準(zhǔn)東地區(qū)煤炭氣化地質(zhì)評(píng)價(jià)與有利區(qū)預(yù)測(cè)

尹振勇，許 浩*，湯達(dá)禎，陳艷鵬，趙天天

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083; 2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

煤炭地下氣化是將氣化劑注入煤層，控制煤層燃燒生成CO和H2等可燃?xì)怏w，然后用鉆孔將氣體輸送到地表的環(huán)保開采技術(shù)[1-3]，主要包括以下幾個(gè)過(guò)程：前期勘探技術(shù)、地下建爐技術(shù)、氣化控制技術(shù)、氣化煤氣處理技術(shù)及工業(yè)原料合成技術(shù)[4-6]，而地質(zhì)條件評(píng)價(jià)則是決定煤炭地下氣化工程可行性的重要保證[7]。影響煤炭地下氣化的地質(zhì)條件主要包括以下幾種：構(gòu)造地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、灰分及揮發(fā)分、煤級(jí)、氣化煤層厚度和展布、煤層頂?shù)装鍘r性[8-9]。劉淑琴等[4]探討了煤炭?jī)?chǔ)量、煤層埋深、厚度以及構(gòu)造和水文條件等對(duì)選址影響。趙岳等[7]通過(guò)對(duì)江蘇省朱寨的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，通過(guò)多層次模糊數(shù)學(xué)方法，定性定量分析了影響研究區(qū)選址的地質(zhì)因素，結(jié)果可為研究區(qū)提供參考。

準(zhǔn)噶爾盆地東部(準(zhǔn)東)地區(qū)區(qū)域遼闊、煤炭?jī)?chǔ)量豐富且煤的燃點(diǎn)比較低、燃燒充分，是良好氣化用煤[10-11]，迄今為止，中外學(xué)者對(duì)準(zhǔn)東地區(qū)煤炭地下氣化的地質(zhì)因素研究較少，優(yōu)選有利氣化區(qū)域的工作尚未開展。故在前人研究基礎(chǔ)上，綜合中外最新的研究成果，對(duì)準(zhǔn)東地區(qū)開展煤炭地下氣化有利區(qū)優(yōu)選。首先從地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度、埋深、煤巖煤質(zhì)、煤層頂板巖性及水文地質(zhì)條件等方面出發(fā)，探究準(zhǔn)東煤層地下氣化地質(zhì)條件的可行性，其次，應(yīng)用多層次模糊數(shù)學(xué)的方法，根據(jù)煤炭地下氣化地質(zhì)條件的模糊性和確定性兩條主線，對(duì)準(zhǔn)東地區(qū)煤炭地下氣化地質(zhì)多因素進(jìn)行綜合研究，對(duì)各主控因素系統(tǒng)劃分層次，建立多層次結(jié)構(gòu)模型[12]，有利于更好地對(duì)有利的目標(biāo)區(qū)進(jìn)行優(yōu)選。以期研究結(jié)果對(duì)于新疆準(zhǔn)東煤炭資源的合理開發(fā)利用具有重要意義。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地東部構(gòu)造區(qū)劃分

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東部，克拉美麗山南部，博格達(dá)山北部，五彩灣凹陷以東，庫(kù)普盆地與庫(kù)普—三塘湖煤田西部，面積約1.3×104km2。自晚石炭世準(zhǔn)噶爾盆地形成后發(fā)生了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的相互影響，相互作用，形成了現(xiàn)今準(zhǔn)東南地區(qū)現(xiàn)今所呈現(xiàn)的隆凹相間、棋盤狀錯(cuò)落有致的構(gòu)造格局[13-14]。整體看來(lái)，北三臺(tái)凸起、吉木薩爾凹陷、古西凸起、古城凹陷、古東凸起和木壘凹陷位于研究區(qū)的南部；而梧桐窩子凹陷、黑山凸起、石錢灘凹陷、黃草湖凸起、石樹溝凹陷和沙帳斷褶帶位于研究區(qū)的北部。侏羅系為準(zhǔn)東地區(qū)含煤巖系，八道灣組和西山窯組為含煤地層(圖1)。

