蔣秀明，吳財(cái)芳

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤炭地下氣化(UCG)是一種潛在的煤炭資源開發(fā)新技術(shù)，其方法是通過在地下原位建立氣化反應(yīng)爐，使煤炭直接在原位轉(zhuǎn)化為可燃性氣體，運(yùn)輸至地表。UCG 避免了地面粉塵、矸石堆放等環(huán)境問題，同時(shí)有效減少了煤炭運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的污染與經(jīng)濟(jì)損耗。此外，該技術(shù)避開了深部煤層高地應(yīng)力、高地溫的地質(zhì)問題，能夠促進(jìn)深部煤炭的開發(fā)利用。世界各國都對(duì)UCG 進(jìn)行了大量的研究和嘗試，我國也相繼進(jìn)行了一系列相關(guān)研究和試驗(yàn)探索。迄今為止，全球利用該技術(shù)開采的煤炭已經(jīng)超過了1 500 萬t[1-2]。

煤炭地下氣化構(gòu)想最早由德國工程師William Siemens 于1868 年首次提出。1910 年美國工程師A.G.Betts[3]開始從技術(shù)層面完善這一創(chuàng)新的想法，并申請(qǐng)了美國UCG 技術(shù)的相關(guān)專利。1933 年蘇聯(lián)開始在Moscow 盆地的Krutova 煤礦進(jìn)行全球首次UCG試驗(yàn)，但由于相關(guān)的技術(shù)不夠成熟，此次試驗(yàn)未能取得成功。直到1934 年，烏克蘭Lisichansk 煤礦取得全球首次氣化成功案例[4]，自此，全世界多個(gè)國家開始嘗試UCG 技術(shù)并且開展了大量先導(dǎo)性試驗(yàn)。在早期階段，氣化的目的煤層埋深普遍較淺，基本小于100 m，隨著鉆探技術(shù)的不斷進(jìn)步，從20 世紀(jì)80 年代起，UCG 的深度逐漸加大，煤層埋深最大可至1 450 m[5]。

進(jìn)入21 世紀(jì)，由于能源消費(fèi)的不斷增長(zhǎng)，世界各國加大了對(duì)UCG 的探索力度，啟動(dòng)了多項(xiàng)氣化的理論研究和探索項(xiàng)目。2005 年，印度Neyveli Lignite 公司測(cè)試了印度褐煤的燃燒熱值，并評(píng)估了不同區(qū)域的UCG 開發(fā)潛力和優(yōu)勢(shì)，中央礦業(yè)規(guī)劃與設(shè)計(jì)有限公司(Central Mine Planning and Design Institute Limited，CMPDIL)最終在此基礎(chǔ)上優(yōu)選出了包括Raniganj煤田在內(nèi)的5 個(gè)UCG 試驗(yàn)區(qū)塊。2014 年7 月，Coal India Limited (CIL)開始對(duì)其中2 個(gè)優(yōu)勢(shì)區(qū)塊進(jìn)行商業(yè)性開發(fā)[6-8]。2015 年12 月，印度政府通過了褐煤礦區(qū)的UCG 開發(fā)政策，表示在未來兩年內(nèi)，一些探明區(qū)塊將由CMPDIL 進(jìn)行商業(yè)開發(fā)，并且為開發(fā)更多有利區(qū)塊制定了長(zhǎng)期政策。

2006 年，美國的Lawrence Livermore 國家實(shí)驗(yàn)室獲得國家能源部資助，在分析了世界范圍內(nèi)UCG 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，理論論證了產(chǎn)業(yè)的可行性，重點(diǎn)討論了氣化過程中氣化爐的空腔生長(zhǎng)模型[9]。2014 年，澳大利亞Linc Energy 公司獲準(zhǔn)在Wyoming 州開發(fā)UCG 項(xiàng)目。2009?2011 年，Swan Hills Synfuels 公司在加拿大Swan Hills 地區(qū)開展了迄今為止埋深最大的UCG 項(xiàng)目，煤層埋深約為1 450 m[10]。同時(shí)，Laurus Energy 公司在加拿大的Edmonton Alberta 地區(qū)開發(fā)商業(yè)UCG 項(xiàng)目，以期為當(dāng)?shù)氐墓I(yè)市場(chǎng)提供燃料和氫氣[1]。

