煤炭地下氣化的敏感性地質(zhì)因素探討

周 澤，易同生，秦 勇，周永峰，汪凌霞，孔維敏

(1.貴州省煤田地質(zhì)局，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州優(yōu)馳能源科技有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550014；3.貴州省煤炭流態(tài)化開(kāi)采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550014；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

煤炭屬于傳統(tǒng)高碳化石能源，大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)的地表地下生態(tài)擾動(dòng)、溫室氣體排放等問(wèn)題日益凸顯[1]。煤炭地下氣化(UCG)作為一種變革性的采煤技術(shù)，能將傳統(tǒng)的固態(tài)采煤轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榻?jīng)濟(jì)高效的流態(tài)化采煤，在綠色環(huán)保和碳減排方面具有極大優(yōu)勢(shì)，重新受到國(guó)家和能源行業(yè)高度關(guān)注[2-3]。

相對(duì)于地面煤化工裝置，UCG 爐載體為地質(zhì)體。UCG 項(xiàng)目首先要構(gòu)建地下氣化爐，接著點(diǎn)火生產(chǎn)并按設(shè)計(jì)要求保證氣化運(yùn)行可控，整個(gè)過(guò)程中，無(wú)論氣化生產(chǎn)還是環(huán)境保護(hù)，均需要地質(zhì)保障。對(duì)地質(zhì)條件的充分認(rèn)識(shí)是推進(jìn)UCG 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵，煤礦床地質(zhì)稟賦約束了特定UCG 項(xiàng)目的可行性，推進(jìn)UCG 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化必須突破地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)瓶頸[4]。

全球UCG 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)至今已有90 余年漫長(zhǎng)歷程，其間不乏小規(guī)模短期運(yùn)行成功實(shí)例，但在全球范圍內(nèi)，除蘇聯(lián)曾經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)之外，其他國(guó)家和地區(qū)迄今仍未形成產(chǎn)業(yè)化推廣[5-9]。Pei Peng 等[10]分析全球UCG 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得失，認(rèn)為根本原因在于地下水使用和保護(hù)、地下氣化爐構(gòu)造穩(wěn)定性(包括地下、地表環(huán)境)、所期望的合成氣質(zhì)量與組成，這是UCG 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化面臨的3 個(gè)主要挑戰(zhàn)。M.Niec 等[11]也指出煤礦床地質(zhì)條件限制了UCG 技術(shù)的廣泛應(yīng)用。秦勇等[12]認(rèn)為UCG 地質(zhì)研究圍繞“規(guī)避”展開(kāi)，包括規(guī)避爐體建造、環(huán)境安全、生產(chǎn)安全以及不可持續(xù)生產(chǎn)等風(fēng)險(xiǎn)，概括為“地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)”，涉及到UCG 地質(zhì)條件的研究、勘查、評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，貫穿于規(guī)劃布局、爐址優(yōu)選、氣化生產(chǎn)、燃后處理整個(gè)過(guò)程，系統(tǒng)性地質(zhì)研究尚不到位是UCG 長(zhǎng)期未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的重要原因。

面向“雙碳”目標(biāo)及保持以煤為主的能源工業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)，貴州省近年來(lái)積極推動(dòng)UCG 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。貴州省素有“江南煤?！敝Q，煤炭資源量占整個(gè)中國(guó)南方的70%，一方面構(gòu)成全省主體能源和產(chǎn)業(yè)支柱，另一方面也給安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)[13]。鑒于此，2022 年5 月26 日，貴州省發(fā)布《貴州省能源科技創(chuàng)新發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，煤炭地下氣化技術(shù)研發(fā)首次被列入全省能源規(guī)劃重點(diǎn)[14]。貴州省煤炭資源豐富，但開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件較差，煤層層數(shù)多但單層厚度較薄[15]。盡管如此，貴州省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展依然離不開(kāi)煤炭資源的開(kāi)發(fā)利用。由此，迫使貴州省必須對(duì)能源發(fā)展方向做出戰(zhàn)略選擇，而UCG 正是結(jié)合各種選擇方案優(yōu)勢(shì)的最佳現(xiàn)實(shí)選擇之一[16-18]。

鑒于此，筆者針對(duì)貴州復(fù)雜構(gòu)造地質(zhì)條件，基于工程-地質(zhì)一體化新思路，結(jié)合團(tuán)隊(duì)前期提出的[12]建爐可行性、過(guò)程易控性、氣化安全性、開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性“四性”認(rèn)識(shí)，探討無(wú)井式UCG 地質(zhì)條件影響與風(fēng)險(xiǎn)誘發(fā)敏感性因素，以期為形成適合貴州省地質(zhì)條件的安全高效UCG 科學(xué)技術(shù)體系奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

1.1 地質(zhì)參數(shù)集

UCG 建設(shè)應(yīng)規(guī)避爐體建造、氣化過(guò)程穩(wěn)定控制、生產(chǎn)與環(huán)境安全以及可能導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失的諸多風(fēng)險(xiǎn)[12]，UCG“四性”指標(biāo)涉及地質(zhì)因素較多，甄別的關(guān)鍵因素主要涉及煤的堅(jiān)固性系數(shù)、斷層指數(shù)、褶曲指數(shù)等26項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)(表1)。后文分析的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于收集、匯總整理的貴州省20 世紀(jì)60 年代以來(lái)主要勘查區(qū)各煤層各類地質(zhì)參數(shù)。

