天津靜海含煤區(qū)無(wú)井式煤炭地下氣化選址地質(zhì)評(píng)價(jià)模型

王志剛，付小錦，梁 杰，曹 健，江勝國(guó)

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天津靜海含煤區(qū)無(wú)井式煤炭地下氣化選址地質(zhì)評(píng)價(jià)模型

王志剛1，付小錦1，梁 杰2，曹 健1，江勝國(guó)1

(1. 天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300170；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

地質(zhì)條件對(duì)煤炭地下氣化選址起著重要作用。運(yùn)用二級(jí)模糊綜合評(píng)判法，從勘探情況、煤層特征、煤質(zhì)特征、水文條件4個(gè)影響因素入手，構(gòu)建了天津靜海含煤區(qū)無(wú)井式煤炭地下氣化地質(zhì)評(píng)價(jià)模型，并通過(guò)質(zhì)量守恒物料衡算與室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了模型的適用性。研究認(rèn)為：影響無(wú)井式煤炭地下氣化的地質(zhì)條件所占權(quán)重依次為勘探情況＞煤層特征＞水文條件＞煤質(zhì)特征，綜合得分高于70的區(qū)域?yàn)闊o(wú)井式煤炭地下氣化適合區(qū)，60~70分為比較適合區(qū)，低于60分為不適合區(qū)。天津靜海含煤區(qū)5號(hào)煤層綜合評(píng)分為78.89分，為無(wú)井式煤炭地下氣化適合區(qū)，扣分項(xiàng)主要來(lái)自于埋深、CO2反應(yīng)活性(900℃)和黏結(jié)性。物料衡算所得煤氣組分與室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)所得煤氣組分相對(duì)誤差均在允許誤差15%范圍內(nèi)，有用組分(H2+CO+CH4)相對(duì)誤差為2.63%，證明了所建模型的適用性，對(duì)后期生產(chǎn)規(guī)模設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

無(wú)井式煤炭地下氣化；地質(zhì)條件；評(píng)價(jià)體系；天津靜海；物料衡算；模擬實(shí)驗(yàn)

無(wú)井式煤炭地下氣化是一種煤層原位開(kāi)采技術(shù)，被國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者譽(yù)為第二代采煤法，通過(guò)對(duì)煤的熱作用和化學(xué)作用，將開(kāi)采、氣化、脫硫、脫二氧化碳和除塵有機(jī)結(jié)合，集建井、采煤、氣化三大工藝合為一體，生產(chǎn)H2、CH4、CO等可燃?xì)怏w，具有成本低、清潔無(wú)污染、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，深受各國(guó)重視[1-3]。以往經(jīng)驗(yàn)表明，氣化區(qū)的煤炭勘探情況直接決定無(wú)井式煤炭地下氣化工作是否具備可行性。例如：勘探情況與實(shí)施氣化采煤風(fēng)險(xiǎn)度相關(guān)，煤層賦存情況與爐區(qū)布置及爐型相關(guān)，煤質(zhì)與氣化工藝相關(guān)，水文情況與氣化過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響相關(guān)。因此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者均對(duì)煤炭地下氣化所需地質(zhì)條件進(jìn)行了研究[4-11]。然而，前人研究成果主要集中在資源、技術(shù)、環(huán)境、效益等方面，缺乏專門針對(duì)無(wú)井式煤炭地下氣化地質(zhì)條件適宜性的全面評(píng)價(jià)，即使建立了評(píng)價(jià)體系，也未通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，均存在一定的片面性，制約著煤炭地下氣化技術(shù)人員的選址決策。為此，筆者以天津靜海含煤區(qū)為例，建立一套無(wú)井式煤炭地下氣化地質(zhì)條件適宜性評(píng)價(jià)方法，為開(kāi)展該項(xiàng)工作的國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)和科研人員提供幫助，給予啟發(fā)。