2 煤層地下氣化可行性分析

目前來(lái)說(shuō)，煤炭地下氣化開采方法并不是適用于所有區(qū)域，現(xiàn)對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，綜合考慮各因素的共同影響，探討準(zhǔn)東地區(qū)是否可以進(jìn)行煤炭地下氣化。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造的影響主要表現(xiàn)在破壞煤層的穩(wěn)定性和延展性，進(jìn)而對(duì)煤炭地下氣化燃燒過(guò)程產(chǎn)生影響[2]。煤炭地下氣化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)之一就是可在斷層多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的煤層處實(shí)施，但要求斷層的封閉性能要好，因?yàn)樵陂_放性斷層多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行氣化，封堵性較差，煤氣容易發(fā)生泄露，使得氣化終止。準(zhǔn)東地區(qū)主要的構(gòu)造類型有向斜、背斜、逆斷層以及少量正斷層等，準(zhǔn)東地區(qū)斷裂類型多為擠壓型斷裂，斷層面多為封堵性構(gòu)造應(yīng)力集中帶，廣泛發(fā)育的擠壓逆沖斷層均為封堵性斷裂構(gòu)造為主，封堵性能較好，有利于煤炭地下氣化。

2.2 水文地質(zhì)條件

地下水賦存特征、氣化煤層的涌水量、距離含水層的遠(yuǎn)近和隔水層的效果是評(píng)價(jià)水文地質(zhì)條件的主要因素[4,9]。當(dāng)進(jìn)行煤炭地下氣化時(shí)，如果有隔水層將煤層與含水層隔開，即煤層與含水層沒有接觸。則此時(shí)有利于煤炭地下氣化。反之，不利于煤層氣化。準(zhǔn)東地區(qū)山前地帶發(fā)育較多的煤系火燒巖，通過(guò)接受瞬間大氣降水或雪山融水補(bǔ)給地下水，轉(zhuǎn)化為煤系弱承壓水或燒變巖裂隙潛水。由于三工河組地層巖性致密，具有良好的隔水條件，且斷層多為壓性封堵斷層，導(dǎo)致高部位基巖裂隙含水層與煤系含水層之間水力聯(lián)系較弱，有利于煤炭地下氣化。

2.3 煤層厚度

氣化煤層的厚度對(duì)氣化產(chǎn)生的熱值和氣化效率有重要影響。楊蘭和等[5]認(rèn)為氣化煤層的厚度和所獲得的煤氣熱值呈正相關(guān)，當(dāng)厚度過(guò)大時(shí)，此時(shí)煤炭氣化程度會(huì)降低。當(dāng)氣化煤層煤階較低時(shí)，則要求煤層厚度要大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在研究區(qū)北部發(fā)育西山窯組煤層，沙帳、大井地區(qū)以一個(gè)主力煤層為主，一般厚12 m左右，連續(xù)性較好。梧桐窩子凹陷煤層較多，單層厚度可達(dá)3 m，累計(jì)厚度大于20 m，八道灣組主要發(fā)育在阜康大黃山地區(qū)，含煤6～19 層，總厚54.53 m，發(fā)育多套大于5 m的厚煤層，分布穩(wěn)定，可在局部富煤帶形成煤炭氣化的有利區(qū)塊(圖2)。

2.4 煤層埋深

氣化煤層埋深對(duì)氣化爐的封閉性影響較大，隨埋深增大，氣化爐密閉性增強(qiáng)，距離地表較遠(yuǎn)，不以污染環(huán)境，但此時(shí)施工難度也會(huì)相應(yīng)增加，成本也會(huì)增大[7]。準(zhǔn)東地區(qū)西山窯組煤層埋深由東向西埋深逐漸增加，東部梧桐窩子凹陷埋深在500 m左右，而西部阜康凹陷埋深在2 500 m左右，阜康斷裂帶八道灣組煤層埋深在500 m左右，研究區(qū)煤層埋深范圍較廣，在東部和山前地區(qū)埋深適中，有利于煤炭地下氣化(圖2)。