表1 地質(zhì)調(diào)查參數(shù)Table 1 Geological parameters surveyed

1.2 數(shù)據(jù)處理算法

收集整理的地質(zhì)參數(shù)涉及3 種數(shù)據(jù)類型，一是直接收集到的定量化地質(zhì)參數(shù)，諸如煤的堅(jiān)固性系數(shù)、煤層厚度、煤層傾角等；二是直接收集到的定性的地質(zhì)參數(shù)，諸如勘查程度、上覆巖層穩(wěn)定性等；三是需計(jì)算的二次地質(zhì)參數(shù)，包括煤層厚度變異系數(shù)、煤層夾矸厚度系數(shù)、褶曲指數(shù)、斷層指數(shù)和建爐所需最低原始煤炭資源量5 項(xiàng)。為了更方便討論敏感性因素，筆者根據(jù)參數(shù)類型建立了數(shù)據(jù)模型與算法，簡(jiǎn)述如下。

1) 最低原始煤炭資源量參數(shù)算法

建爐所需最低原始煤炭資源量C25：

煤炭采出率RR：根據(jù)我國(guó)《生產(chǎn)煤礦采出率管理暫行規(guī)定》(國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)令第17 號(hào)，2012)，≤1.3 m 的薄煤層，采區(qū)必須RR≥85%；1.3～3.5 m 中厚煤層，RR≥80%；＞3.5 m 的厚煤層，RR≥75%。貴州省主要含煤地層龍?zhí)督M煤層厚度變化極大，薄煤層UCG控制技術(shù)尚不完全成熟。同時(shí)，UCG 與傳統(tǒng)地下煤炭開(kāi)采工藝一樣，需要留設(shè)保安煤柱。考慮這些客觀情況，本次研究將UCG 煤炭采出率適當(dāng)放寬，定義為70%，即RR＝70%。

氣化采收率GR：統(tǒng)計(jì)美國(guó)20 世紀(jì)70-80 年代20 爐次不同工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，氣化采收率為14%～129%，多為80%～95%，平均86.65%(表2)，本文采用低限80%氣化采收率。

表2 美國(guó)20 世紀(jì)70-80 年代UCG 氣化采收率[16]Table 2 UCG recovery rates in the United States from the 1970s to the 1980s[16]

2) 參數(shù)分級(jí)賦值模型

考慮簡(jiǎn)便且具有區(qū)分度的基本原則，研究過(guò)程將地質(zhì)參數(shù)指標(biāo)分布范圍分為3 級(jí)(具體分級(jí)界限值不在此文闡述)，分別賦值為{3,2,1}，對(duì)應(yīng)于評(píng)語(yǔ)集{好,較好,中等}，即分級(jí)賦值越大，地質(zhì)條件對(duì)UCG 工藝技術(shù)的適應(yīng)性就越強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，采用隸屬函數(shù)表達(dá)特定評(píng)價(jià)參數(shù)的分級(jí)賦值狀態(tài)。將特定評(píng)價(jià)參數(shù)Cij的具體數(shù)值序列X分為3 段，兩個(gè)分界點(diǎn)分別為數(shù)值α和β(α＜β)，則該參數(shù)的分級(jí)賦值模型可表達(dá)為如下隸屬函數(shù)：

模型(3)為中間型隸屬函數(shù)，即模型表征的某個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)的數(shù)據(jù)序列為中間值域范圍最好，本次涉及的地質(zhì)參數(shù)僅煤層傾角適配該模型。參考DZ/T 0215-2020《礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范 煤》，25°～65°傾角最適合開(kāi)展煤炭地下氣化；煤層傾角過(guò)大或過(guò)小，均不利于UCG 工作面的推進(jìn)。例如，急傾斜煤層無(wú)井式地下氣化，首先要解決的關(guān)鍵技術(shù)有沿煤層定向鉆進(jìn)施工進(jìn)氣孔和排氣孔、在實(shí)體煤層中點(diǎn)火和氣化通道的開(kāi)拓。再如，緩傾斜煤層在氣化過(guò)程中難以剝落，影響滲流燃燒環(huán)境，CO2在一個(gè)反應(yīng)工作面無(wú)法被完全還原，水蒸氣難以被完全分解[15]。模型(4)和模型(5)可以理解為S 型隸屬函數(shù)，即模型表征的某個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)的數(shù)據(jù)序列為單調(diào)遞增或單調(diào)遞減，剩余地質(zhì)參數(shù)均適配模型(4)和模型(5)。例如，鉆井式UCG 爐構(gòu)建依賴于水平井，煤體強(qiáng)度影響到水平井眼煤壁的穩(wěn)定性，進(jìn)而決定了爐體構(gòu)建的成功與否；煤體強(qiáng)度一般用堅(jiān)固性系數(shù)(f)表征，二者呈單調(diào)遞增關(guān)系。根據(jù)f可將井壁穩(wěn)定性指標(biāo)分為3 級(jí)：f＞1.5 的煤層賦值3，有利于井眼穩(wěn)定；介于1.5～0.8 的煤層賦值2，較有利于井眼穩(wěn)定；f＜0.8 的煤層賦值1，不利于井眼穩(wěn)定。再如，煤的受熱膨脹性影響氣化通道穩(wěn)定性，奧亞膨脹度越高，越不利于地下氣化過(guò)程的控制，與氣化有利程度之間體現(xiàn)為遞減關(guān)系[12]。

對(duì)于難以指標(biāo)化的評(píng)價(jià)參數(shù)，可采用定性分級(jí)定量賦值方法，實(shí)現(xiàn)定性指標(biāo)定量化輸入?？辈槌潭戎甘緦?duì)UCG 地質(zhì)條件的控制程度，可將勘探＋詳查階段賦值為3，普查＋預(yù)查階段賦值為2，預(yù)測(cè)階段賦值為1。