1 地質(zhì)概況

靜海含煤區(qū)位于天津西南部，面積105.8 km2，預(yù)測(cè)2 000 m以淺的煤炭資源量30億t。該區(qū)處于華北斷坳(Ⅱ)之中的滄縣隆起(Ⅲ)中部的大城凸起(Ⅳ)，周邊發(fā)育靜海–大城斷裂、北蘆莊–西九吉斷裂和里坦向斜、臥佛堂向斜等?？傮w呈背斜構(gòu)造，子牙背斜東南翼地層走向NE，傾向SE；西北翼地層走向NE，傾向NW。區(qū)內(nèi)地層整體平緩，坡角小于3°。斷裂不發(fā)育，僅在西北部小瓦頭村和西南部小邀鋪村分別發(fā)育小型高角度正斷層DF1、DF2。斷層將可能破壞煤層的連續(xù)性，并構(gòu)成導(dǎo)水通道，影響地下氣化建爐施工及氣化工藝穩(wěn)定性。

研究區(qū)含煤地層為石炭系上統(tǒng)本溪組、石炭系上統(tǒng)–二疊系下統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，上覆地層為二疊系下統(tǒng)下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組及新生界新近系、第四系，基底為奧陶系中統(tǒng)峰峰組。煤系總厚度為284.90 m，含煤18層，煤層總厚32.85 m，含煤系數(shù)11.53%。全區(qū)可采煤層為山西組5號(hào)煤層和太原組10號(hào)煤層。5號(hào)煤層厚10 m，10號(hào)煤層厚8.5 m。本文研究的目的層為5號(hào)煤層，埋深最淺處1 150 m，位于子牙背斜軸部三呼莊附近；埋深最深處1 900 m，位于東南部邊界西禪房附近。

研究區(qū)5號(hào)煤層煤質(zhì)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1—表3所示。從表中可知，5號(hào)煤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.82%，揮發(fā)分產(chǎn)率32.83%，煤種為肥煤?；曳仲|(zhì)量分?jǐn)?shù)21.94%，為中灰煤；全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.39%，為特低硫煤。煤樣受熱時(shí)膨脹熔融黏結(jié)，有較強(qiáng)的黏結(jié)性；灰分組成中對(duì)煤的氣化反應(yīng)有催化作用的CaO、K2O、Na2O總含量較高，灰熔融性溫度較高；CO2反應(yīng)活性較低(表3)。

表1 5號(hào)煤煤質(zhì)測(cè)試結(jié)果

表2 5號(hào)煤層灰成分及灰熔融性

表3 5號(hào)煤對(duì)CO2的反應(yīng)率

5號(hào)煤層主要直接充水含水層為煤系砂巖含水層及5號(hào)煤層頂板砂巖裂隙含水層，富水性較弱。區(qū)內(nèi)分布的斷層使煤層充水條件復(fù)雜化，整體上靜海含煤區(qū)水文地質(zhì)類型為以頂板進(jìn)水的水文地質(zhì)條件中等的裂隙(局部為孔隙)充水礦床，為二類二型(表4)。

靜海含煤區(qū)5號(hào)煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，巖層上部較完整，下部有裂隙發(fā)育，巖石中等完整，為較軟巖石，綜合評(píng)價(jià)該頂板為不穩(wěn)定頂板；底板為泥巖，質(zhì)軟，易風(fēng)化，局部巖心破碎，巖石中等完整，屬軟巖石，綜合評(píng)價(jià)該底板為不穩(wěn)定底板(表5)。

2 無(wú)井式煤炭地下氣化地質(zhì)影響因素

影響無(wú)井式煤炭地下氣化的地質(zhì)因素很多，主要包括勘探情況、煤層特征、煤質(zhì)特征和水文條件4大類，各因素之間相互影響，相互制約。

表4 5號(hào)煤含水層特征一覽表

表5 5號(hào)煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)特征

注：2.0~16.8/14.3表示最小~最大/平均值，其他相同。

2.1 勘探情況

勘探情況主要包括地質(zhì)勘查程度、地質(zhì)構(gòu)造、裂隙發(fā)育程度、資源量和頂板情況等。

①勘查程度決定了煤層的控制程度和資源量的可靠程度，勘探程度越高，從事地下氣化工程的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)越低。

②地質(zhì)構(gòu)造中影響煤炭地下氣化的因素主要是斷層和陷落柱，一方面破壞煤層的連續(xù)性；另一方面導(dǎo)水?dāng)鄬訉?dǎo)通含水層，影響地下氣化的爐區(qū)選址、建爐施工及氣化工藝穩(wěn)定性。