澳大利亞自1999 年起就積極探索氣化技術(shù)商業(yè)化。1999 年，Linc Energy 公司在昆士蘭州的Chinchilla建立了UCG-IGCC(整體氣化聯(lián)合循環(huán))試點(diǎn)項(xiàng)目，測(cè)試了5 個(gè)氣化爐，運(yùn)行21 個(gè)月后，大約氣化35 000 t煤，總輸出功率為67 MWh，這是當(dāng)時(shí)除蘇聯(lián)外最大規(guī)模的UCG 項(xiàng)目。2006 年，參與過Chinchilla UCG 項(xiàng)目的Walker 成立了Cougar Energy 公司，并在2007 年末在昆士蘭的Kingaroy 開展了新的氣化工程。同年，澳大利亞建造了一座煤炭地下氣化液化廠，嘗試UCG 項(xiàng)目與其他項(xiàng)目的聯(lián)合開發(fā)[1,11-16]。

波蘭自20 世紀(jì)以來，在氣化領(lǐng)域進(jìn)行了多次嘗試，取得了許多成果。波蘭中央礦業(yè)學(xué)院承擔(dān)了歐盟“Hydrogen Oriented Underground Coal Gasification(2007?2010 年)”項(xiàng)目，主要目標(biāo)是通過UCG 技術(shù)就地生產(chǎn)富氫氣體，總氣化量為22 t 無煙煤，平均氣化速率為62 kg/h，總產(chǎn)氣量為71 764 m3。其后續(xù)項(xiàng)目HUGE 2(2011?2014 年)重點(diǎn)關(guān)注與UCG 流程相關(guān)的環(huán)境和安全問題，總共氣化了5.36 t 無煙煤，氣化速率為37.8 kg/h，總產(chǎn)氣量為11 043 m3[17]。

此外，英國、保加利亞、南非和其他國家也進(jìn)行了很多UCG 項(xiàng)目嘗試和開發(fā)[1,18-21]。

中國的煤炭地下氣化起步于20 世紀(jì)50 年代。早期以礦井巷道氣化為主，1958?1962 年，安徽南部、新疆烏魯木齊等地16 個(gè)礦區(qū)相繼開展了巷道式氣化試驗(yàn)[22]，積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)。20 世紀(jì)80 年代起，中國開始探索鉆井法氣化工藝，提出了“長(zhǎng)通道、大斷面、兩階段”的長(zhǎng)通道法[22]。2007 年，新奧集團(tuán)在內(nèi)蒙古烏蘭察布礦開展煤炭地下氣化試驗(yàn)，取得了初步成功。2018 年8 月，新疆國利衡公司在鄯善縣開展了國內(nèi)埋深最大的煤炭地下氣化項(xiàng)目，煤層埋深為 522 m[22]。

綜上所述，世界各國在UCG 領(lǐng)域進(jìn)行了許多有價(jià)值的研究和工程實(shí)踐。然而，氣化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展依舊較為緩慢，因此，筆者在系統(tǒng)分析國內(nèi)外UCG項(xiàng)目實(shí)施情況的基礎(chǔ)上，總結(jié)了影響氣化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的3 方面因素：第一，資源條件的適宜性，如地質(zhì)條件適合，具有支持UCG 開發(fā)的豐富煤炭資源，以保障項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。第二，工藝技術(shù)的可行性，適合不同地質(zhì)條件的氣化工藝，能夠降低UCG 的成本和開發(fā)難度，特別是對(duì)于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的煤層。第三，環(huán)境影響的可控性，隨著煤炭地下氣化的進(jìn)行，地質(zhì)條件受高溫的影響會(huì)產(chǎn)生較大變化，如何保障氣化過程持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行？地質(zhì)、環(huán)境等因素對(duì)工程的制約至關(guān)重要。

本文綜述了UCG 在世界范圍內(nèi)的勘探開發(fā)現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析了氣化的理論研究和工藝發(fā)展過程，總結(jié)了影響煤炭氣化的重要因素，并對(duì)氣化技術(shù)未來研究方向和趨勢(shì)進(jìn)行展望，分析氣化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

1 資源條件的適宜性

1.1 資源量

影響煤炭地下氣化的核心因素是煤炭本身資源稟賦和勘探開發(fā)潛力。雖然部分區(qū)域賦存豐富的煤炭資源，但受制于UCG 過程中的地質(zhì)、工程、環(huán)境等相關(guān)問題，許多煤炭資源并不適合UCG 開發(fā)。波蘭國家研究與發(fā)展中心(NCBIR)在2010?2014 年的國家戰(zhàn)略研究計(jì)劃中對(duì)波蘭境內(nèi)的煤炭進(jìn)行了評(píng)估，報(bào)告顯示，考慮到地質(zhì)條件和環(huán)境影響，波蘭境內(nèi)適合氣化的煙煤資源只有10%左右，適合氣化的褐煤則更為稀少，主要分布在Glogow-Sciniawa 和Legnica 地區(qū)[8,21]。