3) 參數(shù)權(quán)重向量算法

某一參數(shù)的權(quán)重，是指該參數(shù)在同層次整體評(píng)價(jià)中的相對(duì)重要程度，傾向于某個(gè)參數(shù)在整體參數(shù)集中的貢獻(xiàn)度或重要性[19]。權(quán)重確定可采用諸多方法，如專家咨詢權(quán)數(shù)法(特爾斐法)、因子分析法、信息量權(quán)數(shù)法、獨(dú)立性權(quán)數(shù)法、主成分分析法、層次分析法(AHP 法)、優(yōu)序圖法、熵權(quán)法、標(biāo)準(zhǔn)離差法、CRITIC 法、非模糊數(shù)判斷矩陣法等[20-21]。

其中，層次分析法兼顧定性與定量分析，通過(guò)“兩兩判斷矩陣”把定性分析結(jié)果定量化，適合于地質(zhì)條件多數(shù)具有模糊性和確定性“雙重屬性”的特點(diǎn)，適合各種非確定性問(wèn)題的解決，被化石能源地質(zhì)界廣泛采用。

20 世紀(jì)70 年代，美國(guó)數(shù)學(xué)家 Saaty 等率先在層次分析中引入九級(jí)比例標(biāo)度和兩兩判斷矩陣[22]。兩兩判斷實(shí)質(zhì)上是成對(duì)對(duì)比分析，引入1-9 比率標(biāo)度，將多參數(shù)定性比較轉(zhuǎn)化為定量分析(表3)。通過(guò)兩兩比較判斷，確定每一層次中各因素相對(duì)于上一層或最高層總目標(biāo)的相對(duì)重要性，并加以排序，從而判斷出系統(tǒng)主要風(fēng)險(xiǎn)模式和風(fēng)險(xiǎn)因素。

表3 兩兩判斷矩陣各標(biāo)度含義[22]Table 3 Meanings of scales of the pairwise comparison matrix[22]

逐一比較26 項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)，且將每一個(gè)參數(shù)與各參數(shù)比較的結(jié)果排成一行，得到以下算法。

設(shè)參數(shù)ai/aj為aij，則aj/ai為aji，aji=1/aij。為此，兩兩判斷矩陣是一個(gè)方陣，也是一個(gè)正互反矩陣。

兩兩判斷矩陣求解權(quán)重方法諸多，本次研究采用特征向量法。在n階兩兩判斷矩陣A中，若存在常數(shù)λ及n維非零向量x，使得Ax=λx，則λ是矩陣A的特征值，x是A屬于特征值λ的特征向量。為此，求解矩陣A可以獲得最大特征根λmax及特征向量集ω。其中，特征向量集中的最大向量序列?max即為需求取的評(píng)價(jià)參數(shù)集特征向量。將?max歸一化處理，則獲得下一層評(píng)價(jià)參數(shù)相對(duì)于上層目標(biāo)的權(quán)重向量：

在兩兩判斷矩陣構(gòu)建過(guò)程中，受控于評(píng)價(jià)者經(jīng)驗(yàn)及地質(zhì)條件復(fù)雜性，某些相對(duì)重要的成對(duì)參數(shù)賦值往往存在誤差，導(dǎo)致判斷矩陣的特征值產(chǎn)生偏差。為此，需要基于最大特征根λmax，對(duì)兩兩判斷矩陣的客觀性進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

首先，計(jì)算一致性指標(biāo)CI：CI=(λmax-n)/(n-1)

然后，查表獲得對(duì)應(yīng)n個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，計(jì)算一致性比例CR(CI/RI)。如果CR＜0.1，則認(rèn)為兩兩判斷矩陣及求得的權(quán)重向量具有滿足要求的一致性，可以接受。據(jù)此，筆者梳理出貴州西部部分礦區(qū)地質(zhì)參數(shù)權(quán)重(表4)。

表4 貴州西部威舍區(qū)某礦27 號(hào)煤層地質(zhì)參數(shù)Table 4 Geological parameters of the No.27 coal seam in a mine in Weishe Town,western Guizhou

4) 參數(shù)權(quán)重積算法

權(quán)重積(WPx)系指某個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)的相對(duì)權(quán)重(Wij)與其指標(biāo)分級(jí)賦值(Xi)的乘積，用來(lái)綜合表征信息采集點(diǎn)某參數(shù)相對(duì)于其他同層參數(shù)在共同上層目標(biāo)中的相對(duì)貢獻(xiàn)：

特定信息采集點(diǎn)同層次所有評(píng)價(jià)參數(shù)或?qū)?yīng)上層目標(biāo)域評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重積之和，則為權(quán)重積和Wp，用以比較某信息采集點(diǎn)與其他信息采集點(diǎn)UCG 地質(zhì)條件適應(yīng)程度，表征該信息采集點(diǎn)在所有信息點(diǎn)中的排序：

以往地質(zhì)參數(shù)排序研究中，采用的方法或人為主觀性較強(qiáng)，如主觀判斷法、專家打分法等；或算法過(guò)于繁雜，如方差法、Ward 法、模糊數(shù)學(xué)法等。與此相比，本次研究提出并建立的權(quán)重積方法具有兩方面優(yōu)越之處：其一，計(jì)算簡(jiǎn)便易行，利用Excel 電子表格簡(jiǎn)單設(shè)置就可形成計(jì)算模板，不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型輸入或軟件處理；其二，權(quán)重與分級(jí)賦值乘積放大了各評(píng)價(jià)參數(shù)或評(píng)價(jià)對(duì)象之間排序數(shù)值的客觀差異，對(duì)綜合貢獻(xiàn)度或地質(zhì)條件適應(yīng)程度的識(shí)別度更高。