③煤層原生裂隙的發(fā)育程度不僅決定了氣化通道的貫通速度，而且其連續(xù)性關(guān)系到氣化劑進(jìn)入煤層的距離，其發(fā)育方向決定了氣化劑的流動(dòng)方向，進(jìn)而影響了氣化爐的布置及氣化區(qū)域的發(fā)展方向，打分時(shí)，將間隔20 m鉆孔間逆向火力貫通需要的時(shí)間作為煤層裂隙發(fā)育程度的標(biāo)準(zhǔn)。

④氣化可用煤炭資源量的大小直接決定氣化區(qū)的服務(wù)年限，是計(jì)算經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)。

⑤煤層頂板的力學(xué)性質(zhì)會(huì)影響頂板冒落范圍及冒落高度，特別是當(dāng)煤層頂板為軟巖時(shí)，燃空區(qū)頂板冒落高度為燃空區(qū)凈高度的2.1~2.4倍，裂隙發(fā)育高度接近采高的5~7倍，雖然冒落巖石的裂隙發(fā)育，但還是會(huì)影響到氣化通道的形狀及工藝孔的性能。

2.2 煤層特征

影響煤炭地下氣化的煤層特征主要包括煤厚、埋深、傾角、穩(wěn)定性和夾矸。

①煤層厚度主要與氣化工藝相關(guān)，它決定了爐型和氣化工藝的具體設(shè)計(jì)。

②煤層埋深太淺，容易造成環(huán)境污染；煤層埋深過(guò)深，則提高建爐的成本，增加氣化難度。

③煤層傾角主要與建爐工藝和爐型設(shè)計(jì)有關(guān)，傾角過(guò)大會(huì)給建爐施工造成一定困難。

④煤層穩(wěn)定性主要對(duì)氣化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行以及建爐施工產(chǎn)生影響，單一煤層的穩(wěn)定性高有利于地下氣化。

⑤夾矸的層數(shù)、厚度直接影響氣化過(guò)程的進(jìn)行，當(dāng)煤層中無(wú)夾矸層時(shí)，氣化過(guò)程中煤層無(wú)支撐力，氣化后迅速垮落，不利于氣化；當(dāng)煤層中夾矸層數(shù)過(guò)多時(shí)會(huì)造成選擇氣化層位困難，并造成其上下的煤層不易燃燒氣化，造成氣化回采率降低。

2.3 煤質(zhì)特征

影響煤炭地下氣化的煤質(zhì)特征主要包括灰分產(chǎn)率、固定碳含量、黏結(jié)性、灰熔點(diǎn)、CO2反應(yīng)活性、硫含量、著火點(diǎn)等。

①灰分產(chǎn)率是影響煤炭地下氣化的重要因素，一方面煤層的灰分產(chǎn)率過(guò)小，燃燒后的灰分不能形成透氣的支撐體，頂板易發(fā)生垮落，而頂板的垮落將破壞氣化過(guò)程；另一方面，氣化煤層灰分產(chǎn)率過(guò)高，可燃物質(zhì)則相對(duì)減少，煤炭的發(fā)熱量就會(huì)降低，還會(huì)引起爐孔、通道堵塞等問(wèn)題。

②固定碳含量增加，會(huì)提高燃燒溫度，有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行；但含量過(guò)高，進(jìn)入氣化段的碳量會(huì)增多，則氧和水蒸汽的消耗增多，增加氣化成本。

③黏結(jié)性高，氣化時(shí)黏結(jié)在煤壁上，影響導(dǎo)熱性，若黏結(jié)在出氣孔底部，還會(huì)造成鉆孔堵塞，因此，黏結(jié)指數(shù)越高越不利于氣化。

④灰熔點(diǎn)越高，越有利于氣化；反之灰渣容易變成熔融狀態(tài)，黏結(jié)并進(jìn)入煤層裂隙中，影響氣化過(guò)程的進(jìn)行。

⑤ CO2反應(yīng)活性強(qiáng)的煤，有利于C+CO2→2CO的反應(yīng)，氣化和燃燒反應(yīng)速度快、效率高，有利于氣化過(guò)程的進(jìn)行。

