗全程記錄反應(yīng)過程中煤塊/巖塊表層裂紋發(fā)展過程，能夠?qū)γ簤K及周圍巖體熱剝落機(jī)制、孔隙壓力和溫度演化及氣體生成特性和組成開展多參數(shù)耦合研究。

2、本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種模擬煤層高溫氣化反應(yīng)及巖石熱剝落機(jī)制的裝置，包括反應(yīng)爐體；所述反應(yīng)爐體具有密封保溫的爐膛內(nèi)腔，爐膛內(nèi)腔底部設(shè)有加熱設(shè)備，加熱設(shè)備上方設(shè)有剝落顆粒收集裝置，剝落顆粒收集裝置上方吊裝有用于夾持試塊的試塊夾具，試塊夾具的頂部伸出反應(yīng)爐體并連接有稱重傳感器以記錄試塊質(zhì)量損失情況；通過試塊夾具能使試塊僅有底面以及與底面相垂直的一面暴露于爐膛內(nèi)腔中，通過在反應(yīng)爐體上開設(shè)觀察視窗能觀測到試塊中與底面相垂直的一面；通過沿試塊高度方向階梯式設(shè)置若干壓力傳感器和熱電偶，以記錄試塊內(nèi)部孔隙壓力和溫度的變化；所述爐膛內(nèi)腔設(shè)有用于測量加熱設(shè)備與試塊受熱面之間溫度的膛內(nèi)溫度監(jiān)測器，通過進(jìn)氣口與外部的氣體注入系統(tǒng)相連，通過產(chǎn)氣口與外部的氣密性檢驗系統(tǒng)與氣體收集分析系統(tǒng)相連。

4、作為優(yōu)選，所述反應(yīng)爐體包括殼體、保溫材料層、爐膛和耐熱墊層；所述殼體為倒u型結(jié)構(gòu)，底部開口置于耐熱墊層上，內(nèi)部設(shè)有密封的爐膛，爐膛和殼體之間填充有保溫材料層。

5、進(jìn)一步的，所述爐膛采用高鋁纖維制作，且內(nèi)壁涂覆有耐腐蝕材料；所述殼體采用310s不銹鋼材料制作；所述保溫材料層為硅酸鋁防火隔熱棉或者耐火磚加耐火水泥澆筑所得；所述加熱設(shè)備為硅鉬棒或者預(yù)埋進(jìn)爐膛底部的電阻絲。

6、作為優(yōu)選，所述剝落顆粒收集裝置為耐高溫不銹鋼材質(zhì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置于爐膛兩側(cè)壁的懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐；所述殼體、保溫材料層和爐膛上開設(shè)有一體式的剝落顆粒收集孔，剝落顆粒收集裝置能從剝落顆粒收集孔中抽屜式拉出反應(yīng)爐體。

7、作為優(yōu)選，所述稱重傳感器的底部與試塊夾具可拆卸式連接，頂部固定于支撐裝置上，進(jìn)而使試塊夾具保持懸吊狀態(tài)；所述試塊夾具采用耐高溫不銹鋼材料制作，稱重傳感器采用精度為±5g的掛鉤拉力傳感器。

8、作為優(yōu)選，所述觀察視窗采用耐高溫石英玻璃制作，位于觀察視窗的外部設(shè)有用于記錄試塊裂紋開展?fàn)顩r的攝像設(shè)備。

9、作為優(yōu)選，所述試塊內(nèi)部插入有若干導(dǎo)氣管和熱電偶；所述導(dǎo)氣管采用耐高溫不銹鋼材料制作，內(nèi)部填充有硅油，一端位于試塊內(nèi)部，另一端伸出反應(yīng)爐體并與壓力傳感器相連；所述熱電偶采用k型熱電偶絲；所述壓力傳感器、熱電偶和稱重傳感器均與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備相連。

10、作為優(yōu)選，所述氣體注入系統(tǒng)包括高壓氣罐、蒸汽發(fā)生器、空壓機(jī)、儲氣罐、氣體混合設(shè)備和預(yù)熱裝置；所述高壓氣罐用于儲存氮氣或氧氣，空壓機(jī)與儲氣罐的入口相連，高壓氣罐、空壓機(jī)和儲氣罐的出氣口均分別通過設(shè)有減壓閥和流量計的管路與氣體混合設(shè)備相連，氣體混合設(shè)備通過預(yù)熱裝置與進(jìn)氣口相連。

11、進(jìn)一步的，所述氣密性檢驗系統(tǒng)包括壓力計和單向閥，產(chǎn)氣口通過管路依次連接壓力計和單向閥；所述氣體收集分析系統(tǒng)包括冷凝裝置、煤焦油過濾裝置和氣體分析裝置，單向閥通過管路依次連接冷凝裝置、煤焦油過濾裝置和氣體分析裝置。

12、第二方面，本發(fā)明提供了一種利用第一方面所述模擬煤層高溫氣化反應(yīng)及巖石熱剝落機(jī)制的裝置的試驗方法，具體如下：

13、s1：向各導(dǎo)氣管內(nèi)充滿硅油，將填充硅油后的導(dǎo)氣管與熱電偶分別插入試塊內(nèi)部，將試塊裝入試塊夾具，并將試塊夾具的上端與稱重傳感器連接，將稱重傳感器固定于外部的支撐裝置上，使固定有試塊的試塊夾具吊裝于爐膛內(nèi)腔中；

14、s2：利用氣體注入系統(tǒng)和氣密性檢驗系統(tǒng)對高溫爐體進(jìn)行氣密性檢驗；

15、s3：氣密性檢驗通過后，啟動加熱設(shè)備并同時使用氣體注入系統(tǒng)向爐膛內(nèi)腔注入反應(yīng)氣體；

16、s4：在反應(yīng)過程中，通過壓力傳感器、熱電偶以及稱重傳感器分別實時記錄試塊的內(nèi)部孔隙氣壓、溫度與自身質(zhì)量損失的變化情況；

17、s5：在反應(yīng)過程中，通過剝落顆粒收集裝置收集試塊受熱剝落下的顆粒，通過氣體收集分析系統(tǒng)收集并分析試塊反應(yīng)過程中的產(chǎn)出氣。

18、s6：在反應(yīng)過程中，通過攝像設(shè)備經(jīng)觀察視窗全程記錄試塊表層裂紋發(fā)展過程。

19、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，具有以下有益效果：

20、本發(fā)明首先通過模塊化設(shè)計實現(xiàn)了高溫氣化過程中孔隙壓力、溫度與質(zhì)量等參數(shù)的實時測量與收集。其次，通過攝像設(shè)備全程記錄了煤炭試塊表面裂紋發(fā)展過程，來探究其裂紋發(fā)展規(guī)律。最后，剝落顆粒收集裝置與氣體收集分析系統(tǒng)的集成顯著提升了實驗效率與數(shù)據(jù)可靠性，為ucg技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用提供了關(guān)鍵實驗支持。