根據(jù)以上算法，筆者團(tuán)隊(duì)統(tǒng)計(jì)整理了貴州地區(qū)歷年來(lái)煤炭勘查資料，對(duì)研究區(qū)內(nèi)主要煤田427 個(gè)主要勘查區(qū)的各可采煤層數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理匯總，如研究區(qū)某礦27 號(hào)煤層(表4)。

2 敏感性地質(zhì)因素的關(guān)聯(lián)特征

UCG 地質(zhì)參數(shù)集作為一個(gè)系統(tǒng)，包括多個(gè)地質(zhì)因素，可能在UCG 過(guò)程中相互作用，進(jìn)而共同約束UCG行為，這種相互作用的實(shí)質(zhì)就是地質(zhì)因素關(guān)聯(lián)性。關(guān)聯(lián)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在關(guān)系趨勢(shì)和關(guān)聯(lián)程度兩個(gè)方面，可以采用合適的數(shù)學(xué)模型挖掘其中的關(guān)聯(lián)敏感信息，即關(guān)聯(lián)挖掘，最基本的數(shù)學(xué)方法就是相關(guān)性分析。相關(guān)性分析可采用多種具體方法，常用的方法一般是Pearson 雙變量相關(guān)性分析。

2.1 UCG 地質(zhì)因素關(guān)聯(lián)特點(diǎn)

Pearson 雙變量分析結(jié)果顯示，UCG 評(píng)價(jià)條件與頂層目標(biāo)之間具有如下總體關(guān)聯(lián)特點(diǎn)(表5)。

表5 貴州省UCG“四性”指標(biāo)與總目標(biāo)相關(guān)性Table 5 Correlations between four indices and the overall objective for UCG in Guizhou Province

第一，“四性”指標(biāo)權(quán)重積與頂層權(quán)重積之間，均在置信度99%水平顯著相關(guān)。其中，相關(guān)性最高的為建爐可行性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.925；其次為過(guò)程易控性，相關(guān)系數(shù)為0.476。相關(guān)系數(shù)越大，代表其與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果之間的總體關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，即“四性”指標(biāo)對(duì)UCG 總體地質(zhì)可行性的敏感性從強(qiáng)到弱排序依次為建爐可行性、過(guò)程易控性、氣化安全性、開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性。

第二，上述兩兩因素相關(guān)性分析結(jié)果的地質(zhì)意義表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是條件權(quán)重設(shè)置的必然結(jié)果，上述敏感性排序與“四性”指標(biāo)權(quán)重大小(表4)順序盡管有所出入，但總體趨勢(shì)一致，反映分析算法體系中對(duì)“四性”指標(biāo)權(quán)重的設(shè)計(jì)總體合理。二是反映了“四性”指標(biāo)對(duì)UCG 評(píng)價(jià)目標(biāo)的實(shí)際敏感性，歸一化算法體系中建爐可行性相對(duì)權(quán)重(0.332 0)實(shí)際上小于過(guò)程易控性(0.415 2)，而評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)卻與之相反，說(shuō)明在貴州省實(shí)際地質(zhì)條件背景下，UCG 可行性對(duì)建爐可行性最為敏感，UCG 項(xiàng)目成功與否的關(guān)鍵地質(zhì)因素在于建爐可行性，包括煤體結(jié)構(gòu)和煤層厚度兩個(gè)具體因素。這一地質(zhì)認(rèn)識(shí)至關(guān)重要，后續(xù)實(shí)踐中應(yīng)高度重視。

第三，“四性”指標(biāo)權(quán)重積之間總體上不具有關(guān)聯(lián)性。分析雙變量分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)建爐可行性、過(guò)程易控性、氣化安全性、開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性權(quán)重積兩兩之間相關(guān)系數(shù)極小，表明“四性”指標(biāo)互不敏感，相互之間基本上沒(méi)有關(guān)聯(lián)性，總體上屬于獨(dú)立地質(zhì)因素，這與算法體系參數(shù)權(quán)重設(shè)計(jì)一致。

以構(gòu)造單元為基本單位，就“四性”指標(biāo)與總目標(biāo)權(quán)重積之間關(guān)系開(kāi)展回歸分析(圖1)，進(jìn)一步考察UCG地質(zhì)因素之間的關(guān)聯(lián)特征。

圖1 UCG 頂層權(quán)重積與“四性”指標(biāo)權(quán)重積交匯圖Fig.1 Cross plots showing the correlations between the top-level weight product and the weight products of four indices for UCG

第一，總目標(biāo)頂層權(quán)重積分別與“四性”指標(biāo)權(quán)重積總體均呈正相關(guān)關(guān)系(圖1)，說(shuō)明統(tǒng)計(jì)的地質(zhì)參數(shù)具有較強(qiáng)的適配性。但不同條件權(quán)重積與頂層權(quán)重積的相關(guān)系數(shù)差異明顯，同樣指示UCG 總目標(biāo)對(duì)不同地質(zhì)參數(shù)的敏感性有所差異。建爐可行性、過(guò)程易控性、氣化安全性、開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性對(duì)總目標(biāo)頂層權(quán)重積的相關(guān)系數(shù)(R2)依次減小，表明總目標(biāo)對(duì)“四性”指標(biāo)地質(zhì)因素的敏感性依次變?nèi)?。即，UCG 可行性對(duì)建爐可行性的依賴性最強(qiáng)，過(guò)程易控性次之，其他兩個(gè)條件對(duì)總目標(biāo)的離散性相對(duì)較大，敏感性降低。

