煤炭地下气化岩层移动与控制进展及展望

郭广礼李怀展

（中国矿业大学国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室、江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州221116）

0 引 言

煤炭地下气化（简称UCG）是将地下煤炭进行有控制的燃烧，通过煤的热作用及化学作用而产生可燃气体输出到地表并进行利用的方法[1-6];其实质是直接提取煤中含能成分，将灰渣等废弃物留在地下;同时通过与岩层控制技术相结合消除或大幅度减轻岩层和地表沉陷的灾害性影响，可回收传统井工开采难以开采的“三下”压煤呆滞资源和薄煤层及深部煤层难采资源;可以实现真正意义上的煤炭绿色开采与清洁利用。因此，顺应世界低碳发展的能源供应结构调整需求，发展煤炭地下气化是环境保护的需要，也是我国流态化开采开展的重要技术方向之一。

1868年德国科学家Sir William首次提出了煤炭地下气化概念[7]。经过世界学者150年左右的努力，已基本形成了满足产业化、规模化生产需求的煤炭地下气化工艺。煤炭地下气化可分为无井式气化工艺和有井式气化工艺，应用于工业性试验的无井式煤炭地下气化工艺主要有美国后退式控制注气地下气化工艺（CRIP）[8]、加拿大εUCGTM技术[8]和中国“条采-面采”气化炉后退式控制注气地下气化工艺（SMFM-CRIP）[9];有井式地下气化工艺应用最广泛的是中国“长通道、大断面、两阶段”气化工艺[10]。总得来说，煤炭地下气化发展势头很好，现有气化工艺基本能满足产业化和规模化生产。

在目前已完成的地下气化工业性试验中，如澳大利亚Chinchilla项目[8]、安格连斯可（Angren）UCG项目[8]、南非 Majuba UCG项目[8]、中国乌兰察布矿UCG项目[9]、中国华亭UCG项目[11]，由于实验区规模相对较小，同时气化面间隔离煤柱相对较大，试验中较好保证了气化炉和燃空区围岩的稳定性，也没有导致明显的地表沉降发生。但是，随着地下气化试验规模的扩大和推广应用以及必须顾及的资源采出率问题，地下气化炉围岩失稳、岩层及地表沉陷等岩层移动与控制问题将成为制约煤炭地下气化技术进一步发展的核心瓶颈问题。

基于此，本文在简要分析不同煤炭地下气化工艺特征和燃空区空间形态基础上，介绍了地下燃空区围岩高温效应、燃空区围岩移动与变形机理、燃空区覆岩裂隙发育规律以及地下气化地表沉陷预测方法等方面的国内外进展，并提出了相应研究思路，以期通过本文促进学者了解及掌握煤炭地下气化岩层移动与控制方面的研究现状，吸引更多学者加入这项研究，加速煤炭地下气化高温-地应力耦合作用下岩层移动与控制体系的建立。

1 煤炭地下气化岩层移动与控制研究进展

无论是无井式还是有井式地下气化工艺，主要区别在于气化通道的建立方式不同和燃烧控制工艺的区别。对于煤炭地下气化的岩层移动与控制，需要关注的重点是煤炭地下气化场中气化炉燃空区、气化炉间隔离煤柱的几何特征及其围岩在高温、地应力耦合作用下的力学特征，以及上述因素对上覆岩层移动和地表沉陷的影响机理与控制问题。本节主要介绍煤炭地下气化岩层移动与控制的研究进展。

1.1 地下气化炉燃空区和隔离煤柱的几何概化模型

随着气化作用的进行，一个由煤、焦、碎石、煤灰和它们之间的空腔组成的燃空区逐渐形成并不断扩大。燃空区扩展过程中形态变化一方面影响气化通道的稳定性;另一方面还决定煤炭资源的回收效率和生成合成气的质量，从而决定了煤炭地下气化的可行性分析、规划、选址、工艺选择和气化过程中对环境的影响。

为此，众多学者对UCG的燃空区几何形态进行了大量的研究。主要集中在以下2个方面:① 煤炭地下气化燃空区形态扩展现场探测与理论分析，如 Oliver[12]、Jerald[13]、 Wilk[14]、 Mellors[15]、Najafi[16]等利用现场实测及理论分析方法研究了地下气化燃空区形态;② 煤炭地下气化燃空区形态扩展 模 拟 研 究， 如 Daggupati[17]、Prabu[18]、Nourozieh[19]等利用数值模拟及物理方法研究了地下气化燃空区形态。现有围绕煤炭地下气化燃空区形态的研究主要是针对CRIP工艺开展的。根据CRIP工艺燃空区形态研究成果及其工艺特征，可以推测出最终燃空区形态为宽度约30多米，高度约为煤厚的长条状、扁椭圆型空间体。