⑥煤的著火點(diǎn)高低，一般并不影響氣化的進(jìn)行，但是著火點(diǎn)過(guò)高則為氣化初期的地下點(diǎn)火工作帶來(lái)較大困難。

⑦硫含量并不影響氣化的進(jìn)行，但是硫本身作為有害物質(zhì)，含硫量高，氣化后煤氣腐蝕性強(qiáng)，對(duì)套管、輸氣管道等設(shè)備具有較大的破壞作用；高硫煤氣在進(jìn)入凈化系統(tǒng)后，增加凈化系統(tǒng)的壓力，提高煤氣的生產(chǎn)成本；高硫煤氣如果進(jìn)入到空氣中，也會(huì)造成環(huán)境污染。

2.4 水文地質(zhì)條件

影響煤炭地下氣化的水文地質(zhì)條件主要包括充水條件、充水特征、富水性、水補(bǔ)給程度、防治難度等。

①氣化過(guò)程中少量充水利于氣化的進(jìn)行，但大量充水將降低爐內(nèi)溫度甚至發(fā)生淹爐，造成氣化失敗。

②充水特征是指地下水進(jìn)入煤層中的形式，主要有孔隙充水礦床、裂隙充水礦床和巖溶充水礦床?？紫冻渌V床的地下水分布與流動(dòng)比較均勻，水量較大；裂隙充水礦床賦存的地下水分布與流動(dòng)往往不均勻；巖溶充水礦床地下水含量大小懸殊，分布極不均勻，賦存的地下水分布與流動(dòng)也極不均勻，不利于氣化。

③水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的礦床，氣化煤層為無(wú)充水礦床或間接充水礦床，含水層單位涌水量小于0.1 L/(s·m)，涌水量不影響氣化爐的運(yùn)行，若大于該單位涌水量，則涌水量越大，對(duì)氣化爐運(yùn)行影響越大[12]。

④地下水補(bǔ)給豐富的礦床，不僅能滿足地面生產(chǎn)與生活用水需求，也能滿足氣化爐反應(yīng)所需的水資源，但過(guò)于豐富，氣化時(shí)需進(jìn)行排水，否則將會(huì)導(dǎo)致熄爐；水資源中等的礦床，不能滿足地面生產(chǎn)與生活用水需求，但能滿足氣化爐反應(yīng)所需的水資源；水資源匱乏的礦床，不能滿足地面生產(chǎn)與生活用水需求及氣化爐反應(yīng)所需的水資源。

⑤地下水防治難度小的礦床，氣化煤層涌水量小，不需布置專門的地下水防治工程；地下水防治難度中等的礦床，氣化煤層涌水量小，但存在相鄰含水層的突水問(wèn)題，需布置專門的地下水防治工程，防治工程成本低；地下水防治難度大的礦床，氣化煤層涌水量大，且存在相鄰含水層的突水問(wèn)題，需布置專門的地下水防治工程，防治工程成本高。

3 地質(zhì)評(píng)價(jià)模型

影響無(wú)井式煤炭地下氣化的地質(zhì)因素具有層次之分，各因素之間相互影響難以定量描述，故采用二級(jí)模糊綜合評(píng)判法對(duì)靜海含煤區(qū)無(wú)井式煤炭地下氣化的適宜性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。二級(jí)模糊綜合評(píng)判法是將模糊綜合評(píng)價(jià)法和層次分析法相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法[13-14]，趙岳等[11]運(yùn)用該方法構(gòu)建了一套簡(jiǎn)單的煤炭地下氣化地質(zhì)條件適宜性評(píng)價(jià)模型，劃分出江蘇省朱寨井田煤炭地下氣化有利區(qū)。本文從靜海含煤區(qū)地質(zhì)特征出發(fā)，建立無(wú)井式煤炭地下氣化地質(zhì)評(píng)價(jià)模型，并對(duì)研究區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)(表6)。

表6 5號(hào)煤層地質(zhì)參數(shù)表及所占權(quán)重

3.1 層次評(píng)價(jià)體系

將煤炭地下氣化影響因素分為兩個(gè)層次，第一層次為勘探情況(1)、煤層特征(2)、煤質(zhì)特征(3)、水文條件(4)。在第一個(gè)層次下，又劃分出二級(jí)層次，包括22項(xiàng)控制因素(圖1)。