第二，總目標(biāo)對(duì)地質(zhì)因素的敏感性實(shí)際上具有非線性特點(diǎn)，影響因素較為復(fù)雜。分析不同數(shù)學(xué)模型擬合結(jié)果，發(fā)現(xiàn)非線性的冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)對(duì)總目標(biāo)與“四性”指標(biāo)之間的擬合精度更高，說(shuō)明二者之間最佳關(guān)系并非線性模式。其中，總目標(biāo)與建爐可行性之間呈指數(shù)關(guān)系，而總目標(biāo)與其他3 個(gè)條件之間為冪指數(shù)關(guān)系(圖1)。由此揭示，建爐可行性對(duì)UCG 可行性的影響最強(qiáng)，UCG地質(zhì)選區(qū)需要高度重視對(duì)建爐可行性的地質(zhì)調(diào)查。

2.2 UCG 地質(zhì)參數(shù)與評(píng)價(jià)條件關(guān)聯(lián)特點(diǎn)

總目標(biāo)由“四性”指標(biāo)共同構(gòu)成，受26 項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)控制。為了查清地質(zhì)參數(shù)與“四性”指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)特點(diǎn)，采用Pearson 相關(guān)性分析方法，利用SPSS 軟件建立26 項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)與各目標(biāo)“權(quán)重積和”指標(biāo)相關(guān)性模型(表6)。

表6 UCG 地質(zhì)參數(shù)與控制條件相關(guān)性Table 6 Correlations between geological parameters and controlling conditions for UCG

Pearson 雙變量分析結(jié)果顯示，地質(zhì)參數(shù)與UCG控制條件之間總體關(guān)聯(lián)特點(diǎn)如下(表6)。

第一，地質(zhì)參數(shù)與“四性”指標(biāo)權(quán)重積之間，存在大量參數(shù)置信度99%水平顯著相關(guān)。其中，煤的堅(jiān)固性系數(shù)與建爐可行性相關(guān)性最高，其次為煤層厚度。與過(guò)程易控性相關(guān)性最高的為斷層指數(shù)，其次為夾矸厚度系數(shù)與煤厚變異系數(shù)。與氣化安全性相關(guān)性最高的為氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其次為斷距。與開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性相關(guān)性最高的為干燥基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其次為高位發(fā)熱量。與總目標(biāo)相關(guān)性最高的為煤的堅(jiān)固性系數(shù)；其次為煤的奧亞膨脹度與煤黏結(jié)指數(shù)。

第二，相關(guān)系數(shù)越大，代表其與評(píng)價(jià)結(jié)果之間的總體關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，即各地質(zhì)參數(shù)與各控制條件對(duì)UCG 總體地質(zhì)可行性的敏感性越高。建爐可行性地質(zhì)參數(shù)敏感性排序依次為煤的堅(jiān)固性系數(shù)、煤層厚度；過(guò)程易控性地質(zhì)參數(shù)敏感性排序依次為斷層指數(shù)、夾矸厚度系數(shù)、煤厚變異系數(shù)等；氣化安全性地質(zhì)參數(shù)敏感性排序依次為氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)、斷距、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)等；開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性地質(zhì)參數(shù)敏感性排序依次為干燥基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、高位發(fā)熱量、勘查程度等。

第三，上述分析結(jié)果反映了地質(zhì)參數(shù)對(duì)UCG 可行性的實(shí)際敏感性，算法體系中只有煤的堅(jiān)固性系數(shù)對(duì)總目標(biāo)影響大，說(shuō)明在貴州省實(shí)際地質(zhì)條件背景下，UCG可行性對(duì)煤的堅(jiān)固性系數(shù)最為敏感，與之前論述的結(jié)論一致，UCG 項(xiàng)目成功與否的關(guān)鍵地質(zhì)因素在于建爐可行性。三是由于煤的奧亞膨脹度、黏結(jié)指數(shù)、上覆含水層距離等為一票否決指標(biāo)，不符合的煤層優(yōu)先考慮并排除，并未參與后續(xù)評(píng)價(jià)，導(dǎo)致各地質(zhì)參數(shù)與各目標(biāo)相關(guān)性并不大，但其對(duì)評(píng)價(jià)總目標(biāo)影響亦偏大，總體上也反映出了這幾項(xiàng)指標(biāo)的重要性。

第四，與各地質(zhì)參數(shù)總體上相關(guān)性大的主要是其歸屬的條件，表明各地質(zhì)參數(shù)分類合理。但部分地質(zhì)參數(shù)與其他條件之間也存在顯著相關(guān)性。煤的奧亞膨脹度、黏結(jié)指數(shù)、含水層鉆孔單位涌水量、干燥基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、高位發(fā)熱量等地質(zhì)參數(shù)與其他條件間存在低相關(guān)系數(shù)水平上的顯著相關(guān)，說(shuō)明這些地質(zhì)參數(shù)與其他條件之間存在一定程度的關(guān)聯(lián)，并非獨(dú)立于所歸屬的條件。

3 關(guān)鍵敏感性地質(zhì)因素識(shí)別

聚類分析可將UCG 地質(zhì)大數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)組(簇)，通過(guò)復(fù)雜數(shù)據(jù)建模而獲得屬性相似或相關(guān)的若干個(gè)簇，從而突出某些地質(zhì)因素的特殊性。主成分分析是一種降維分析方法，通過(guò)模型處理將復(fù)雜的UCG 地質(zhì)因素重新組合成一組相互獨(dú)立的綜合變量，以突出主要地質(zhì)敏感性因素。本次研究采用這兩種數(shù)理分析方法，進(jìn)一步考察UCG 可行性地質(zhì)控制的一般性和特殊性，明確主控地質(zhì)因素特征和作用。

