李 維

(1.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083；2.內(nèi)蒙古地質(zhì)工程有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

本文以老三溝井田煤炭資源量、地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，結(jié)合最新煤炭地下氣化技術(shù)特點、經(jīng)濟性等分析了老三溝井田采用煤炭地下氣化技術(shù)的可行性，通過理論分析和數(shù)據(jù)對比得出該井田適合進行煤炭地下氣化技術(shù)應用的結(jié)論，并為后期地下氣化工作開展提供有益參考與指導。

1 老三溝井田概況

準格爾煤田老三溝井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾旗薛家灣鎮(zhèn)西北，地理極值坐標：東經(jīng)111°04′27″～111°11′05″，北緯39°56′59″～40°01′55″，井田面積63.46 km2。井田總體構(gòu)造形態(tài)為一向西至南西西緩傾的單斜構(gòu)造，含煤地層主要為上石炭統(tǒng)太原組上段，其次為下二疊統(tǒng)山西組，發(fā)育編號煤層10層，可采煤層有3層，6號煤層、9號煤層為全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層，8號煤層為大部可采的較穩(wěn)定煤層[2]。

2 老三溝井田煤炭地下氣化可行性分析

2.1 資源地質(zhì)條件

準格爾煤田屬石炭紀、二疊紀復合煤田，位于華北聚煤區(qū)的北部，井田構(gòu)造簡單，多為小于5 m的小斷層，且地層平緩。在地層層序上與華北石炭系、二疊系煤田相似，晚石炭世沉積古地理環(huán)境為泥炭沼澤相與沖積扇前平原相，此時的地殼下降幅度緩慢，與泥炭沼澤的堆積速度長期保持穩(wěn)定，成煤條件極好。至早二疊世晚期，古地理環(huán)境轉(zhuǎn)為山前沖積平原，成煤作用逐漸減弱，泥炭沼澤相趨于結(jié)束。老三溝井田含煤地層為二疊系下統(tǒng)的山西組(P1s)和石炭系上統(tǒng)的太原組上段(C2t2)。

老三溝井田煤炭資源豐富，勘探階段探獲煤炭資源總量超過19億t，其中以長焰煤為主，含有部分不黏煤。井田可采煤層埋藏深度最淺為459.00 m，最深達731.96 m。井田內(nèi)可采煤層可采累計厚度有一定變化，但多數(shù)在20～35 m之間，較為穩(wěn)定。煤層傾角較小，大部分為0～5°，局部大于10°。煤層圍巖主要由頂板、底板組成，本井田6號可采煤層頂板主要為黑色泥巖、砂巖，次為高嶺石黏土巖、炭質(zhì)泥巖，煤層底板以砂巖、泥巖為主，次為粉砂質(zhì)泥巖；8號可采煤層頂板巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖，少量泥巖，煤層底板以泥巖為主，個別為粗砂巖；9號可采煤層頂板主要為泥巖，次為粗砂巖，少量高嶺石黏土巖、炭質(zhì)泥巖，煤層底板以泥巖為主，少量高嶺石黏土巖、粗砂巖、炭質(zhì)泥巖。井田內(nèi)含水層之間均有穩(wěn)定的隔水層，隔水層泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)黏土巖占大多數(shù)，隔水性好[2]。

綜上，從基本地質(zhì)條件分析，老三溝井田構(gòu)造簡單、隔水性好、煤層圍巖強度大，有利于地下氣化運行中限制地面沉降及隆起作用[3]；就煤層而言，老三溝井田可采煤層厚度穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、傾角小、埋藏深度適中且屬自燃煤層，有利于煤炭地下氣化的實施；從資源條件分析，老三溝井田煤炭資源儲量豐富，煤類適合地下氣化用煤，按年產(chǎn)40億m3天然氣的規(guī)模生產(chǎn)，該煤田可持續(xù)產(chǎn)氣約90 a。

