陽泉礦區(qū)煤層氣利用模式評價與優(yōu)化

李耀謙

（陽泉煤業(yè)（集團）有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，山西 陽泉045000）

賦存于煤層之中，以甲烷為主要成分的烴類氣體被稱為煤層氣，又被稱為煤層瓦斯，是礦井安全生產(chǎn)中重要的致災(zāi)因素，也是引發(fā)煤礦群死群傷事故的頭號殺手，但煤層氣也是一種儲量豐富、成本低廉，應(yīng)用前景廣闊的非常規(guī)能源及重要的化工原料，還具有高達同量CO221 倍的全球增溫潛能，煤層氣的直接排放不僅是寶貴資源的浪費，一定程度上也對溫室效應(yīng)的加劇起到了推波助瀾的作用[1-3]。近年來，隨著中國經(jīng)濟進入新常態(tài)，國家生態(tài)文明建設(shè)推進的力度加大，能源轉(zhuǎn)型的步伐進一步加快，優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)、提高清潔能源消費比重成為當務(wù)之急，包括煤層氣等在內(nèi)的清潔能源的需求量也大幅提高，只有在合理的利用途徑下，煤層氣開發(fā)才能產(chǎn)生更好的效益， 才能保證煤層氣開發(fā)利用項目的可持續(xù)健康發(fā)展[4-6]。受不同開發(fā)方式及開發(fā)階段的影響，煤礦區(qū)煤層氣濃度分布范圍廣（0.8%～90%），因而評估各類煤層氣利用模式的優(yōu)缺點，根據(jù)不同模式的相應(yīng)特點，對煤礦區(qū)煤層氣進行針對性的分段梯級利用，成為了必然需求[7]。諸多學(xué)者在煤層氣梯級利用技術(shù)評價方面進行了研究[3，8-9]。研究多集中于對煤層氣利用技術(shù)或模式的定性評估與經(jīng)驗分析，定量分析較少，主觀性較強，而煤層氣利用模式評價又是一個典型的多目標決策問題[10]，涉及煤層氣利用的技術(shù)、經(jīng)濟、安全環(huán)境和社會等多方面因素，且每個方面又包括眾多的影響指標，如此多的影響指標之下，僅憑主觀判斷或單一簡單的評價方法難以滿足煤層氣利用評價的要求。針對這一情況，基于層次分析法建立了陽泉礦區(qū)煤層氣利用模式評價指標體系，并利用二級模糊綜合評價模型對陽泉礦區(qū)煤層氣利用模式的實際效果進行評價，為陽泉礦區(qū)煤層氣分級利用模式進一步優(yōu)化打好基礎(chǔ)。

1 煤層氣利用模式綜合評價指標體系

由于影響煤層氣利用模式效果的因素眾多，在評價時難以一次性確定所有因素對利用模式的重要程度。為了全面綜合地反映陽泉礦區(qū)各煤層氣利用模式的優(yōu)劣勢，參考相關(guān)文獻[11]中制定評價體系的原則與陽泉礦區(qū)的實際情況，從技術(shù)因素F1、經(jīng)濟因素F2、環(huán)境與安全因素F3和社會因素F4這4類因素出發(fā)，確定了能量效率F11、煤層氣利用率F12、所需煤層氣濃度范圍F13、技術(shù)可靠度F14、項目投資F21、項目年收益F22、安全程度F31、環(huán)境影響程度F32、受益人群數(shù)量F41、就業(yè)人群數(shù)量F42等10 項評價指標。其中能量效率是指煤層氣利用過程中的產(chǎn)出能量與總輸入能量之比；煤層氣利用效率是指利用的煤層氣純量與輸入的煤層氣純量之比；所需煤層氣濃度是指利用過程中所需要的煤層氣的體積分數(shù)；技術(shù)可靠度是指該項技術(shù)的可靠與發(fā)展程度。項目投資是指煤層氣開發(fā)過程所需要投入的資金；項目年收益，即項目運行當年煤層氣開發(fā)所獲得的利潤。項目的安全程度是指在項目實施過程中不發(fā)生安全生產(chǎn)事故的可能性；在煤層氣利用過程中，可能會造成環(huán)境的再次污染，因此煤層氣利用技術(shù)對環(huán)境的影響程度也應(yīng)作為優(yōu)化煤層氣利用技術(shù)的考慮因素。受益人群數(shù)量主要指的是煤層氣利用項目實施以后，利用成果所惠及的人群數(shù)量；就業(yè)人群數(shù)量是指煤層氣利用項目實施以后，可解決的當?shù)鼐蜆I(yè)人數(shù)。各級評價指標確定后，結(jié)合層次分析法與二級模糊評價法[12]，建立了指標體系框架，煤層氣利用模式評價指標體系框架圖如圖1。

