准东地区煤炭气化地质评价与有利区预测

2020-05-25尹振勇汤达祯陈艳鹏赵天天

科学技术与工程 2020年10期

尹振勇，许浩*，汤达祯，陈艳鹏，赵天天

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083; 2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

煤炭地下气化是将气化剂注入煤层，控制煤层燃烧生成CO和H2等可燃气体，然后用钻孔将气体输送到地表的环保开采技术[1-3]，主要包括以下几个过程：前期勘探技术、地下建炉技术、气化控制技术、气化煤气处理技术及工业原料合成技术[4-6]，而地质条件评价则是决定煤炭地下气化工程可行性的重要保证[7]。影响煤炭地下气化的地质条件主要包括以下几种：构造地质和水文地质条件、灰分及挥发分、煤级、气化煤层厚度和展布、煤层顶底板岩性[8-9]。刘淑琴等[4]探讨了煤炭储量、煤层埋深、厚度以及构造和水文条件等对选址影响。赵岳等[7]通过对江苏省朱寨的地质条件进行分析，通过多层次模糊数学方法，定性定量分析了影响研究区选址的地质因素，结果可为研究区提供参考。

准噶尔盆地东部(准东)地区区域辽阔、煤炭储量丰富且煤的燃点比较低、燃烧充分，是良好气化用煤[10-11]，迄今为止，中外学者对准东地区煤炭地下气化的地质因素研究较少，优选有利气化区域的工作尚未开展。故在前人研究基础上，综合中外最新的研究成果，对准东地区开展煤炭地下气化有利区优选。首先从地质构造、煤层厚度、埋深、煤岩煤质、煤层顶板岩性及水文地质条件等方面出发，探究准东煤层地下气化地质条件的可行性，其次，应用多层次模糊数学的方法，根据煤炭地下气化地质条件的模糊性和确定性两条主线，对准东地区煤炭地下气化地质多因素进行综合研究，对各主控因素系统划分层次，建立多层次结构模型[12]，有利于更好地对有利的目标区进行优选。以期研究结果对于新疆准东煤炭资源的合理开发利用具有重要意义。

图1 准噶尔盆地东部构造区划分

1 研究区地质概况

研究区位于准噶尔盆地东部，克拉美丽山南部，博格达山北部，五彩湾凹陷以东，库普盆地与库普—三塘湖煤田西部，面积约1.3×104km2。自晚石炭世准噶尔盆地形成后发生了多次构造运动，多次构造运动的相互影响，相互作用，形成了现今准东南地区现今所呈现的隆凹相间、棋盘状错落有致的构造格局[13-14]。整体看来，北三台凸起、吉木萨尔凹陷、古西凸起、古城凹陷、古东凸起和木垒凹陷位于研究区的南部；而梧桐窝子凹陷、黑山凸起、石钱滩凹陷、黄草湖凸起、石树沟凹陷和沙帐断褶带位于研究区的北部。侏罗系为准东地区含煤岩系，八道湾组和西山窑组为含煤地层(图1)。

2 煤层地下气化可行性分析

目前来说，煤炭地下气化开采方法并不是适用于所有区域，现对研究区的地质条件进行分析，综合考虑各因素的共同影响，探讨准东地区是否可以进行煤炭地下气化。

2.1 地质构造

地质构造的影响主要表现在破坏煤层的稳定性和延展性，进而对煤炭地下气化燃烧过程产生影响[2]。煤炭地下气化技术优点之一就是可在断层多、结构复杂的煤层处实施，但要求断层的封闭性能要好，因为在开放性断层多、结构复杂的区域内进行气化，封堵性较差，煤气容易发生泄露，使得气化终止。准东地区主要的构造类型有向斜、背斜、逆断层以及少量正断层等，准东地区断裂类型多为挤压型断裂，断层面多为封堵性构造应力集中带，广泛发育的挤压逆冲断层均为封堵性断裂构造为主，封堵性能较好，有利于煤炭地下气化。

2.2 水文地质条件

地下水赋存特征、气化煤层的涌水量、距离含水层的远近和隔水层的效果是评价水文地质条件的主要因素[4,9]。当进行煤炭地下气化时，如果有隔水层将煤层与含水层隔开，即煤层与含水层没有接触。则此时有利于煤炭地下气化。反之，不利于煤层气化。准东地区山前地带发育较多的煤系火烧岩，通过接受瞬间大气降水或雪山融水补给地下水，转化为煤系弱承压水或烧变岩裂隙潜水。由于三工河组地层岩性致密，具有良好的隔水条件，且断层多为压性封堵断层，导致高部位基岩裂隙含水层与煤系含水层之间水力联系较弱，有利于煤炭地下气化。