2.5 煤化作用程度

不同變質(zhì)程度的煤均可進(jìn)行地下氣化，但煤的性質(zhì)和組成對(duì)氣化反應(yīng)過(guò)程有重要影響[9]。由于褐煤的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，孔體積和比表面積大，水分含量高，透氣性好，可發(fā)育較好的氣化通道，故有利于地下氣化。研究區(qū)由北向南煤變質(zhì)程度有所增強(qiáng)，由西向東煤變質(zhì)程度表現(xiàn)為由弱到強(qiáng)的過(guò)程。準(zhǔn)東北部大井—北山煤窯—梧桐窩子一帶，主要發(fā)育西山窯組褐煤(鏡質(zhì)體反射率Ro=0.43%～0.52%)；該區(qū)南部博格達(dá)山山前地區(qū)則主要發(fā)育侏羅系八道灣組長(zhǎng)焰煤(Ro=0.67%)。研究區(qū)煤級(jí)較低，均為有利的氣化煤種(表1)。

2.6 鏡質(zhì)組含量

煤巖顯微組分中，殼質(zhì)組生氣能力最好，鏡質(zhì)組次之，惰性組最差。但由于煤中殼質(zhì)組含量較少，故鏡質(zhì)組是生氣的主力組分[14]。有機(jī)顯微組分實(shí)驗(yàn)表明，西山窯組煤巖有機(jī)顯微組分中鏡質(zhì)組含量31.99%～62.98%，平均44.91%；惰質(zhì)組組分36.83%～67.27%，平均54.75%；殼質(zhì)組含量0.18%～0.74%，平均僅為0.34%，八道灣組煤巖有機(jī)顯微組分中鏡質(zhì)組含量在75.8%左右，惰質(zhì)組含量在20.8%左右，殼質(zhì)組含量為3.2%。研究區(qū)顯現(xiàn)出良好的氣化潛力。

圖2 準(zhǔn)東地區(qū)西山窯組煤層厚度和埋深等值線圖

表1 準(zhǔn)東地區(qū)顯微組分和工業(yè)分析

2.7 煤巖煤質(zhì)

煤中灰分含量的高低對(duì)煤炭地下氣化有一定影響，較高的灰分含量可以支撐頂板防止燃空區(qū)頂板和地表的沉降，當(dāng)灰分過(guò)高時(shí)，氣化速率會(huì)降低且會(huì)增加熱量的散失。煤中水分的影響著氧化劑的供應(yīng)，水分過(guò)高時(shí)氣化效率會(huì)降低，且煤氣的熱值也會(huì)較少，煤中揮發(fā)分過(guò)低時(shí)，煤層的點(diǎn)火和氣化都會(huì)受到影響，成本增高[7-8]。由工業(yè)分析可知(表1)，準(zhǔn)東地區(qū)煤水分3.74%～14.79%，平均為8.92%，具有明顯的階段分布特征。其中，博格達(dá)山前地區(qū)煤的水分較低；北部一帶西山窯組煤的水分為7.45%～13.6%，平均10.24%。揮發(fā)分產(chǎn)率變化不大，其值為30.18%～41.53%，平均為32.98%；灰分產(chǎn)率主要受無(wú)機(jī)礦物組分控制，西山窯組煤層灰分變化范圍在4.23%～12.75%，平均8.73%，低灰煤最為常見，阜康斷裂帶八道灣組煤層灰分為14.6%，中灰煤最為常見。在區(qū)域上變化較大。準(zhǔn)東地區(qū)煤揮發(fā)分和灰分相對(duì)較高，有利于煤炭地下氣化。