圖1 煤層氣利用模式評價指標體系框架圖Fig.1 Frame diagram of index system for evaluating coalbed methane utilization model

2 煤層氣利用模式綜合評價方法

2.1 層次分析法確定指標權(quán)重

利用1-9 標度法建立各項指標的判斷矩陣，計算各判斷矩陣的最大特征根λ 與對應(yīng)的特征向量W，將W 歸一化后，即得各指標的權(quán)重值，隨后進行一致性檢驗。一致性檢驗方法如下：

式中：CI 為一致性指標；n 為判斷矩陣的階數(shù)；RI 為判斷矩陣的平均隨機一致性指標；CR 為一致性比例。

當CR<0.10 時，則認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對判斷矩陣進行適當修改。通過計算可得各指標在各因素內(nèi)的權(quán)重矩陣An，以及各因素的權(quán)重矩陣A。

2.2 模糊綜合評價法

使用隸屬度描述評價等級，能表現(xiàn)出界限的模糊性，不會因評價主體的不同而出現(xiàn)偏差，因而在評價標準上建立[0，1］的映射，構(gòu)建隸屬度函數(shù)[13]。先通過對煤層氣開發(fā)與利用模式優(yōu)化指標體系中各指標進行標準化取值，再代入隸屬度函數(shù)運算并組合，可得各指標對于4 個評價等級的隸屬度矩陣Rn：

式中：Yij為各指標對4 個評價結(jié)果的隸屬度；i為指標在因素層內(nèi)的編號；j 為評價結(jié)果編號；m 為單個因素內(nèi)所包含指標的個數(shù)。

2.3 綜合評價計算

使用單指標隸屬度矩陣Rn，再結(jié)合已獲得各個單因子權(quán)重矩陣An，將兩者按矩陣想乘運算法則運算便可得到二級單因素評價向量Bn，即：

由此，可以得到因素集中各因素對于評價結(jié)果的隸屬度矩陣Bn。

由上述各單因素評價結(jié)果Bn可得一級模糊評價矩陣R，再根據(jù)因素權(quán)重矩陣A，按加權(quán)平均型合成運算，獲得綜合評價（二級指標）向量B，即：

最后，根據(jù)B 中向量分為“一般”、“較好”、“好”和“非常好”4 個等級，按擇近原則進行評價。至此，建立了煤層氣利用模式二級模糊綜合評價模型。

3 煤層氣利用模式二級模糊綜合評價模型應(yīng)用

通過現(xiàn)場調(diào)研統(tǒng)計了陽泉礦區(qū)2019 年4 月至9 月期間各礦井煤層氣的利用路線，由調(diào)研結(jié)果知，陽泉礦區(qū)各個濃度的煤層氣均得到了利用，如高瓦斯管道的煤層氣被用于民用煤層氣燃氣，低濃度煤層氣被用于風(fēng)筒蓄熱等。以陽煤集團現(xiàn)有的8 項煤層氣利用技術(shù)（民用煤層燃氣技術(shù)T1、氧化鋁焙燒技術(shù)T2、煤層氣發(fā)電技術(shù)T3、燃氣集中空調(diào)技術(shù)T4、燒制永磁體技術(shù)T5、工業(yè)鍋爐技術(shù)T6、瓦斯抽采監(jiān)測技術(shù)T7、井筒加熱技術(shù)T8）為研究對象，采用煤層氣利用模式二級模糊綜合評價模型，對各項技術(shù)的實際應(yīng)用效果進行評價。

3.1 評價指標體系中的指標構(gòu)成及指標數(shù)值

表1 指標構(gòu)成表Table 1 Composition table of indicators

圖2 煤層氣利用技術(shù)能量效率比較圖Fig.2 Comparison of energy efficiency of coalbed methane utilization technology

圖3 煤層氣利用技術(shù)煤層氣利用率比較圖Fig.3 Comparison of coalbed methane utilization rate of coalbed methane utilization technology