2.2 煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成熟

煤炭地下氣化技術(shù)從概念提出到現(xiàn)在，已發(fā)展100多年[4]。世界上很多國家都投入了大量人力、物力、財力進行技術(shù)開發(fā)研究，取得了一定的技術(shù)成果，從技術(shù)成熟度分析，煤炭地下氣化技術(shù)大致經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段。

1) 第一代煤炭地下氣化技術(shù)。該技術(shù)始于20世紀20年代至50年代的蘇聯(lián)，主要采用垂直井氣化技術(shù)，并成功應用在世界上唯一一座持續(xù)化運行的安格林商業(yè)氣化站[5]。加拿大及中國以前的煤炭地下氣化技術(shù)都是基于前蘇聯(lián)的垂直井氣化技術(shù)，加拿大還利用煤層中已存在的天然通道并對其進行改良，建立連接注入井和產(chǎn)品井之間的通道來解決無法建立有效貫通問題。第一代煤炭地下氣化技術(shù)由于鉆井工程量大成本高，產(chǎn)品合成氣的產(chǎn)量和質(zhì)量不穩(wěn)定，逐漸被第二代煤炭地下氣化技術(shù)所取代。

學習風格是學習者持續(xù)一貫的帶有個性特征的學習方式，是學習策略和學習傾向的總和，也就是學習者在長期的學習活動中逐漸形成的學習方式偏愛[1]。一般認為，學習者具有6種基本學習風格：視覺型學習風格、聽覺型學習風格、獨立型學習風格、觸覺型學習風格、合作型學習風格和動覺型學習風格。由于學習風格與學習活動具有直接關(guān)系，不少學者提出學習者的學習風格特征會影響學習效果。學習風格是制定教學策略的主要考慮因素之一，中職生學習動機不強，很可能是因為教師在教學策略選擇上對學生學習風格考慮不夠。筆者在中職德育教學中，從中職生學習風格特點出發(fā)，設(shè)計教學方法，現(xiàn)介紹如下。

2) 第二代煤炭地下氣化技術(shù)。第二代煤炭地下氣化技術(shù)最先由美國研究提出，主要采用的是控制后退注氣法[6]和急傾斜煤層法技術(shù)。該技術(shù)把定向鉆井和反向燃燒結(jié)合在一起，在煤層中對垂直井和定向井進行聯(lián)通。第二代煤炭地下氣化技術(shù)由于氣化規(guī)模小，生產(chǎn)不連續(xù)等諸多限制，無法實現(xiàn)煤炭地下氣化項目的規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

3) 第三代煤炭地下氣化技術(shù)。澳大利亞率先以前兩代煤炭地下氣化技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)研究第三代煤炭地下氣化技術(shù)，在2011年成功投產(chǎn)，并連續(xù)運行了3年時間[7]。該技術(shù)采用連續(xù)油管技術(shù)，高溫高壓、富氧/純氧氣化技術(shù)，提高了氣化效率，減少了鉆井成本。第三代煤炭地下氣化技術(shù)經(jīng)過各項示范試驗，取得了成功，生產(chǎn)了高質(zhì)量的合成氣并成功用于聯(lián)產(chǎn)發(fā)電和合成油。

4) 第四代煤炭地下氣化技術(shù)。目前，世界上最先進的煤炭地下氣化技術(shù)由中為(上海)能源技術(shù)有限公司研發(fā)，整合前三代煤炭地下氣化技術(shù)及其在實際生產(chǎn)運營過程中的優(yōu)勢與不足，通過將新型水平鉆井及高溫井技術(shù)，水文、地質(zhì)模擬技術(shù)及監(jiān)控，煤炭燃燒、熱解、氣化、催化重整技術(shù)及工藝模擬，二氧化碳捕集和儲存技術(shù)，地下水污染防治和處理技術(shù)等進行完美整合與創(chuàng)新，代表世界上最前沿、最先進的煤炭地下氣化技術(shù)。

煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展至今，技術(shù)成熟度及適應性不斷提高，為老三溝井田煤炭地下氣化提供技術(shù)可靠性，井田若采用最新煤炭地下氣化技術(shù)進行氣化試驗，必將加快井田進行規(guī)模生產(chǎn)煤制氣產(chǎn)品的步伐。