根據(jù)圖1的層次結(jié)構(gòu)，將指標(biāo)集分成4個(gè)子集U(=1,2,3,4)，對(duì)于每一個(gè)子集U又有其指標(biāo)集U，=1,2,…,n，其中i為U指標(biāo)集所含元素個(gè)數(shù)，即={1,2,3,4}={11,12,13,…,45}；評(píng)判集有3個(gè)子集，即={適合，比較適合，不適合}。在實(shí)驗(yàn)室模擬、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相結(jié)合的基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)擬進(jìn)行地下氣化的煤層與曾進(jìn)行過(guò)氣化的煤層進(jìn)行對(duì)比，最終給出擬氣化煤層的評(píng)價(jià)結(jié)論。因現(xiàn)有數(shù)據(jù)和成功案例有限，而實(shí)驗(yàn)室模擬及數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況也有一定的差距，所以3個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分，為總結(jié)世界各國(guó)氣化項(xiàng)目數(shù)據(jù)，并參照現(xiàn)場(chǎng)工作人員及專家教授的經(jīng)驗(yàn)最終得出氣化爐選址條件進(jìn)行打分：適合高于70分，比較適合60~70分，不適合低于60分。

3.2 兩兩判斷矩陣

在建立層次結(jié)構(gòu)之后，確定上下層之間元素的隸屬關(guān)系。對(duì)同一層次的各個(gè)元素關(guān)于上一層次中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建兩兩判斷矩陣。使用薩蒂(Saaty)1~9的比例標(biāo)度來(lái)判斷兩個(gè)元素間的賦值權(quán)重。通過(guò)兩兩比較，得到判斷矩陣和B(=1,2,3...,)。

圖1 無(wú)井式煤炭地下氣化可行性評(píng)價(jià)層次模型

判斷矩陣具有如下性質(zhì)：①ɑ＞0；②ɑ=1/ɑ；③α=1。其中，是一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)在準(zhǔn)則下的判斷矩陣，B是二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別在準(zhǔn)則1、2、3和4下的判斷矩陣。

(當(dāng)=1、2或4時(shí)，=5；當(dāng)=3時(shí)，=7) (1)

3.3 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)

在構(gòu)造兩兩判斷矩陣時(shí)，要求對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，步驟如下：

①計(jì)算一致性指標(biāo)CI

②平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

平均隨機(jī)一致性指標(biāo)是多次(500次以上)重復(fù)進(jìn)行隨機(jī)判斷矩陣特征根計(jì)算之后的算術(shù)平均值。許樹(shù)柏[15]提出的1—15階判斷矩陣重復(fù)計(jì)算1 000次的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)如表7所示。

表7 1—15階判斷矩陣的RI值[15]

③計(jì)算一致性比例CR

CR=CI/RI (3)

式中 CR為一致性比例，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)CR<0.1時(shí)，一般認(rèn)為矩陣的一致性是可以接受的，若某個(gè)層次的一致性不通過(guò)，要適當(dāng)修改判斷矩陣。

3.4 模糊兩級(jí)綜合評(píng)判

針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)難以量化的特點(diǎn)，采用綜合評(píng)判法進(jìn)行量化。

a.進(jìn)行一級(jí)綜合評(píng)判

對(duì)于每個(gè)元素U分別作單因素綜合評(píng)判。U中各因素相對(duì)于U的權(quán)重為ω，則U中各因素的權(quán)重為一維向量：ω=(ω1,ω2,…,ω)，=1,2,4時(shí)，=5；=3時(shí)，=7；為U因素集所含元素個(gè)數(shù)，且滿足ω1+ω2+…+ω=1，權(quán)重的確定由層次分析法得到。

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)具體情況，參照相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)每個(gè)因素U確定其分?jǐn)?shù)r，得到維向量：

r=(r1,r2,…,r)，=1,2,4時(shí)=5；=3時(shí)=7 (4)

ω與r取內(nèi)積得到第一級(jí)綜合評(píng)判值為：

d=(ω,r) (5)

b.進(jìn)行二級(jí)綜合評(píng)判

與取內(nèi)積得到第二級(jí)綜合評(píng)判值：

=(,)(6)