2.8 頂?shù)装鍘r性

為保證氣化爐的封閉性，蓋層一般選取泥巖和泥質(zhì)砂巖，且要求頂?shù)装鍘r層要完全覆蓋[8]。準(zhǔn)東西山窯組煤層頂板巖性在區(qū)域上變化較大，西部和中部地區(qū)煤層頂板巖性以粉砂巖與細(xì)砂巖為主；白家?！宀蕿车貐^(qū)以粉砂巖為主；東部地區(qū)以頂板為泥巖和粉砂巖泥巖。南部八道灣組頂板以泥巖和粉砂巖較為常見，從頂板巖性封堵性能出發(fā)，準(zhǔn)東地區(qū)東部和南部煤層頂板封蓋條件最好，白家海-五彩灣地區(qū)次之，中部與西部地區(qū)最差(圖3)。

圖3 準(zhǔn)東地區(qū)西山窯組煤層頂板巖性

2.9 煤層產(chǎn)狀

任何產(chǎn)狀的煤層，都可以用氣化方法開采，但最佳的煤炭地下氣化傾角可以起到防止燃燒后灰渣掉落的影響[8]。傾角較大的煤層雖然有利區(qū)氣化，但對(duì)發(fā)生爐的要求較高，成本較大。傾角較小的煤層在氣化時(shí)，燃空區(qū)頂板容易塌陷，阻礙氣化進(jìn)程。通過(guò)前人研究成果可知，煤炭地下氣化有利的煤層傾角為35°[15]。準(zhǔn)東北部煤層傾角4°～31°，在米泉—阜康—大黃山一帶傾角可超過(guò)45°，煤層傾角較大，有利于煤層地下氣化。

3 多層次模糊數(shù)學(xué)模型的建立

影響煤炭地下氣化地質(zhì)因素非常復(fù)雜，簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)模型不能定量、精確反映煤炭地下氣化潛力的實(shí)際情況，常采用多層次數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型對(duì)煤炭地下氣化可行性開展定量評(píng)價(jià)[16-18]。其原理是首先是要把問(wèn)題條理化、層次化，構(gòu)造出一個(gè)層次分析模型，對(duì)同一層次的各評(píng)價(jià)參數(shù)的相對(duì)于上一層次重要性進(jìn)行兩兩對(duì)比，得到一個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)的評(píng)判矩陣，通過(guò)求解矩陣的最大特征根和它所對(duì)應(yīng)的特征向量，即可算出各評(píng)價(jià)參數(shù)的相對(duì)權(quán)重[19-21]。結(jié)合模糊數(shù)學(xué)方法，建立適用于準(zhǔn)東部地區(qū)的煤炭地下氣化評(píng)價(jià)的多層次數(shù)學(xué)模型，主要步驟如下。

3.1 評(píng)價(jià)參數(shù)的選取以及權(quán)重計(jì)算

中外研究和實(shí)踐表明，煤炭地下氣化很大程度上由煤層空間展布、煤儲(chǔ)層物性和開采條件共同決定。結(jié)合準(zhǔn)東地區(qū)煤層賦存的地質(zhì)特征及煤層儲(chǔ)層特點(diǎn)等，應(yīng)用上述層次分析法基本原理，選取煤層厚度、煤層傾角、煤層埋深、灰分、顯微煤巖組分、煤化作用程度、底板巖性、構(gòu)造、水文地質(zhì)作為評(píng)價(jià)研究區(qū)煤炭地下氣化可行性的指標(biāo)，構(gòu)建研究區(qū)煤炭地下氣化評(píng)價(jià)體系(表2)。

表2 煤炭地下氣化勘探選區(qū)評(píng)價(jià)體系

3.2 評(píng)價(jià)參數(shù)權(quán)重計(jì)算

權(quán)重是指每個(gè)參數(shù)對(duì)煤炭地下氣化的貢獻(xiàn)程度，反映各參數(shù)在評(píng)價(jià)對(duì)象中的價(jià)值地位。在遵循客觀性和評(píng)價(jià)主體的特殊性兩大原則基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)同層次參數(shù)的兩兩比較，構(gòu)成判別矩陣(表3)；計(jì)算出判別矩陣所對(duì)應(yīng)的特征向量，得到各參數(shù)的權(quán)重。在對(duì)同層次參數(shù)兩兩比較時(shí)，采用0～4標(biāo)度進(jìn)行評(píng)價(jià)(表4)。