2.3 經(jīng)濟效益分析

煤炭地下氣化技術(shù)經(jīng)濟效益明顯，與地面氣化相比，基建投資降低53%～66%，生產(chǎn)成本較低僅為0.1元/m3[8]。對于生產(chǎn)相同的合成氣、天然氣代用品、發(fā)電等產(chǎn)品，地下氣化比地面氣化成本相對下降43%、14%、27%。由此可知，老三溝井田年產(chǎn)40億m3煤制天然氣配套資源，采用煤炭地下氣化技術(shù)的經(jīng)濟效益是巨大的。

2.4 可行性分析結(jié)論

由地質(zhì)資源條件、技術(shù)成熟度及經(jīng)濟效益三方面分析可知，老三溝井田采用煤炭地下氣化技術(shù)生產(chǎn)煤制氣產(chǎn)品是可行的，相較于本地區(qū)同類煤制氣項目而言，老三溝井田應用地下氣化技術(shù)將極大提升自身的競爭力并實現(xiàn)效益最大化。

3 實驗區(qū)試驗生產(chǎn)初步設(shè)想

3.1 依據(jù)地質(zhì)資料，優(yōu)選實驗區(qū)

老三溝井田從普查到勘探，經(jīng)過十多年的煤炭勘查工作，完成了大量的物探工程和鉆探工程，在基礎(chǔ)地質(zhì)、煤及煤層氣地質(zhì)方面，積累了豐富的基礎(chǔ)資料，包括區(qū)域地質(zhì)背景、地層劃分、煤巖芯、煤田地質(zhì)研究資料等。特別是2015年由內(nèi)蒙古地質(zhì)工程有限責任公司對該井田的勘探工作，取得了大量詳細的成果資料：①通過井田已有的大量二維、三維地震資料，可以確定可采煤層的連續(xù)性，圈定煤層；②依據(jù)56個施工鉆孔的煤巖芯編錄這一實物資料，按照由煤層測井曲線特征而建立的煤層曲線標準，可以準確確定煤層位置及煤層厚度；③查明了構(gòu)造及其對煤層的影響；④通過對不同標高、不同煤階、不同鉆孔控制程度劃定塊段的儲量計算，獲得了相應煤炭資源儲量數(shù)據(jù)。

依據(jù)以上老三溝井田地質(zhì)資料，選擇煤炭資源儲量級別較高(332以上)，煤層較厚，煤質(zhì)較好，埋藏深度適中及場地開發(fā)條件優(yōu)越的地段，作為老三溝井田煤炭地下氣化實驗區(qū)。

3.2 開展試驗

3.2.1 氣化爐構(gòu)建

井田實驗區(qū)考慮采用第四代煤炭地下氣化技術(shù)工藝構(gòu)建一個煤炭地下氣化爐，由一個注入井、一個產(chǎn)品井和將二者連接起來的水平通道組成(圖1)。注入井和產(chǎn)品井間隔30 m，采用定向鉆探技術(shù)，先施工一個水平定向注入井，再施工一個垂直產(chǎn)品井與之貫通。氣化爐氣化通道寬約20 m，包括燃燒區(qū)、氣化區(qū)和熱解區(qū)。其中，燃燒區(qū)在煤層中氧化劑注入點附近；氣化區(qū)以放射狀形態(tài)圍繞在燃燒區(qū)周圍或者在燃燒區(qū)下游，煤炭在氣化區(qū)被氣化、部分被氧化，從而生成合成氣；熱解區(qū)在氣化區(qū)下游，煤的熱解反應一般在這里發(fā)生。高溫的合成氣從氣化區(qū)往下游流動，并最終從產(chǎn)品井井口輸送到地面。