式中=(1,2,3,4)，ω為U相對(duì)于的權(quán)重；=(1,2,22)

綜上，即為所得評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)分析計(jì)算，天津靜海含煤區(qū)5號(hào)煤層得分為78.89分，比較適合開(kāi)展無(wú)井式煤炭地下氣化工作，減分點(diǎn)主要是CO2反應(yīng)活性(900℃)、埋深和黏結(jié)性3個(gè)方面。

a. CO2反應(yīng)活性(900℃)

研究區(qū)5號(hào)煤層在900℃時(shí)對(duì)CO2的反應(yīng)率很低，小于10%，反應(yīng)性較差。反應(yīng)活性的高低將影響煤在氣化過(guò)程中的氧耗量、煤氣組成、帶出物與殘余灰渣的含碳量、單位產(chǎn)氣率及氣化熱效率等生產(chǎn)指標(biāo)。反應(yīng)活性低的煤不利于C+CO2→2CO的反應(yīng)，致使氣化和燃燒反應(yīng)速率減慢、效率降低，不利于氣化過(guò)程的進(jìn)行。因此，反應(yīng)過(guò)程中應(yīng)增加氧氣濃度，以增加CO2反應(yīng)活性。

b.埋深

5號(hào)煤層底板埋深在千米以下，平均1 331 m。煤層底板埋深過(guò)深，會(huì)提高建爐成本、增加氣化難度，從而降低了氣化的經(jīng)濟(jì)性。因此，在無(wú)井式煤炭地下氣化過(guò)程中，應(yīng)盡量增加定向鉆進(jìn)長(zhǎng)度、氣化煤層的厚度和面積，以提升研究區(qū)煤炭地下氣化的經(jīng)濟(jì)效益。

c.黏結(jié)性

5號(hào)煤層以肥煤為主，黏結(jié)指數(shù)平均都在90以上，為強(qiáng)黏結(jié)煤。黏結(jié)性越高，結(jié)焦性越好，越不利于氣化。黏結(jié)指數(shù)高，氣化時(shí)氣化爐外圍的煤黏結(jié)在煤壁上，形成密閉層、封閉煤層裂隙，影響導(dǎo)熱性及氣化擴(kuò)展；黏結(jié)在出氣孔底部，就會(huì)造成出氣孔堵塞。因此，反應(yīng)過(guò)程中應(yīng)提高反應(yīng)溫度，以達(dá)到高溫破黏的效果。

5 模擬驗(yàn)證

為驗(yàn)證評(píng)價(jià)體系的可行性，筆者參照文獻(xiàn)[16]開(kāi)展了氧氣體積分?jǐn)?shù)(80%)–CO2–清水體系下的地下氣化模擬實(shí)驗(yàn)，將理論計(jì)算結(jié)果與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)評(píng)價(jià)體系的可應(yīng)用性。

5.1 模型計(jì)算

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)入系統(tǒng)的總物料等于離開(kāi)系統(tǒng)的總物料。在實(shí)際生產(chǎn)中，往往通過(guò)該方法檢驗(yàn)氣化系統(tǒng)是否正常。本次通過(guò)該方法計(jì)算以氧氣(體積分?jǐn)?shù)80%)–CO2–清水作為氣化劑，充分結(jié)合靜海含煤區(qū)5號(hào)煤的水文地質(zhì)參數(shù)，計(jì)算生產(chǎn)煤氣中H2、CO、CH4和CO2組分含量和煤氣熱值。

煤炭地下氣化過(guò)程可以分為干餾過(guò)程和氣化過(guò)程，產(chǎn)出的煤氣則是干餾煤氣和氣化煤氣的總和，在物料平衡的計(jì)算中，分別對(duì)干餾過(guò)程和氣化過(guò)程進(jìn)行物料計(jì)算，求得干餾煤氣和氣化煤氣的組成、含量等參數(shù)(圖2)。

圖2 煤炭地下氣化過(guò)程物料平衡模型

本次計(jì)算僅選取C、H、O 3種元素進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)式(7)—式(11)即可求解。碳平衡方程：