據(jù)印度綜合能源政策專家委員會(huì)(IEPR)最新調(diào)查報(bào)告顯示，印度煤炭資源量為0.298 萬億t，其中，埋藏小于300 m 的資源量為0.175 萬億t，300～600 m 的資源量為869 億t。除此之外在印度的Gujarat 邦的Kalol 盆地800～1 400 m 深處還蘊(yùn)藏著約600 億t 褐煤。印度學(xué)者綜合現(xiàn)有的開發(fā)工藝和試驗(yàn)認(rèn)為，褐煤埋深大于300 m 時(shí)適合氣化，印度的褐煤地質(zhì)資源總量為432 億t，其中20%的褐煤埋藏深度小于150 m，31%的褐煤埋深在150～300 m，只有49%褐煤埋藏深度大于300 m，其中，部分褐煤的埋深大于800 m，現(xiàn)有工藝不適合開發(fā)[8]。

英國在“UCG 可行性報(bào)告(2004)”中特別強(qiáng)調(diào)，英國具有非常豐富的煤炭資源，但是自工業(yè)革命以來，埋深在2 000 m 以淺的資源儲(chǔ)量只利用了1%～2%，大量資源由于種種原因并未進(jìn)行開發(fā)。報(bào)告指出，英國大約有170 億t 煤炭難以利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，但是適宜UCG 開發(fā)，一旦環(huán)境和可持續(xù)性問題處理得當(dāng)，氣化技術(shù)就可以和二氧化碳捕捉封存等技術(shù)結(jié)合起來，為解決全球變暖問題提供解決思路[11]。

美國地質(zhì)調(diào)查局對(duì)North Dakota 州褐煤進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查[23]，報(bào)告表明，該州蘊(yùn)含豐富的褐煤資源，然而，經(jīng)濟(jì)上可開采的地表儲(chǔ)量約為250 億t，僅占全部資源的2%。由于水分含量高，褐煤的熱值比其他煤級(jí)煤低[24]，燃燒發(fā)電效率較低，但高水分和高反應(yīng)性使褐煤氣化具有一定優(yōu)勢(shì)[9,25]。

根據(jù)國土資源部重大項(xiàng)目“全國煤炭資源潛力評(píng)價(jià)(2016)”，中國煤炭主要分布在北部、西北部和東北部的晚石炭世?早二疊世、晚二疊世、早?中侏羅世和早?晚白堊世4 個(gè)主要成煤期的煤系中，探明煤炭資源量為2.02 萬億t，預(yù)測(cè)資源量為3.88 萬億t[26]。到目前為止，煤礦企業(yè)的開采深度主要在1 000 m 以淺，受開采技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件限制，尚未對(duì)1 000～2 000 m 的煤炭資源進(jìn)行精細(xì)評(píng)價(jià)，更沒有對(duì)2 000 m 以深的煤炭資源進(jìn)行大規(guī)?？碧健Ｒ虼?，中國適合UCG 的煤炭資源究竟是1 000 m 以淺還是以深[27]或者二者皆可？其具體資源量多少？這一系列問題還需要進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)價(jià)。

1.2 地質(zhì)選址與選區(qū)評(píng)價(jià)

由于UCG 工程發(fā)生在地層內(nèi)部，氣化的地質(zhì)選址和選區(qū)評(píng)價(jià)顯得更加復(fù)雜。煤層的埋深、構(gòu)造、厚度等因素影響氣化的工程難度，煤炭的含水性、熱值影響產(chǎn)出氣的熱值，煤中有害元素影響氣化的環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，大量學(xué)者針對(duì)這些地質(zhì)因素，在氣化爐的選區(qū)評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了深入研究(表1)。