評價指標體系中的指標構(gòu)成見表1，調(diào)研所得的各項煤層氣利用技術(shù)指標值：煤層氣利用技術(shù)能量效率、煤層氣利用率、所需煤層氣濃度下限、技術(shù)可靠度、項目投資、項目年收益、安全程度、環(huán)境影響程度、受益人群數(shù)量、就業(yè)人群數(shù)量比較圖分別如圖2～圖11。

由調(diào)研數(shù)據(jù)可知，除瓦斯抽采監(jiān)測技術(shù)外，陽泉礦區(qū)各項煤層氣利用技術(shù)在安全與環(huán)境因素相關(guān)的指標上均能取得可觀的評分，但是在技術(shù)、經(jīng)濟與社會因素下屬二級指標上的表現(xiàn)則不盡相同。

民用煤層燃氣技術(shù)與燃氣集中空調(diào)技術(shù)所需的項目投資都相對較大，但由于其便民工程的實質(zhì)，項目年收益不高，故2 項技術(shù)在經(jīng)濟因素方面表現(xiàn)并不十分突出。擴大受益人群，增加就業(yè)崗位，是煤層氣發(fā)電技術(shù)與工業(yè)鍋爐技術(shù)需要重點改進的方向。燒制永磁體技術(shù)雖然在控制項目投資方面表現(xiàn)良好，但是在增加年收益與增加受益人群數(shù)量方面仍有提升潛力。氧化鋁焙燒技術(shù)與瓦斯抽采監(jiān)測技術(shù)存在許多共同點，二者在技術(shù)升級改造，減輕環(huán)境污染潛在風(fēng)險，增加年收益等方面都面臨著較大的壓力。盡管井筒加熱技術(shù)項目在提升盈利上并無太大空間，但是也需要在技術(shù)升級、增進就業(yè)，減輕環(huán)境污染壓力等方面加以改進。

圖4 煤層氣利用技術(shù)所需煤層氣濃度下限比較圖Fig.4 Comparison of the lower limit of coalbed methane concentration required

圖5 煤層氣利用技術(shù)技術(shù)可靠度比較圖Fig.5 Comparison of technical reliability of coalbed methane utilization technology

圖6 煤層氣利用技術(shù)項目投資比較圖Fig.6 Comparison of investment in coalbed methane utilization technology projects

圖7 煤層氣利用技術(shù)項目年收益比較圖Fig.7 Comparison of annual income of coalbed methane utilization technology projects

圖8 煤層氣利用技術(shù)安全程度比較圖Fig.8 Comparison of safety degree of coalbed methane utilization technology

圖9 煤層氣利用技術(shù)環(huán)境影響程度比較圖Fig.9 Comparison of environmental impact degree of coalbed methane utilization technology

圖10 煤層氣利用技術(shù)受益人群數(shù)量比較圖Fig.10 Comparison of the number of beneficiaries from coalbed methane utilization technology

3.2 一級和二級指標權(quán)重的計算及檢驗

使用MATLAB 軟件來計算一、二級指標的最大特征值、權(quán)重，并進行權(quán)重值的一致性檢驗。結(jié)合式（1）和式（2）進行計算，求得各一級與二級指標一致性比率CR 均小于0.1，這一結(jié)果滿足一致性比例的要求，故求得的權(quán)重有效。陽泉礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)二級模糊綜合評價指標及對應(yīng)權(quán)重見表2。

3.3 模糊評判矩陣形成

將煤層氣利用優(yōu)化指標體系中，對某項技術(shù)的各指標數(shù)值進行標準化取值后的結(jié)果，分別代入所屬隸屬度函數(shù)并匯總，可得該項技術(shù)在第i 類指標所屬二級指標這一方面，對于“一般”、“較好”、“好”和“非常好”4 個等級的隸屬度矩陣R2i。以民用煤層燃氣技術(shù)為例，可匯總得隸屬度矩陣如下：

表2 陽泉礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)二級模糊綜合評價指標及對應(yīng)權(quán)重Table 2 Second-level fuzzy comprehensive evaluation index and corresponding weight of coalbed methane utilization technology in Yangquan Mining Area

結(jié)合式（4），可對二級指標F21進行優(yōu)劣性評價，計算得模糊評價向量B21為：

基于擇近原則，可知民用煤層燃氣技術(shù)在二級指標中第一類指標（技術(shù)指標）這一方面的利用效果，應(yīng)該評定為“好”等級。

再依次計算出B22、B23、B24，由B21、B22、B23、B24組成一級模糊評價矩陣R：

然后根據(jù)式（5），將一級模糊評價矩陣R 與上文所求得因素權(quán)重矩陣A，按加權(quán)平均型合成運算，計算得民用煤層燃氣技術(shù)的綜合評價（一級指標）向量B，再進行歸一化處理求得B′：