在分析、归纳国内外学者关于地下气化燃空区几何形态及其扩展过程基础上，笔者结合理论分析和乌兰察布地下气化试验场“条采-面采”气化炉后退式控制注气地下气化工艺的燃空区形态现场实测成果，提出了“条采-面采”后退式控制地下气化燃空区最终几何形态的概化模型[20]。

（1）单一气化炉燃空区的横断面形态为宽扁圆形态（图1a）。宽扁圆形态燃空区的宽度取决于地下气化工艺，一般为15～35 m;燃空区的高度一般为气化煤层厚度，当存在高含碳量泥岩伪顶时，其高度应为煤层和伪顶总高度;燃空区的纵向长度取决于地下气化炉设计推进长度。

（2）相邻气化炉燃空区中间隔离煤柱的横断面形态为“双曲线型”扁柱体（图1b）。扁柱体两侧的曲线形态取决于煤层结构等因素，煤层结构越简单、均质性越好，则曲线形态约规则，可近似看作是圆曲线;柱体的高度近似等于两侧燃空区的高度。

图1 “条采-面采”地下气化炉后退式控制地下燃空区几何形态概化模型

1.2 地下燃空区围岩高温效应

除几何形态外，地下气化燃空区围岩的物理力学性质是影响其移动与变形的另一个主要控制因素。因此，掌握地下燃空区围岩高温效应是研究围岩移动与变形机理的关键。地下燃空区围岩的高温效应包括温度场的空间分布及温度场作用下围岩力学性质变化规律。万志军[20]、Ranjith[21]、唐芙蓉[22]、Hettema[23]、Akbarzadeh[24]等对煤系地层高温和高温后岩石基本物理力学性质变化规律进行了研究，为煤炭地下气化高温-地应力耦合环境气化炉围岩高温效应研究提供了重要参考。同时Seifi[25]、杨兰和[26]、辛林[27]、赵明东[28]及李怀展[20]等利用数值模拟与理论分析方法研究了地下气化燃空区围岩温度场的空间分布规律。

综上所述，煤炭地下气化岩层移动中的高温效应主要体现在高温影响下煤的焦化特征和岩石物理力学性能的变化。因此，在研究地下气化岩层移动理论模型、数值模型或相似材料模型时，可以根据地下气化温度场分布特征与不同煤种及岩石物理力学性质与温度变化关系的实验室成果，通过科学划定温度影响带及其相应的材料性质，实现高温效应对岩层移动的影响研究。

1.3 燃空区围岩移动与变形机理

掌握隔离煤柱支撑下的覆岩及地表移动机理与规律是建立带状地下气化地表沉陷预测模型的关键。为此，必须要研究气化炉间隔离煤柱的承载机理及其支撑下的覆岩和地表移动机理与规律。故本节主要围绕煤柱承载机理及稳定性和覆岩及地表移动机理与规律等2方面进行现状概述。

1.3.1 煤柱承载机理及稳定性

同时部分学者围绕地下气化炉间隔离煤柱承载机理与稳定性评价开展了探索性研究。如Najafi[29]基于安全系数法开发了煤炭地下气化条带煤柱稳定性分析软件;余锋[30]提出了依靠干馏组合碹提高气化炉周围煤体的承载能力和整体稳定性。但是现有围绕地下气化隔离煤柱承载机理与稳定性的研究均未考虑隔离煤柱的形态、高温-地应力耦合环境以及煤种影响。隔离煤柱的形态、高温-地应力耦合环境均会影响煤柱承载机理，进而影响覆岩及地表移动规律。同时不同种类的煤在气化后力学性质变化规律不同，焦煤、肥煤等烟煤气化后会在燃空区两侧煤柱形成焦化壳，使煤柱在一定范围强度增大。褐煤、烟煤、气煤、不粘煤等气化后不能形成焦炭，气化后两侧煤柱在一定范围内强度减小。因此，后续可利用数值模拟、物理模拟及理论分析相结合的方法，研究隔离煤柱形态、高温-地应力环境以及煤种对隔离煤柱稳定性的影响，进而建立更为合理的气化隔离煤柱稳定性评价方法。