3.1 UCG 地質(zhì)控制復(fù)雜性與特殊性

聚類分析是利用層次法創(chuàng)建一個(gè)層次以分解給定的數(shù)據(jù)集，采用自底向上的策略，將每一個(gè)對(duì)象作為一個(gè)類，然后根據(jù)距離度量相似性，將距離最近的兩類合并成一個(gè)新類，再次計(jì)算新類與其他類的類間距離，不斷迭代，直到所有的對(duì)象都并為一類。本次基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析基于SPSS 27.0 軟件的系統(tǒng)聚類分析模塊，采用歐氏距離計(jì)算個(gè)體元素間的距離。聚類分析結(jié)果顯示，研究區(qū)26 個(gè)地質(zhì)參數(shù)在相似距離10 水平上分成相似性更為接近的3 簇(圖2)。

圖2 UCG 地質(zhì)參數(shù)聚類樹(shù)狀圖Fig.2 Cluster dendrogram of geological parameters for UCG

第一簇(Ⅰ)包括5 個(gè)地質(zhì)參數(shù)，橫跨4 個(gè)“四性”指標(biāo)。以相似距離5 為界，進(jìn)一步區(qū)分出簇內(nèi)更為相似的3 個(gè)亞簇。第一亞簇(ⅠA)包括煤對(duì)CO2反應(yīng)性、上覆50 m 范圍煤層累厚2 個(gè)參數(shù)，涉及開(kāi)發(fā)安全性和過(guò)程易控性；第二亞簇(ⅠB)涵蓋2 個(gè)參數(shù)，分別為煤層厚度、直接頂穩(wěn)定性，涉及建爐可行性、氣化安全性；第三亞簇(ⅠC)只有煤厚變異系數(shù)，屬于過(guò)程易控性。

第二簇(Ⅱ)只有煤的堅(jiān)固性系數(shù)1 個(gè)參數(shù)，再次指示煤體結(jié)構(gòu)對(duì)建爐可行性具有關(guān)鍵性影響及獨(dú)立性。

第三簇(Ⅲ)地質(zhì)參數(shù)最多，達(dá)11 個(gè)，涉及3 個(gè)“四性”指標(biāo)。以相似距離5 為界，該簇進(jìn)一步分為5 個(gè)亞簇。第一亞簇(ⅢA)包括4 個(gè)地質(zhì)參數(shù)，分別是褶曲指數(shù)、斷層指數(shù)、斷距和干燥基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，前3 個(gè)參數(shù)同屬構(gòu)造要素范疇，涉及過(guò)程易控性和氣化安全性兩個(gè)條件，后一參數(shù)屬于開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性。第二亞簇(ⅢB)由磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、高位發(fā)熱量、全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)、煤層傾角4個(gè)地質(zhì)參數(shù)構(gòu)成，前3 個(gè)參數(shù)屬于煤質(zhì)范疇，涉及氣化安全性和開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性；后一參數(shù)屬于構(gòu)造要素范疇。第三亞簇(ⅢC)、第四亞簇(ⅢD)、第五亞簇(ⅢE)分別只有1 個(gè)地質(zhì)參數(shù)，依次對(duì)應(yīng)夾矸厚度指數(shù)、煤熱穩(wěn)定性和氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分屬過(guò)程易控性、氣化安全性，但三者之間內(nèi)在聯(lián)系值得后續(xù)研究工作中進(jìn)一步探討。

第四簇(Ⅳ)地質(zhì)參數(shù)同樣多達(dá)9 個(gè)，同樣涉及3 個(gè)“四性”指標(biāo)。以相似距離5 為基準(zhǔn)，該簇進(jìn)一步分為2 個(gè)亞簇。第一亞簇(ⅣA)包括8 個(gè)參數(shù)，分別為煤灰熔點(diǎn)、砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、原始煤炭資源、煤層埋深、煤的奧亞膨脹度、上覆含水層距離、勘查程度和含水層鉆孔單位涌水量，前3 個(gè)參數(shù)關(guān)系相對(duì)密切，后5 個(gè)參數(shù)距離相對(duì)較遠(yuǎn)，參數(shù)之間地質(zhì)成因關(guān)聯(lián)性不明。第二亞簇(ⅣB)僅有1 個(gè)地質(zhì)參數(shù)，為煤的黏結(jié)指數(shù)?？梢钥闯?，煤的奧亞膨脹度和黏結(jié)指數(shù)盡管有一定距離，但同屬一簇，與煤層埋深、灰熔點(diǎn)共同約束著氣化通道連通性；上覆含水層與含水層鉆孔單位涌水量共屬一個(gè)亞簇，影響到氣化生產(chǎn)安全性；原始煤炭資源量和勘查程度關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，是約束開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性的重要地質(zhì)因素。

