Development of a thermo-mechanical model for rocks exposed to high temperatures during underground coal gasification

Tian, Hong; Ziegler, Martin

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-45591

Development of a thermo-mechanical model for rocks exposed to high temperatures during underground coal gasification = Entwicklung eines thermomechanischen Modells für Gesteine zur Simulation des Verhaltens bei hohen Temperaturen während der unterirdischen Kohlevergasung

Tian, Hong (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hong Tian

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangXX, 237 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Ziegler, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-05-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-45591
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/209279/files/4559.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen und Institut für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Verkehrswasserbau (314310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gestein (Genormte SW) ; Kohlevergasung (Genormte SW) ; Hochtemperatur (Genormte SW) ; Tonstein (Genormte SW) ; Modell (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; unterirdische Kohlevergasung (frei) ; Versagenskriterium (frei) ; rock (frei) ; underground coal gasification (frei) ; high temperature (frei) ; failure criterion (frei) ; constitutive relations (frei) ; claystone (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Infolge der wachsenden Herausforderungen hoher Öl- und Gaspreise sowie der Ungewissheit politischer Unruhen in vielen Öl- und Gasförderstaaten wird Kohle in den kommenden Jahren wegen ihres enormen Vorrates und großen Vorkommens in der ganzen Welt immer wichtiger. Die Technik der unterirdischen Kohlevergasung (UCG), die Umwandlung von Kohle in-situ unter der Erde in brennbare Gase, stößt auf immer größeres Interesse, weil mit dieser Technik Kohle abgebaut werden kann, deren Förderung mit konventioneller Technik entweder wegen zu tiefliegender und zu dünner Kohleflöze oder wegen der niedrigen Qualität nicht wirtschaftlich, sicher und umweltfreundlich möglich ist. Setzungen der Geländeoberfläche sind eine unvermeidbare Folge der bei einem großflächigen gewerbsmäßigen UCG-Projekt entstehenden unterirdischen Hohlräume. In Gegensatz zu anderen Abbauverfahren wie z. B. Strebbau, Kammerbau, usw., wird das Gestein und die Kohle im Bereich eines UCG-Reaktors hohen Temperaturen von vermutlich über 1000°C ausgesetzt. Die Zielsetzung dieser Arbeit war deshalb die Prognose der UCG-induzierten Setzungen unter der Verwendung eines thermomechanischen Versagenskriteriums von Fels, bei dem der Einfluss von hoher Temperatur mitberücksichtigt wird. Eine umfangreiche Literaturrecherche über Sedimentgesteine und eine Reihe von Laborversuchen an thermisch behandeltem Tonstein wurden durchgeführt, um die Temperaturabhängigkeit der physikalischen, mechanischen sowie thermischen Eigenschaften, insbesondere der Festigkeit des Gesteins zu untersuchen. Diese Untersuchungen zeigen, dass die Festigkeit von Gestein von der Temperatur abhängt und die Merkmale der Abhängigkeit grundsätzlich in drei Typen eingeordnet werden können. Auf Basis dieser Kategorisierung wurden die thermomechanischen Versagenskriterien für Gesteine jeweils nach Hoek-Brown (TMHB) und Mohr-Coulomb (TMMC) eingesetzt. Die entsprechenden konstitutiven Beziehungen zusammen mit dem TMHB-Kriterium wurden mit Hilfe der inkrementellen Methode der Thermoplastizität entwickelt. Darüber hinaus wurde nach der Closest-Point-Projektions-Methode (CPPM) eine Subroutine dieses konstitutiven Models in Abaqus/Standard implementiert. Außerdem wurden die zu erwartenden Setzungen eines fiktiven UCG-Bereichs nach dem vorgeschlagenen TMMC-Kriterium numerisch erforscht. Die beiden vorgeschlagenen Kriterien haben das Potential zu einer genauen Darstellung der Temperaturabhängigkeit der Festigkeit von Gestein. Das TMMC-Kriterium ist wegen der relativ einfachen mathematischen Form und klarer physikalischer Bedeutung der betroffenen Materialparameter leicht anzuwenden und deshalb weithin akzeptiert in der Felsmechanik, während das TMHB-Kriterium geeigneter für Gebirge ist, da es einen Materialparameter zur Definition der Qualität des Gebirges bei hoher Temperatur verwendet. Die numerische Simulation zeigt, dass die Setzungen größer werden, wenn die Einzelhohlräume bzw. die Fläche aller Hohlräume oder der vergasten Kohleflöze größer werden. Bei den hier angesetzten Rahmenbedingungen, z. B. der Temperaturverteilung und die räumliche Anordnung des UCG-Models, liegen die Setzungen in der Größenordnung von Dezimetern. Es wird demzufolge vorgeschlagen, weitere Forschung zu betreiben, um die Methode zur Prognose von Setzungen durch den Test der UCG in technischem Maßstab zu überprüfen. Es wird außerdem vorgeschlagen, dass im Vorfeld eines gewerbsmäßigen UCG-Projekts die mechanischen Eigenschaften der Gesteine bei hoher Temperatur und der Kohle in der Nähe der zu vergasenden Flözen klein- und großmaßstäblich experimentell untersucht werden sollen und die Setzungen sorgfältig zu analysieren sind.