1.3.2 覆岩及地表移动机理与规律

部分学者围绕煤炭地下气化岩层及地表移动规律开展了探索性研究。如Evans等[31]采用二维有限元模型研究了采场围岩的干燥、热载荷、热软化以及时变岩石力学性质等因素对地表沉陷规律的影响;Sutherland[32]运用块体模型模拟了因气化空间扩展而引起的地表沉陷;辛林[27]根据建立的条带地下气化工作面覆岩移动与地表沉陷观测站，分析了条带气化工作面极不充分开采引起的地表移动与变形规律。

从现有研究现状来看，目前围绕煤炭地下气化岩层及地表移动机理与规律的研究主要是针对CRIP工艺和“长通道、大断面、两阶段”气化工艺，而对于“条采-面采”气化炉后退式控制注气地下气化工艺的覆岩及地表移动机理与规律，亟待开展相关研究。

1.4 燃空区覆岩裂隙发育规律

掌握覆岩裂隙发育机理、控制覆岩裂隙发育是进行水体下安全采煤的关键。以下显示了“条采-面采”气化炉后退式控制注气地下气化覆岩裂隙发育规律（图2）。考虑煤炭地下气化后将固体废弃物遗留至地下燃空区，若裂隙发育波及含水层，则引起的地下水污染相对常规井工开采更为严重。因此，开展燃空区覆岩裂隙发育机理与规律研究迫在眉睫，且要求更高。

图2 “条采-面采”气化炉后退式控制注气地下气化覆岩裂隙发育规律

在煤炭地下气化覆岩裂隙发育规律方面，Su[33]利用物理模拟方法研究了CRIP燃空区覆岩裂隙发育规律;唐芙蓉[22]、林刚[34]、赵明东[28]等利用相似模拟与物理模拟相结合的方法研究了SMFM-CRIP燃空区覆岩裂隙发育规律。但上述研究主要是针对SMFM-CRIP走向裂隙发育规律开展的，类似垮落法开采，而未考虑倾向尺寸对裂隙发育规律的影响，也未考虑燃空区形态的影响。

1.5 地下气化地表沉陷规律和预计方法

地表沉陷是煤矿开采环境问题的主要根源之一。目前地下气化工业性试验规模相对较小、气化面间隔离煤柱相对较大，没有出现明显地表沉陷灾害问题。但是，随着地下气化燃场规模的扩大，虽然成功的气化炉和隔离煤柱尺寸设计可以保证地下气化工程的顺利实施，但难以完全避免地面沉陷现象;大量常规煤矿中条带开采、房式开采区的地面沉陷现象及其造成的建（构）筑物损坏已经证实了这一点。以下显示了“条采-面采”气化炉后退式控制注气地下气化岩层及地表移动（图3）。因此，未来规模化的地下气化场地表沉陷将成为该项技术推广应用中必须考虑的问题。

图3 “条采-面采”气化炉后退式控制注气地下气化岩层及地表移动图

目前针对煤炭地下气化地表沉陷预计的相关研究较少且均未考虑煤种类的影响。为此，笔者及其团队提出了以下两个煤炭地下气化地表沉陷预测方法。

1.5.1 理论方法——连续-随机介质耦合模型法

基于前述煤炭地下气化岩层移动的连续-随机介质耦合模型:① 首先采用连续介质理论计算顶板-煤柱-底板支撑体系顶板岩层上界面的沉陷盆地（图4）;② 然后将这个沉陷盆地采用三角形剖分方法形成虚拟开采单元集合;③ 采用基于随机介质理论的概率积分影响函数积分计算上方的地表移动与变形。

图4 燃空区顶板-煤柱-底板协同变形下顶板上界面的三维下沉图

结合乌兰察布地下气化场地质采矿条件，采用基于连续-随机介质理论的地表沉陷预测方法编程计算，得到地表下沉最大值为52 mm，地面CG05监测点处（偏离最大下沉点约10 m）的地表下沉预测值43 mm，与实测值36 mm相比，较为接近。

显然，该理论模型由于涉及计算参数众多和上覆岩土层物理力学性质的复杂性，只能用于理论研究，而并不适用于现场实际应用。

1.5.2 实用方法——基于“实际采厚”的概率积分法

根据前述煤炭带状地下气化地表沉陷的基本规律，可以近似认为其基本符合概率积分法地表移动模型;结合我国丰富的煤矿条带开采地表沉陷预测经验，可构建一种比较实用的带状地下气化地表沉陷预测方法——基于“实际采厚”的概率积分法。