表1 選區(qū)指標(biāo)體系概述Table 1 Overview of the constituency indicator system

其中，波蘭學(xué)者通過大量的室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)的先導(dǎo)性氣化試驗(yàn)，對(duì)UCG選區(qū)技術(shù)進(jìn)行了深入研究。波蘭國家研究與發(fā)展中心(NCBIR)總結(jié)了一套選區(qū)指標(biāo)體系，認(rèn)為氣化爐的封閉性是影響氣化的主要因素，為了保證地下水不會(huì)侵入氣化爐，需要足夠厚的封閉層、滲透性較低的頂?shù)装迳w層，同時(shí)，良好的圍巖封閉體系也能阻止氣化過程中產(chǎn)生的污染物向圍巖及地下水體系滲透。波蘭學(xué)者2014 年提出了更為細(xì)致的資源評(píng)價(jià)體系和選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，在上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)一步細(xì)化，并且考慮商業(yè)開發(fā)的相關(guān)問題，例如煤田面積、服務(wù)年限、氣化爐與民用設(shè)施的沖突等[28-29]。

印度學(xué)者D.U.Vyas 等[11]分析了美國、澳大利亞、中國、英國等各個(gè)國家的氣化工藝，建立了一套褐煤和亞煙煤選區(qū)指標(biāo)體系，將煤層多項(xiàng)地質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，包括煤層的孔隙率、滲透率、斷層位移、煤層連續(xù)性等。G.Perkins[30,33]依據(jù)前人工作經(jīng)驗(yàn)和具體實(shí)踐，定性、半定量地提出了氣化選區(qū)參數(shù)，認(rèn)為UCG 的經(jīng)驗(yàn)還不成熟，選址參數(shù)只能被視為指導(dǎo)原則，而不能被視為標(biāo)準(zhǔn)，在任何特定的項(xiàng)目中，都可能有充分的理由改變一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。一般來說，較為合適的條件為：煤層埋深中等，發(fā)育平緩，且為次煙煤，煤層厚度大于6 m，構(gòu)造簡(jiǎn)單，氣化爐圍巖滲透性低，易于煤層形成圈閉。一旦區(qū)域評(píng)價(jià)參數(shù)大大超出這些建議指導(dǎo)原則時(shí)，應(yīng)采用額外的風(fēng)險(xiǎn)管理策略解決問題，例如灰色關(guān)聯(lián)、層次分析等數(shù)學(xué)方法。Yang Dongmin 等[12]對(duì)比了氣化和二氧化碳存儲(chǔ)技術(shù)，強(qiáng)調(diào)了氣化過程中及結(jié)束后氣化爐的穩(wěn)定性，認(rèn)為其主要影響因素為煤層頂?shù)装辶W(xué)強(qiáng)度，并且煤層氣含量也會(huì)對(duì)氣化爐穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。

中國自20 世紀(jì)50 年代開始對(duì)UCG 的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行深入研究，并且針對(duì)煤炭資源的分布情況，提出了一些適合不同區(qū)域的氣化選區(qū)指標(biāo)體系[34-36]?？傮w認(rèn)為除焦煤以外，其余煤種均適合UCG 開發(fā)，并且煤層水文地質(zhì)要求隨著氣化煤炭的厚度和煤質(zhì)變化，氣化爐含水性存在雙重效應(yīng)。這些氣化選區(qū)指標(biāo)對(duì)氣化資源的評(píng)價(jià)較為寬松，促進(jìn)了國內(nèi)殘留煤炭的開發(fā)利用[31-32]。周澤等[37]分析了貴州六盤水礦區(qū)地質(zhì)因素和工程因素，對(duì)六盤水地區(qū)UCG 開發(fā)資源潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，并且細(xì)化了環(huán)境因素，認(rèn)為除硫分外，氟、磷、氯、砷、汞、鈾、鉛等元素也應(yīng)該被納入指標(biāo)體系中。

2 工藝技術(shù)的適用性

UCG 最簡(jiǎn)單的工藝為“U 型井”結(jié)構(gòu)，以一口井作為輸入，主要輸入氣化劑、助燃劑，點(diǎn)火；另一口井作為輸出，輸出氣化后的高熱值氣體、水分、灰燼等雜質(zhì)，“U 型井”底部為氣化爐，是煤炭發(fā)生燃燒和不完全燃燒的主要場(chǎng)所。針對(duì)不同煤層的賦存狀況和地質(zhì)條件，UCG 工藝的井型布置也有較大差異[38-39]。