In the wake of increasing challenges of high prices of oil and gas and uncertainties about political stability in many oil and gas producing countries, coal becomes more and more important in the coming years for its vast reserves and wide distribution all over the world. The technology of Underground Coal Gasification (UCG), converting in-situ, unmined coal into combustible gases, has continued to attract worldwide interest because of its ability to exploit coal which is otherwise unminable by conventional mining techniques due to deep deposit depths, thin seam thickness or low quality, in an economical, safe and environmentally friendly manner. Ground subsidence seems to be an inevitable consequence of underground cavities formed by a commercial-scale UCG project. Unlike other mining methods (longwall mining, room-and-pillar mining, etc.), the rocks and coal in the vicinity of a UCG reactor are subjected to high temperatures which may be in excess of 1000°C. Thus, the purpose of this thesis was to predict UCG-induced ground subsidence by application of a thermo-mechanical rock failure criterion which involves high-temperature influences on rocks. An extensive literature review on sedimentary rocks and a suite of laboratory experiments on claystone after thermal treatment have been conducted to study temperature-dependent physical, mechanical and thermal properties, especially rock strength. These research efforts indicate that rock strength changes with temperature, and the varying characteristics can be generally categorized into three types. Based on this categorization, the thermo-mechanical Hoek-Brown (TMHB) and Mohr-Coulomb (TMMC) rock failure criteria were developed. The corresponding constitutive relations combined with the TMHB criterion were also developed by means of the incremental theory of thermo-plasticity. In addition, using the closest point projection method (CPPM), a subroutine of this constitutive model was implemented into Abaqus/Standard. Furthermore, potential ground subsidence in a hypothetical UCG area was numerically investigated by utilization of the proposed TMMC criterion. The two criteria proposed have the potential to accurately represent temperature-dependent rock strength. The TMMC criterion is easy to use, because its mathematical form is relatively simple, and the involved material parameters have definite physical meanings and are being widely accepted in rock engineering, while the TMHB criterion is more suitable for rock mass for it utilizes a material parameter defining high-temperature rock mass quality. The numerical simulations indicate that ground subsidence increases with the increase of the size of single cavity, of the total area of cavities, and of coal seams gasified. On the conditions such as temperature distribution and UCG layout modeled in this thesis, the magnitude of ground subsidence was in the order of decimeters. Therefore, it is recommended that further research be carried out into validation of the ground subsidence prediction method with field-scale tests of UCG implementation. It is also recommended that in advance of a commercial-scale UCG project, high-temperature mechanical properties of rocks and coal around the seams to be gasified be experimentally investigated at small and large scales, and potential ground subsidence be carefully studied.

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