根據(jù)擇近原則可知，民用煤層燃氣技術(shù)對“好”等級隸屬度最高，故該項技術(shù)利用效果可評為“好”等級。

按照同樣的計算過程，可得民用煤層燃氣、氧化鋁焙燒、煤層氣發(fā)電、燃氣集中空調(diào)、燒制永磁體、工業(yè)鍋爐、瓦斯抽采監(jiān)測、井筒加熱八項技術(shù)的利用效果綜合評價，陽泉礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)效果綜合評價表見表3。

表3 陽泉礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)效果綜合評價表Table 3 Comprehensive evaluation table of technical effect of coalbed methane utilization in Yangquan Mining Area

結(jié)合表3 中二級模糊評價法的評判結(jié)果及企業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：陽泉礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)中，民用煤層燃氣、煤層氣發(fā)電、燃氣集中空調(diào)、燒制永磁體、工業(yè)鍋爐5 項技術(shù)煤層氣利用效果好；氧化鋁焙燒、井筒加熱2 項技術(shù)煤層氣利用效果較好；瓦斯抽采監(jiān)測技術(shù)煤層氣利用效果一般。

4 結(jié) 語

1）通過分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，除瓦斯抽采監(jiān)測技術(shù)外，大部分煤層氣利用技術(shù)在安全環(huán)境因素方面表現(xiàn)較好，但是在技術(shù)、經(jīng)濟、社會因素下屬二級指標上的得分不盡相同。民用煤層燃氣技術(shù)與燃氣集中空調(diào)技術(shù)在經(jīng)濟因素方面表現(xiàn)并不十分突出。煤層氣發(fā)電技術(shù)與工業(yè)鍋爐技術(shù)在增加就業(yè)、擴大服務(wù)人群方面存在改進空間。氧化鋁焙燒技術(shù)與瓦斯抽采監(jiān)測技術(shù)二者在技術(shù)升級、減輕環(huán)境污染潛在風(fēng)險，增加年收益等方面都有所欠缺。不同于燒制永磁體技術(shù)，井筒加熱技術(shù)項目在提升盈利上并無太大空間，但在技術(shù)升級、增進就業(yè)，減輕環(huán)境污染壓力等方面需要加以改進。

2）在文獻調(diào)研和企業(yè)資料分析的基礎(chǔ)上，選取4 個一級指標和10 個二級指標，構(gòu)建了陽煤集團煤層氣利用模式二級模糊綜合評價模型。該模型兼顧層次分析法與模糊綜合評判法的優(yōu)點，將定性分析與定量分析有機結(jié)合，科學(xué)確定各個評判因素之間的權(quán)重，綜合考慮多因素情況下煤層氣利用技術(shù)效果評價問題，評價方法完善，評價結(jié)果準確，既充分體現(xiàn)了評價因素和評價過程的模糊性，又盡量減輕了個人主觀決斷所帶來的弊病。

3）使用煤層氣利用模式二級模糊綜合評價模型，對陽煤集團現(xiàn)有的8 項煤層氣利用技術(shù)進行綜合評價，評價結(jié)果表明，民用煤層燃氣、煤層氣發(fā)電、燃氣集中空調(diào)、燒制永磁體、工業(yè)鍋爐5 項技術(shù)煤層氣利用的效果好；氧化鋁焙燒、井筒加熱2 項技術(shù)煤層氣利用的效果較好；瓦斯抽采監(jiān)測技術(shù)煤層氣利用的效果一般。評價結(jié)果大致符合陽煤集團煤層氣利用模式的實際情況。

4）近年來，國家高度重視并大力推進煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體上處于起步階段，仍然面臨規(guī)模小、集中度低、利用率低部分關(guān)鍵技術(shù)尚未取得突破等現(xiàn)實難題，有必要進一步推動實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，加大技術(shù)研發(fā)、裝備研制、集成應(yīng)用、工程示范力度。如井筒蓄熱、低濃度瓦斯發(fā)電和濃度提純等將低濃度煤層氣資源化高效利用的技術(shù)，具有廣闊前景，有望成為未來的重大需求。