1933 年，蘇聯(lián)在Moscow 盆地Krutova 礦進(jìn)行了第一次UCG 試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)采用的氣化方式非常簡(jiǎn)單，在煤層中將一部分煤炭隔離出來，通過一個(gè)進(jìn)氣管道輸入空氣，一個(gè)輸出管道產(chǎn)出氣體，由于輸入的空氣中氮?dú)夂枯^高并且煤的非均質(zhì)性較強(qiáng)，燃燒很快停止了(圖1a)。在此次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)者對(duì)氣化井位布置做了大量的研究[4]。1933 年，Donetsk Institute of Coal Chemistry 的工程師建議在管道中氣化煤炭，提出了溪流法(圖1b)，并在Donetsk 盆地的傾斜煤層中應(yīng)用了這種技術(shù)[40]。蘇聯(lián)在20 世紀(jì)40 年代開始探索試驗(yàn)無軸鉆井法，使用矩形和圓形排列的井眼，井眼間隔非常近(大約幾米)，通過在一組井中點(diǎn)燃煤炭，同時(shí)使用另一組井來注入空氣，使用第三組井來回收產(chǎn)出氣體，高熱值氣體通過煤層滲透進(jìn)入產(chǎn)出井，因此也被稱為滲濾法[4,40-42]。

圖1 蘇聯(lián)Krutova 礦場(chǎng)UCG 試驗(yàn)和溪流法[30]Fig.1 UCG test at the Krutova Mine in Soviet Union and stream metho[30]

由于煤層的自然滲透率低，滲濾法很難取得令人滿意的效果，因此，燃燒貫通技術(shù)被應(yīng)用到氣化技術(shù)的開發(fā)中。1941 年，蘇聯(lián)在Podmoskovnaya 的UCG 工廠發(fā)明了燃燒鏈接法，奠定了后期氣化通道連接的基礎(chǔ)。燃燒連接法是在滲濾法的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步改進(jìn)，通過火焰燃燒，貫通注氣井和產(chǎn)氣井之間的通道，解決了滲濾法過度依賴煤層本身滲透性的問題。燃燒貫通技術(shù)主要有2 種：正向燃燒貫通(FCL)和反向燃燒貫通(RCL)。從UCG 的實(shí)際作業(yè)中已經(jīng)觀察到，F(xiàn)CL 制造的井間連接為梨形狀(圖2a)，而RCL 制造的氣化通道主要是管狀(圖2b)。與RCL 相比，F(xiàn)CL 每單位線路的煤炭消耗量更高，其連接速度也相當(dāng)?shù)停虼?，反向燃燒貫通技術(shù)運(yùn)用越來越多[43]。

圖2 正向燃燒貫通法和反向燃燒貫通法[43]Fig.2 Forward combustion penetration method and reverse combustion penetration method[43]

RCL 是一種在煤層內(nèi)連接工藝井的方法，將氧化劑注入一口井中，并點(diǎn)燃另一口井中的煤，使得燃燒向氧化劑源傳播，從而在兩井之間建立水力阻力較低的路徑。生產(chǎn)井中的煤逐漸燃燒并向注氣井不斷蔓延，直至兩井貫通，這時(shí)可監(jiān)測(cè)到兩井之間的壓差顯著下降，表明連接過程成功完成。RCL 技術(shù)經(jīng)常和電阻加熱、水力壓裂及定向鉆井等技術(shù)結(jié)合實(shí)施[40,42]，該技術(shù)能夠很好地增加鉆孔間煤層的滲透性，可以在井中心相距20～50 m 的情況下實(shí)施。這種方法曾在莫斯科盆地的沙特卡亞UCG 站使用，每年從2～4 m 厚的淺部褐煤中生產(chǎn)了數(shù)億方的合成氣[44]。RCL 技術(shù)的主要難點(diǎn)在于氣化煤層本身需要相對(duì)透水，并且完成連接的速度較慢，一般為1～4 m/d[45]。此外，煤層強(qiáng)烈的非均質(zhì)性和各向異性導(dǎo)致反向燃燒往往很難沿工程設(shè)計(jì)的方向逐步連接貫通，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的科研以及工程人員開始考慮如何在地面進(jìn)行人工干預(yù)和控制。