＋=(7)

式中為地下氣化所產(chǎn)煤氣中的CO體積分?jǐn)?shù)，%；為地下氣化所產(chǎn)煤氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)，%；為進(jìn)入氣化區(qū)參與反應(yīng)的總碳體積分?jǐn)?shù)，%。

氫平衡方程：

+=(8)

式中為地下氣化所產(chǎn)煤氣中的H2體積分?jǐn)?shù)，%；為地下氣化所產(chǎn)煤氣中的氣態(tài)H2O體積分?jǐn)?shù)，%；為進(jìn)入氣化區(qū)參與反應(yīng)的總氫體積分?jǐn)?shù)，%。

氧平衡方程：

+=(9)

式中為地下氣化所產(chǎn)煤氣中的CO體積分?jǐn)?shù)，%；為地下氣化所產(chǎn)煤氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)，%；為進(jìn)入氣化區(qū)參與反應(yīng)的總氧體積分?jǐn)?shù)，%。平衡常數(shù)方程：

式中p為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)出口煤氣回歸分析，可得p=0.122 0~0.125 0，本次計(jì)算取中間值0.123 5；2為氣化劑中O2與CO2體積比；為進(jìn)入氣化區(qū)的碳含量與氣化劑中氧含量之比，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸所得=1.61~1.71，本次計(jì)算取中間值1.66。

將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(7)—式(11)，求解即可得氣化煤氣量，再加上干餾煤氣量，則可計(jì)算得出氣化煤氣各組分和有用組分占比及熱值(表8)。

表8 模擬實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算煤氣的組分和熱值

5.2 物理模擬實(shí)驗(yàn)

煤炭地下氣化過(guò)程是燃燒放熱和多相吸熱化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的集合，同時(shí)也是多相、多維傳熱傳質(zhì)過(guò)程與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的耦合，該過(guò)程還會(huì)受到地壓作用下頂板冒落及淋水的影響[17]。因此，模擬實(shí)驗(yàn)的目的是獲得在這些綜合因素條件下，煤炭地下氣化過(guò)程的特征場(chǎng)(煤層、巖層溫度場(chǎng)、煤氣組分、燃燒區(qū)擴(kuò)展等)的變化規(guī)律和工藝參數(shù)。

根據(jù)靜海含煤區(qū)5號(hào)煤層地質(zhì)條件，在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭地下氣化實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括氣化爐體及地壓模擬系統(tǒng)、后退注氣系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和煤氣凈化放空裝置。實(shí)驗(yàn)起于2017年3月27日13點(diǎn)30分，結(jié)束于2017年3月28日21點(diǎn)15分，共32 h。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，注氧量維持在7.2 m3/h，結(jié)合靜海含煤區(qū)煤田水文地質(zhì)參數(shù)和地下氣化反應(yīng)所需水量，注水量維持在0~15 kg/h。所獲得的煤氣組分和熱值如表8所示。

5.3 數(shù)值對(duì)比

從表8可以看出，煤氣組分中H2理論計(jì)算結(jié)果略高于模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相對(duì)誤差為11.74%；CO理論計(jì)算結(jié)果略低于模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相對(duì)誤差為8.33%；CH4理論計(jì)算結(jié)果略低于模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相對(duì)誤差為6.04%；CO2理論計(jì)算結(jié)果略高于模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相對(duì)誤差為10.53%；有用組分(H2+CO+CH4)模擬實(shí)驗(yàn)值略高于理論計(jì)算值，相對(duì)誤差低，為2.63%；熱值理論計(jì)算結(jié)果與模擬實(shí)驗(yàn)值均為9.6 MJ/m3，相對(duì)誤差為0。

因煤炭地下氣化過(guò)程非常復(fù)雜，制約因素眾多，實(shí)驗(yàn)過(guò)程不可能與理論值完全一樣[18]。因此，各組分相對(duì)誤差均在允許誤差15%范圍內(nèi)，理論和實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)二級(jí)模糊綜合評(píng)判法建立的煤炭地下氣化地質(zhì)條件適宜性評(píng)價(jià)體系是可行的。