2.3 煤层厚度

气化煤层的厚度对气化产生的热值和气化效率有重要影响。杨兰和等[5]认为气化煤层的厚度和所获得的煤气热值呈正相关，当厚度过大时，此时煤炭气化程度会降低。当气化煤层煤阶较低时，则要求煤层厚度要大、结构简单。在研究区北部发育西山窑组煤层，沙帐、大井地区以一个主力煤层为主，一般厚12 m左右，连续性较好。梧桐窝子凹陷煤层较多，单层厚度可达3 m，累计厚度大于20 m，八道湾组主要发育在阜康大黄山地区，含煤6～19 层，总厚54.53 m，发育多套大于5 m的厚煤层，分布稳定，可在局部富煤带形成煤炭气化的有利区块(图2)。

2.4 煤层埋深

气化煤层埋深对气化炉的封闭性影响较大，随埋深增大，气化炉密闭性增强，距离地表较远，不以污染环境，但此时施工难度也会相应增加，成本也会增大[7]。准东地区西山窑组煤层埋深由东向西埋深逐渐增加，东部梧桐窝子凹陷埋深在500 m左右，而西部阜康凹陷埋深在2 500 m左右，阜康断裂带八道湾组煤层埋深在500 m左右，研究区煤层埋深范围较广，在东部和山前地区埋深适中，有利于煤炭地下气化(图2)。

2.5 煤化作用程度

不同变质程度的煤均可进行地下气化，但煤的性质和组成对气化反应过程有重要影响[9]。由于褐煤的孔隙结构发育，孔体积和比表面积大，水分含量高，透气性好，可发育较好的气化通道，故有利于地下气化。研究区由北向南煤变质程度有所增强，由西向东煤变质程度表现为由弱到强的过程。准东北部大井—北山煤窑—梧桐窝子一带，主要发育西山窑组褐煤(镜质体反射率Ro=0.43%～0.52%)；该区南部博格达山山前地区则主要发育侏罗系八道湾组长焰煤(Ro=0.67%)。研究区煤级较低，均为有利的气化煤种(表1)。

2.6 镜质组含量

煤岩显微组分中，壳质组生气能力最好，镜质组次之，惰性组最差。但由于煤中壳质组含量较少，故镜质组是生气的主力组分[14]。有机显微组分实验表明，西山窑组煤岩有机显微组分中镜质组含量31.99%～62.98%，平均44.91%；惰质组组分36.83%～67.27%，平均54.75%；壳质组含量0.18%～0.74%，平均仅为0.34%，八道湾组煤岩有机显微组分中镜质组含量在75.8%左右，惰质组含量在20.8%左右，壳质组含量为3.2%。研究区显现出良好的气化潜力。

图2 准东地区西山窑组煤层厚度和埋深等值线图

表1 准东地区显微组分和工业分析

2.7 煤岩煤质

煤中灰分含量的高低对煤炭地下气化有一定影响，较高的灰分含量可以支撑顶板防止燃空区顶板和地表的沉降，当灰分过高时，气化速率会降低且会增加热量的散失。煤中水分的影响着氧化剂的供应，水分过高时气化效率会降低，且煤气的热值也会较少，煤中挥发分过低时，煤层的点火和气化都会受到影响，成本增高[7-8]。由工业分析可知(表1)，准东地区煤水分3.74%～14.79%，平均为8.92%，具有明显的阶段分布特征。其中，博格达山前地区煤的水分较低；北部一带西山窑组煤的水分为7.45%～13.6%，平均10.24%。挥发分产率变化不大，其值为30.18%～41.53%，平均为32.98%；灰分产率主要受无机矿物组分控制，西山窑组煤层灰分变化范围在4.23%～12.75%，平均8.73%，低灰煤最为常见，阜康断裂带八道湾组煤层灰分为14.6%，中灰煤最为常见。在区域上变化较大。准东地区煤挥发分和灰分相对较高，有利于煤炭地下气化。

2.8 顶底板岩性

为保证气化炉的封闭性，盖层一般选取泥岩和泥质砂岩，且要求顶底板岩层要完全覆盖[8]。准东西山窑组煤层顶板岩性在区域上变化较大，西部和中部地区煤层顶板岩性以粉砂岩与细砂岩为主；白家海—五彩湾地区以粉砂岩为主；东部地区以顶板为泥岩和粉砂岩泥岩。南部八道湾组顶板以泥岩和粉砂岩较为常见，从顶板岩性封堵性能出发，准东地区东部和南部煤层顶板封盖条件最好，白家海-五彩湾地区次之，中部与西部地区最差(图3)。