3.3 評(píng)價(jià)參數(shù)隸屬度的確定

此次煤炭地下氣化潛力評(píng)價(jià)所選評(píng)價(jià)參數(shù)依據(jù)其性質(zhì)可分為定性參數(shù)和定量參數(shù)兩類。定量參數(shù)包括煤層厚度、煤化作用程度、煤層埋深、煤層傾角、煤巖組分等，這些定量參數(shù)都是從勘探成果中或根據(jù)測(cè)試和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)而得到的。定性參數(shù)包括構(gòu)造條件、水文地質(zhì)條件、頂板保存條件等，這些參數(shù)的取值原則上根據(jù)已有地質(zhì)資料和研究成果，經(jīng)分析和比較而定性地賦予隸屬度。本次評(píng)價(jià)中，隸屬度的確定是參考前人對(duì)其他研究區(qū)的模糊評(píng)價(jià)隸屬度取值方法的基礎(chǔ)上，提出的隸屬度取值方案，按照各評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)于煤炭地下氣化的影響，將其分為優(yōu)-中-差三類(表5)，其隸屬度取值分別為1～0.7、0.7～0.3、<0.3。

表3 準(zhǔn)東地區(qū)各級(jí)指標(biāo)的判別矩陣

表4 矩陣標(biāo)度的判斷及含義

表5 準(zhǔn)噶爾盆地煤炭地下氣化評(píng)價(jià)定性指標(biāo)隸屬度取值表

3.4 數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型建立

為精確定義準(zhǔn)噶爾盆地東部煤炭地下氣化勘探潛力，建立多層次模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型。通過(guò)該評(píng)價(jià)模型可定量化煤炭地下氣化指數(shù)(0

(1)

式(1)中：Ai代表煤炭地下氣化潛力指數(shù)；Bi代表二級(jí)參數(shù)指標(biāo)權(quán)重；Cij代表各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重；aij代表各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度。

3.5 煤層氣資源潛力評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)對(duì)準(zhǔn)東地區(qū)煤層厚度、煤層埋深、鏡質(zhì)組含量、煤化作用程度、灰分、煤層傾角、煤層頂板巖性、水文地質(zhì)以及構(gòu)造發(fā)育等評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行整理，按的數(shù)值將準(zhǔn)噶爾盆地東部煤炭地下氣化發(fā)潛力劃分為3類：即Ai<0.61為Ⅲ類有利區(qū)、0.610.75為Ⅰ類有利區(qū)，其中Ⅰ類有利區(qū)作為下一步煤炭地下氣化開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域，包括梧桐窩子凹陷、紗帳斷褶帶和阜康斷裂帶(圖4)。

圖4 準(zhǔn)東地區(qū)煤炭地下氣化有利區(qū)優(yōu)選圖

4 結(jié)論

(1)噶爾盆地東部地區(qū)具備較好的成煤環(huán)境，形成多個(gè)富煤中心，煤階較低，煤層層數(shù)多，發(fā)育多套大于5 m厚煤層，灰分揮發(fā)分較高，傾角較大，埋深適中，頂?shù)装鍘r性常見泥巖、粉砂巖和砂巖，斷層封堵較好，發(fā)育較好的隔水層，綜合分析認(rèn)為本區(qū)適宜于進(jìn)行煤炭地下氣化工作。

(2)通過(guò)對(duì)研究區(qū)地質(zhì)條件的系統(tǒng)研究，用多層次模糊數(shù)學(xué)方法評(píng)價(jià)了研究區(qū)煤炭地下氣化的開發(fā)潛力，并將全區(qū)煤炭地下氣化潛力劃分為三類。優(yōu)選出于紗帳斷褶帶、梧桐窩子凹陷、阜康斷裂帶三個(gè)區(qū)塊作為煤炭地下氣化的最佳區(qū)域，這對(duì)研究區(qū)后續(xù)的地下氣化實(shí)施具有一定的指導(dǎo)意義。