6 結(jié)論

a. 依據(jù)權(quán)重計(jì)算結(jié)果得出，影響無(wú)井式煤炭地下氣化的地質(zhì)條件中勘探情況為首要條件，權(quán)重為0.508；其次為煤層特征，權(quán)重為0.245；再次為水文條件，權(quán)重為0.154；最后為煤質(zhì)特征，權(quán)重為0.093。

b. 通過(guò)二級(jí)模糊綜合評(píng)判法計(jì)算得出天津靜海含煤區(qū)5號(hào)煤層為無(wú)井式煤炭地下氣化適合區(qū)，得分78.89分；分析出埋深、CO2反應(yīng)活性(900℃)和黏結(jié)性3項(xiàng)影響因素不太利于氣化，是扣分項(xiàng)。

c. 結(jié)合理論計(jì)算與室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果得出，煤氣中各有用組分含量相對(duì)誤差均小于15%，表明建立的無(wú)井式煤炭地下氣化地質(zhì)條件評(píng)價(jià)體系是可行的，對(duì)開(kāi)展煤炭地下氣化工作的國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)和科研人員選址決策具有重要意義。

d. 利用本套地質(zhì)條件評(píng)價(jià)系統(tǒng)確認(rèn)適合開(kāi)展地下氣化工作后，可通過(guò)物料守恒，計(jì)算氣化過(guò)程中煤氣中有用組分含量，對(duì)后期生產(chǎn)規(guī)模設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

e. 在無(wú)井式煤炭地下氣化過(guò)程中，污染物主要隨煤氣進(jìn)行逸散與遷移，因此，通過(guò)控制氣化工藝過(guò)程中氣化壓力的大小，將污染物封閉在氣化反應(yīng)區(qū)內(nèi)，由水蒸汽圈緊密封閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下污染物遷移的控制。

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Geological evaluation model for site selection of underground coal gasification without well in Jinghai coal-bearing area, Tianjin, China

WANG Zhigang1, FU Xiaojin1, LIANG Jie2, CAO Jian1, JIANG Shengguo1

(1. North China Geological Exploration Bureau of Tianjin, Tianjin 300170, China; 2. College of Chemistry & Environmental Engineering, China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

Based on the 4 factors such as exploration status, coal seam, coal quality and hydrological conditions, using the secondary fuzzy comprehensive evaluation method, the geological evaluation model without well was built. In order to verify the applicability of the model, the material balance by law of conservation of mass was carried out and the results compared with the test results of indoor model was got. This research suggests that the weight of geological conditions affecting underground coal gasification without well is exploration status > conditions of coal seam > hydrological conditions > coal quality, the area with comprehensive score higher than 70 is the more suitable area, the area with score 60~70 is the suitable area and the area with score less than 60 is the unsuitable area. In the Jinghai coal-bearing area, the comprehensive score of the No.5 coal seam is 78.89 which belongs to more suitable area of underground coal gasification without well, and the buried depth, CO2reactivity(900℃), the poor cohesiveness and suitability made the score deducted. The gas components obtained from material balance and laboratory simulation tests have the relative error within 15% of the allowable error, and the relative error of useful components(H2+CO +CH4) is 2.63%, which not only proves the applicability of the system, but also has certain guiding significance for the later production scale design and field production.

underground coal gasification without well; geological conditions; evaluation system; Jinghai of Tianjin; material balance; simulation test

The Key Project of Science and Technology Support of Tianjin Key R&D Plan(17YFZCSF00940)；Geological Survey Project of China Geological Survey(DD20190182)

王志剛，1982年生，男，天津薊縣人，高級(jí)工程師，從事城市地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)地質(zhì)勘查工作. E-mail：wzg0425@163.com

王志剛，付小錦，梁杰，等. 天津靜海含煤區(qū)無(wú)井式煤炭地下氣化選址地質(zhì)評(píng)價(jià)模型[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：41–48.

WANG Zhigang，F(xiàn)U Xiaojin，LIANG Jie，et al.Geological evaluation model for site selection of underground coal gasification without well in Jinghai coal-bearing area, Tianjin, China[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：41–48.

1001-1986(2019)03-0041-08

P618.12

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.008

2018-06-29

天津市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目(17YFZCSF00940)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(DD20190182)

(責(zé)任編輯 范章群)