图3 准东地区西山窑组煤层顶板岩性

2.9 煤层产状

任何产状的煤层，都可以用气化方法开采，但最佳的煤炭地下气化倾角可以起到防止燃烧后灰渣掉落的影响[8]。倾角较大的煤层虽然有利区气化，但对发生炉的要求较高，成本较大。倾角较小的煤层在气化时，燃空区顶板容易塌陷，阻碍气化进程。通过前人研究成果可知，煤炭地下气化有利的煤层倾角为35°[15]。准东北部煤层倾角4°～31°，在米泉—阜康—大黄山一带倾角可超过45°，煤层倾角较大，有利于煤层地下气化。

3 多层次模糊数学模型的建立

影响煤炭地下气化地质因素非常复杂，简单的评价模型不能定量、精确反映煤炭地下气化潜力的实际情况，常采用多层次数学评价模型对煤炭地下气化可行性开展定量评价[16-18]。其原理是首先是要把问题条理化、层次化，构造出一个层次分析模型，对同一层次的各评价参数的相对于上一层次重要性进行两两对比，得到一个评价参数的评判矩阵，通过求解矩阵的最大特征根和它所对应的特征向量，即可算出各评价参数的相对权重[19-21]。结合模糊数学方法，建立适用于准东部地区的煤炭地下气化评价的多层次数学模型，主要步骤如下。

3.1 评价参数的选取以及权重计算

中外研究和实践表明，煤炭地下气化很大程度上由煤层空间展布、煤储层物性和开采条件共同决定。结合准东地区煤层赋存的地质特征及煤层储层特点等，应用上述层次分析法基本原理，选取煤层厚度、煤层倾角、煤层埋深、灰分、显微煤岩组分、煤化作用程度、底板岩性、构造、水文地质作为评价研究区煤炭地下气化可行性的指标，构建研究区煤炭地下气化评价体系(表2)。

表2 煤炭地下气化勘探选区评价体系

3.2 评价参数权重计算

权重是指每个参数对煤炭地下气化的贡献程度，反映各参数在评价对象中的价值地位。在遵循客观性和评价主体的特殊性两大原则基础上，通过对同层次参数的两两比较，构成判别矩阵(表3)；计算出判别矩阵所对应的特征向量，得到各参数的权重。在对同层次参数两两比较时，采用0～4标度进行评价(表4)。

3.3 评价参数隶属度的确定

此次煤炭地下气化潜力评价所选评价参数依据其性质可分为定性参数和定量参数两类。定量参数包括煤层厚度、煤化作用程度、煤层埋深、煤层倾角、煤岩组分等，这些定量参数都是从勘探成果中或根据测试和室内实验而得到的。定性参数包括构造条件、水文地质条件、顶板保存条件等，这些参数的取值原则上根据已有地质资料和研究成果，经分析和比较而定性地赋予隶属度。本次评价中，隶属度的确定是参考前人对其他研究区的模糊评价隶属度取值方法的基础上，提出的隶属度取值方案，按照各评价参数对于煤炭地下气化的影响，将其分为优-中-差三类(表5)，其隶属度取值分别为1～0.7、0.7～0.3、<0.3。

表3 准东地区各级指标的判别矩阵

表4 矩阵标度的判断及含义

表5 准噶尔盆地煤炭地下气化评价定性指标隶属度取值表

3.4 数学评价模型建立

为精确定义准噶尔盆地东部煤炭地下气化勘探潜力，建立多层次模糊数学评价模型。通过该评价模型可定量化煤炭地下气化指数(0

(1)

式(1)中：Ai代表煤炭地下气化潜力指数；Bi代表二级参数指标权重；Cij代表各评价指标权重；aij代表各评价指标隶属度。

3.5 煤层气资源潜力评价结果

通过对准东地区煤层厚度、煤层埋深、镜质组含量、煤化作用程度、灰分、煤层倾角、煤层顶板岩性、水文地质以及构造发育等评价参数进行整理，按的数值将准噶尔盆地东部煤炭地下气化发潜力划分为3类：即Ai<0.61为Ⅲ类有利区、0.610.75为Ⅰ类有利区，其中Ⅰ类有利区作为下一步煤炭地下气化开发的重点区域，包括梧桐窝子凹陷、纱帐断褶带和阜康断裂带(图4)。