圖1 氣化爐示意圖Fig.1 Gasifier schematic diagram

3.2.2 氣化產(chǎn)品方向

井田采用第四代煤炭地下氣化技術(shù)所產(chǎn)生的產(chǎn)品——合成氣，合成氣產(chǎn)品可用來生產(chǎn)氫氣、天然氣、燃氣發(fā)電、液態(tài)二氧化碳、甲醇、烯烴、二甲醚、乙二醇、汽油、柴油、化肥等電力、燃料、化工產(chǎn)品(圖2)。依據(jù)市場供需預測趨勢(圖3)，未來氣化產(chǎn)品以生產(chǎn)氫氣、天然氣等清潔能源產(chǎn)品為主，輔以生產(chǎn)烯烴、液態(tài)二氧化碳等化工產(chǎn)品。

3.3 開展試驗的融資

3.3.1 爭取國家和地方政府的支持

國家能源局發(fā)布的《煤炭清潔高效利用行動計劃(2015～2020年)》提出“推進煤炭地下氣化示范工程建設(shè)，探索適合我國國情的煤炭地下氣化發(fā)展路線?！?017年，內(nèi)蒙古自治區(qū)辦公廳發(fā)布《內(nèi)蒙古自治區(qū)“十三五”開發(fā)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃提出加快提升鄂爾多斯大路煤化工基地，不斷推進煤炭就地轉(zhuǎn)化，將大路工業(yè)園區(qū)發(fā)展成為國家級“煤化工及清潔能源生產(chǎn)示范基地”。據(jù)此，可以充分利用國家和地方政策規(guī)劃要求，借助內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導獎勵資金項目，積極爭取開展煤炭地下氣化實驗示范項目傾斜，發(fā)揮政府投入的引導和支持作用。

3.3.2 社會企業(yè)資金為主導投入

通過與第四代煤炭地下氣化技術(shù)開發(fā)企業(yè)聯(lián)系，如果技術(shù)開發(fā)企業(yè)有意愿、有能力進行井田煤炭地下氣化開發(fā)生產(chǎn)，政府可以在資源配套、稅費等政策上給予優(yōu)惠，推動老三溝井田煤炭地下氣化加快實驗生產(chǎn)，并最終進入規(guī)?；a(chǎn)，獲取最好成果、最大收益。

此外，還可以充分調(diào)動社會各方面的積極性，形成井田以礦權(quán)和已有地質(zhì)資料做股權(quán)，吸收其他技術(shù)、勘探、鉆探等社會資金做股份的地下氣化技術(shù)試驗的融資新模式。

圖2 合成氣后續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)品示范圖Fig.2 Gasifier schematic diagram

圖3 市場供需預測趨勢圖Fig.3 Market supply and demand forecast trend chart(注：產(chǎn)品缺口=需求量-產(chǎn)量;資料來源：中國行業(yè)咨詢網(wǎng)；文獻[9])

4 結(jié) 論

1) 內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾煤田老三溝井田地質(zhì)資源條件優(yōu)越，現(xiàn)有煤炭地下氣化技術(shù)成熟，經(jīng)濟效益顯著，故井田應用煤炭地下氣化技術(shù)是可行的。

2) 老三溝井田進行煤炭地下氣化規(guī)?；a(chǎn)前提是實驗區(qū)的試驗生產(chǎn)。選擇煤炭資源儲量級別較高(332)以上，煤層較厚，煤質(zhì)較好，埋藏深度適中及場地開發(fā)條件優(yōu)越的地段，選擇老三溝井田煤炭地下氣化實驗區(qū)是基礎(chǔ)，采用第四代地下氣化技術(shù)及氣化爐構(gòu)建是關(guān)鍵。

3) 依據(jù)市場需求趨勢分析，井田未來氣化產(chǎn)品以生產(chǎn)氫氣、天然氣等清潔能源產(chǎn)品為主，輔以生產(chǎn)烯烴、液態(tài)二氧化碳等化工產(chǎn)品。

4) 老三溝井田煤炭地下氣化試驗開展需要爭取國家和地方政府的支持，并積極引導社會企業(yè)資金的投入，研究結(jié)果為老三溝井田煤炭地下氣化試驗開展提供了有益參考。