聚類分析結(jié)果解釋的某些地質(zhì)現(xiàn)象所隱含的內(nèi)在原因或UCG 行為關(guān)聯(lián)機(jī)理具有探討價(jià)值。例如，褶曲指數(shù)、斷層指數(shù)、斷距與煤的干燥基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)，煤層傾角與磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、高位發(fā)熱量和全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生關(guān)聯(lián)，即構(gòu)造變動(dòng)因素影響到煤質(zhì)特征，內(nèi)在原因如何解釋，是否是貴州省乃至強(qiáng)烈構(gòu)造變形地區(qū)地質(zhì)條件的特殊性？又如，膨脹性、黏結(jié)指數(shù)分屬兩個(gè)亞簇，相互之間存在一段距離，是否對(duì)氣化通道連通性的影響存在差異，如何進(jìn)一步識(shí)別可能存在的差異？再如，磷、氟、砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與發(fā)熱量、膨脹性、黏結(jié)性等因素存在關(guān)聯(lián)，指示煤變質(zhì)作用影響到有害元素含量，煤中相當(dāng)一部分有害物質(zhì)是否可能來(lái)源于后生作用過(guò)程？重要的是，這些地質(zhì)現(xiàn)象在UCG 地質(zhì)條件評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)中可能具有的意義或價(jià)值，值得今后探討。

3.2 UCG 可行性主控地質(zhì)因素

主成分分析是在損失很少信息的前提下將n維特征映射到k維上，這k維是全新的正交特征，也被稱為主成分，是將多個(gè)變量通過(guò)線性變換以選出較少個(gè)數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。第1 主成分即為方差最大的線性組合(Y1)，第2 主成分則是方差次大的線性組合(Y2)，并且Y1與Y2不相關(guān)，即協(xié)方差Cov(Y1,Y2)=0，同理依次可以得到所有主成分的線性組合表達(dá)式[23]。

主成分分析的作用，是濾除重復(fù)的(關(guān)系緊密的)變量，建立盡可能少的相互獨(dú)立新變量，同時(shí)這些新變量能夠盡可能保持原有的信息。因而，進(jìn)行主成分分析能夠有效篩選出對(duì)總體評(píng)價(jià)成果影響最大的主要獨(dú)立因素。

本次基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析基于SPSS 27.0 軟件因子分析模塊，KMO 和Bartlett 球檢驗(yàn)均顯示數(shù)據(jù)適合作因子分析。一般來(lái)說(shuō)，主成分解釋成果表(表7)中初始特征根＞1.0 的因素為主成分。由此判斷，本研究UCG 敏感性地質(zhì)參數(shù)中主成分有11 個(gè)，其對(duì)總目標(biāo)的累計(jì)影響程度為60.330%(表7)。

表7 UCG 地質(zhì)因素主成分解釋成果Table 7 Principal component analysis results of geological parameters for UCG

旋轉(zhuǎn)因子載荷系數(shù)反映每個(gè)變量在因子上的重要程度，由此確定各個(gè)變量對(duì)因子的重要性(表8)。其中，旋轉(zhuǎn)載荷因子絕對(duì)值表示與該因子平均水平的相對(duì)差距，正數(shù)表示平均水平以上，負(fù)數(shù)表示平均水平以下。分析11 個(gè)主成分旋轉(zhuǎn)載荷因子矩陣(表8)，對(duì)主成分影響最大的地質(zhì)參數(shù)分別為：煤的奧亞膨脹度和黏結(jié)指數(shù)F1；灰分干燥基質(zhì)量分?jǐn)?shù)和高位發(fā)熱量F2；含水層鉆孔單位涌水量F3；煤的堅(jiān)固性系數(shù)F4；氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)F5；煤層埋深和勘查程度F6；上覆含水層距F7 離；直接頂穩(wěn)定性F8；煤厚變異系數(shù)F9；褶曲指數(shù)F10；煤層全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)F11。

表8 UCG 地質(zhì)因素主成分旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 8 Principal-component rotated factor matrix of geological parameters for UCG

根據(jù)主成分分析，所有地質(zhì)參數(shù)中對(duì)UCG 總目標(biāo)貢獻(xiàn)最大的為堅(jiān)固性系數(shù)；同時(shí)，在11 個(gè)主成分旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)序列中，除了堅(jiān)固性系數(shù)之外，另有煤的奧亞膨脹度、煤層埋深、灰熔點(diǎn)、煤厚變異系數(shù)、褶曲指數(shù)等5 個(gè)地質(zhì)參數(shù)作為主成分載荷因子系數(shù)最大值排位前11(表8)。為此，以堅(jiān)固性系數(shù)作為最大值的主成分(F4)為基準(zhǔn)，選擇奧亞膨脹度、煤層埋深、煤厚變異系數(shù)、褶曲指數(shù)最大值所在的主成分F1、F6、F9 和F10，繪制UCG 地質(zhì)參數(shù)旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)空間分布交匯圖(圖3)，為深化認(rèn)識(shí)UCG 可行性主控地質(zhì)因素提供進(jìn)一步依據(jù)。

圖3 UCG 地質(zhì)參數(shù)旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)空間分布交匯圖Fig.3 Cross plots showing the spatial distributions of rotated factor loading coefficients of geological parameters for UCG

由圖3 可知，地質(zhì)參數(shù)旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)分布十分離散，分區(qū)規(guī)律不甚明顯，指示全省UCG 地質(zhì)條件總體上變化極大，地質(zhì)影響因素十分復(fù)雜，總體表現(xiàn)在兩方面分布特點(diǎn)：

第一，獨(dú)立分布的地質(zhì)參數(shù)離散性均較大，且出現(xiàn)兩種情形。一是部分地質(zhì)參數(shù)沿F4 主成分軸正方向上、下兩側(cè)分布，具有較高-高F4 影響、低Fx(F1、F6、F9、F10)影響的基本特點(diǎn)，包括煤的堅(jiān)固性系數(shù)、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、煤對(duì)CO2反應(yīng)性3 個(gè)地質(zhì)參數(shù)，這是F1、F6、F9、F10 這4 個(gè)主成分旋轉(zhuǎn)載荷因子的共同規(guī)律。二是部分地質(zhì)參數(shù)沿Fx主成分軸左、右兩側(cè)分布，特點(diǎn)是對(duì)Fx影響較高-高、對(duì)F4 影響較低，但不同主成分交匯下的地質(zhì)參數(shù)有所變化，奧亞膨脹度、黏結(jié)指數(shù)和煤炭原始資源量沿F1 主成分軸分布，煤層埋深、勘查程度和砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿F6 主成分軸分布，煤厚變異系數(shù)、斷層指數(shù)沿F9 主成分軸分布，而沿F10 主成分軸分布的是褶曲指數(shù)和斷層指數(shù)。