基本思想:假定煤炭带状地下气化地表沉陷基本符合概率积分法模型;将气化场带状燃空区和隔离煤柱近似看作是常规条带开采的留设煤柱和带状采空区;将包含隔离煤柱的整个气化区域作为计算面积，用实际采厚（气化煤层厚度减去燃空区灰分残渣压密厚度）作为开采厚度，基于采留比、煤种和上覆岩层性质综合选定预计参数;借用概率积分法模型计算地表移动和变形。

初步研究成果表明，采用该方法计算较简单，概率积分法参数可依据条带开采经验参数根据上覆岩性、煤种等适当调整，或依据少量实测数据反演确定;燃空区残渣压密厚度可参照煤层灰分、含矸率估计和根据现场取样实验室测定。

结合乌兰察布地下气化场地质采矿条件和钻探资料，估算等价采高为3.608 m，反演得到本区地下气化的概率积分法预测参数（表1），拟合得到地表下沉最大值为95 mm，地面CG05监测点处的拟合地表下沉值为80 mm（实测值为36 mm）。预测值较实测结果偏大，这可能是由于工业性实验规模较小，气化范围有限，覆岩结构起主导作用，从而致使预测结果偏大导致的。但从实际工程而言，预计结果偏大更有利于工程安全。

表1 乌兰察布矿带状地下气化的概率积分法预测参数

2 煤炭地下气化岩层移动与控制研究展望

煤炭地下气化是前景广阔的“第二代采煤法”，煤炭地下气化场的岩层移动与控制问题是其未来大规模推广的关键技术瓶颈之一。开展前瞻性的煤炭地下气化岩层控制研究具有重要的理论意义和实用价值。由于地下气化场的高温-地应力耦合作用和地质条件与岩层移动的复杂性，系统的煤炭地下气化岩层移动与控制研究才刚刚起步。根据近年来开展煤炭地下气化岩层移动研究进展，结合长期以来煤矿开采沉陷及其控制研究实践经验，提出下一步应该重点关注及开展的主要研究方向。

（1）地下气化燃空区形态及其扩展过程研究:地下气化燃空区形态及其扩展的多源监测与综合探测技术研究，地下气化工艺对燃空区形态及其扩展的控制作用，煤种、煤质及煤层结构对燃空区形态及其扩展的控制作用等。

（2）燃空区围岩高温-地应力耦合作用变形机理:地层结构、岩性、水文地质条件对燃空区围岩温度场扩散与分布规律的影响，高温-地应力耦合作用下顶板结构、岩性变化及其对燃空区稳定性影响研究，燃空区隔离煤柱物理结构及力学与变形特征研究，面向气化工艺的气化炉、隔离煤柱几何设计等。

（3）地下气化燃空区覆岩破裂与地下水渗流相互作用机制:高温-地应力耦合作用下燃空区覆岩破裂与裂隙发育特征研究，气化炉围岩温度及热应力场与地下水渗流场相互作用机制，燃空区覆岩导水裂缝发育与防水安全设计等。

（4）煤炭地下气化场地表移动变形规律、预测和安全评价:地下气化场地表移动精密遥控监测技术与方法，煤炭地下气化地表移动规律及其影响因素与作用机制研究，面向岩层和地表移动控制的地下气化炉与隔离煤柱设计理论与技术等。

3 结 语

发展煤炭地下气化是顺应国家低碳发展和环境保护的煤炭绿色开采与清洁利用核心技术之一，前瞻性地开展煤炭地下气化岩层控制问题具有重要意义。本文在简要分析不同煤炭地下气化特征和燃空区空间形态基础上，重点介绍了地下燃空区围岩高温效应、燃空区围岩移动与变形机理、燃空区覆岩裂隙发育规律以及地下气化地表沉陷预测方法等方面的国内外研究进展，并提出了相应的研究思路。最后指出了今后围绕煤炭地下气化岩层移动与控制应重点突破的科学问题，以期通过本文促进国内外学者了解及掌握煤炭地下气化岩层移动与控制方面的研究现状，吸引更多学者加入到这项研究中，加速煤炭地下气化高温-地应力耦合作用下岩层移动与控制体系的建立，丰富矿山岩层移动与控制理论。