第二，除上述之外的其他地質(zhì)參數(shù)，旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)在兩個(gè)空間區(qū)域分布相對(duì)集中。一是地質(zhì)參數(shù)沿F4 主成分軸負(fù)方向上、下兩側(cè)分布，對(duì)F4 影響相對(duì)較高，對(duì)Fx的影響很低，包括斷距、煤層厚度、上覆50 m范圍煤層累厚、夾矸厚度系數(shù)4 個(gè)參數(shù)，這是4 種交匯情況的共同特征。二是交匯原點(diǎn)周邊，大多數(shù)地質(zhì)參數(shù)分布在這一區(qū)域，體現(xiàn)了主成分旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)的平均情況，說(shuō)明這些地質(zhì)參數(shù)對(duì)UCG 可行性的影響不甚敏感。

綜合分析主成分分析中特征根、旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)兩種方法提取結(jié)果，將兩種方法都有體現(xiàn)的地質(zhì)參數(shù)視為主控因素，獲得貴州省UCG 可行性主控因素的相關(guān)認(rèn)識(shí)(表9)。主控地質(zhì)因素9 個(gè)，分別是煤的堅(jiān)固性系數(shù)、煤層厚度、煤厚變異系數(shù)、夾矸厚度系數(shù)、褶曲指數(shù)、斷層指數(shù)、煤層埋深、奧亞膨脹度和黏結(jié)指數(shù)，涉及煤層、構(gòu)造、煤質(zhì)3 類地質(zhì)要素，體現(xiàn)在建爐可行性、過(guò)程易控性兩個(gè)方面。此外，斷距、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著影響到氣化安全性，煤對(duì)CO2反應(yīng)性、煤炭原始資源量、勘查程度、上覆煤層厚度是開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵控制因素。

表9 貴州省UCG 可行性主控地質(zhì)因素提取結(jié)果Table 9 Extraction results of dominant geological parameters for UCG feasibility in Guizhou Province

4 結(jié)論

a.建爐可行性2 個(gè)地質(zhì)參數(shù)(煤的堅(jiān)固性系數(shù)和煤層厚度)關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)；過(guò)程易控性、氣化安全性、開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性地質(zhì)參數(shù)關(guān)聯(lián)性則相對(duì)較低。這與貴州構(gòu)造發(fā)育的復(fù)雜特征關(guān)系密切相關(guān)，構(gòu)造變形強(qiáng)烈極易導(dǎo)致構(gòu)造煤發(fā)育，進(jìn)而降低煤體強(qiáng)度，在當(dāng)前工藝技術(shù)水平下，氣化爐構(gòu)建難度極大；同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致煤厚變化頻繁，影響氣化通道穩(wěn)定性；斷層發(fā)育也會(huì)導(dǎo)致氣化爐密封性差，降低氣化安全性。

b.“四性”指標(biāo)與總目標(biāo)的關(guān)聯(lián)特征明顯，對(duì)UCG總體地質(zhì)可行性的敏感性排序依次為建爐可行性、過(guò)程易控性、氣化安全性、開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性。所有地質(zhì)參數(shù)中對(duì)UCG 評(píng)價(jià)總目標(biāo)貢獻(xiàn)最大的為煤的堅(jiān)固性系數(shù)。此外，主控地質(zhì)因素還有8 個(gè)，分別是煤層厚度、煤厚變異系數(shù)、夾矸厚度系數(shù)、褶皺系數(shù)、斷層指數(shù)、煤層埋深、奧亞膨脹度和黏結(jié)指數(shù)，涉及煤層、構(gòu)造、煤質(zhì)3 類地質(zhì)要素，體現(xiàn)在建爐可行性、過(guò)程易控性2 個(gè)方面。

c.在貴州省實(shí)際地質(zhì)條件背景下，UCG 可行性對(duì)煤的堅(jiān)固性系數(shù)最為敏感，UCG 項(xiàng)目成功與否的關(guān)鍵在于建爐可行性，后期氣化爐選址應(yīng)高度重視構(gòu)造發(fā)育特征及其對(duì)煤層條件的影響。

d.目前來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)暫未出臺(tái)UCG 相關(guān)規(guī)范，缺少統(tǒng)一的UCG 選址評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。雖然本次采集的數(shù)據(jù)樣本均來(lái)源于貴州省內(nèi)，而主成分分析的結(jié)果可能隨地區(qū)地質(zhì)條件不同而變化，但實(shí)際上多數(shù)地質(zhì)因素與“四性”指標(biāo)均有關(guān)聯(lián)，且地質(zhì)參數(shù)之間存在一定程度的聯(lián)系乃至重疊，以“四性”認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)建立統(tǒng)一的UCG 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則或?qū)⒊蔀榭赡?，而其中又以不同地質(zhì)條件下各類地質(zhì)參數(shù)權(quán)重的確定最難統(tǒng)一，亟待進(jìn)一步研究完善。

符號(hào)注釋：

Md為日消耗煤量，t；t為氣化時(shí)間，d；a為煤量采出率校正因子。