固定注氣法(FGIP)(圖3a)和移動(dòng)注氣法(RGIP)是在反向燃燒法基礎(chǔ)上做出的進(jìn)一步改良。由于煤具有非均質(zhì)和低滲透性的特點(diǎn)[46]，燃燒難以依照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，為解決此問題，F(xiàn)IGP 在注氣井和產(chǎn)氣井之間通過定向鉆孔技術(shù)預(yù)先鉆出氣化起始通道作為氣化“導(dǎo)軌”。移動(dòng)注氣法也叫后退控制法(CRIP)(圖3b)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣化爐最大程度的地面干預(yù)。RGIP 使用定向鉆井來控制氣化的具體路徑，通過可伸縮點(diǎn)火器/注射器，工程人員可以在地面移動(dòng)注射位置，從而分階段氣化不同區(qū)域煤層。在第一階段，注入點(diǎn)靠近生產(chǎn)井，將生產(chǎn)井附近煤層氣化完成以后，在第二階段和后續(xù)階段，注入點(diǎn)逐漸后退，氣化其他區(qū)域的煤層，形成連續(xù)生產(chǎn)。后退控制法的優(yōu)點(diǎn)在于，其注氣點(diǎn)一直位于新鮮煤層，因此地層沉降以及氣化爐塌陷對(duì)于注氣點(diǎn)的影響較小，氣化爐可持續(xù)運(yùn)行，并且單個(gè)注入井可氣化大量煤層。同時(shí)，后退控制法還可以多個(gè)鉆井同時(shí)工作，提高了氣化效益(圖3c)。該技術(shù)首次在Centralia測(cè)試中大規(guī)模實(shí)施，并且在Wyoming 落基山一號(hào)示范項(xiàng)目中取得較好效果，100 d 內(nèi)氣化了11 000 t 煤，這種方式在中國徐州和唐山的煤礦也進(jìn)行了試驗(yàn)運(yùn)行[47-49]。

水平或者近水平狀發(fā)育的煤層較為罕見，對(duì)于傾斜和急傾斜煤層，上述鉆孔方法難以適應(yīng)煤層傾角，煤層燃燒面很容易延伸至頂?shù)装?，造成氣化中止。蘇聯(lián)開發(fā)了一種適用于傾斜或急傾斜煤層的技術(shù)(圖3d)。該方法利用一口豎井鉆入氣化煤層作為產(chǎn)氣井，而注氣井則傾斜布置，鉆入煤層下部，煤層底部首先被氣化，產(chǎn)生的氣體向上移動(dòng)。由于急傾斜煤層反應(yīng)面積很大，運(yùn)用該方法產(chǎn)生的氣體質(zhì)量較高，但主要缺點(diǎn)在于適用范圍較窄。氣化后，灰分、爐渣和碎石會(huì)向下跌落最終在注入井上方形成低滲區(qū)，影響氣化的持續(xù)性，該方法成功在美國Rawlins 實(shí)施[31-32]。

圖3 煤炭地下氣化點(diǎn)火及布井方式[31-32]Fig.3 Ignition and well layout of UCG[31-32]

20 世紀(jì)初，中國礦業(yè)大學(xué)總結(jié)了前人研究經(jīng)驗(yàn)與工藝發(fā)展現(xiàn)狀，提出了“長(zhǎng)通道、大斷面、兩階段”法(圖4a)，該方法氣化爐通道長(zhǎng)度可達(dá)200 m，在操作的第一階段，將空氣或其他助燃劑鼓入煤層，使煤炭發(fā)生燃燒，產(chǎn)生大量高溫加熱煤層；第二階段，向煤層中鼓入水蒸氣，使得水和煤炭發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生CO、H2等可燃性氣體。

20 世紀(jì)90 年代以來，我國已經(jīng)在多個(gè)煤礦運(yùn)用該方法建造和運(yùn)行了超過15 個(gè)長(zhǎng)通道氣化爐，包括徐州新河礦、徐州馬莊礦、內(nèi)蒙古烏蘭察布礦等[48-50]。

除此之外，大量的科研工作者借助室內(nèi)物理模擬和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)也提出了很多具有創(chuàng)新性的布井方式。SuFaqiang 等[34]利用室內(nèi)模擬，實(shí)驗(yàn)了同軸孔的布井方式：后退同軸法(圖4b)。該方法利用水平定向井工藝技術(shù)，在煤層中形成水平段作為氣化通道，采用同軸鉆孔的套管方式，將氣化產(chǎn)氣井和生產(chǎn)井布置于一個(gè)鉆孔內(nèi)。其特點(diǎn)是將傳統(tǒng)U 型井位方式替換為L(zhǎng) 型水平井位布置，氣化的煤炭資源量取決于水平井井段的長(zhǎng)度，大大提高了氣化效率。

圖4 “長(zhǎng)通道、大斷面、兩階段”法 (a)和后退同軸法(b)[31,34]Fig.4 “Long passage,large section,two-stage” method (a) and receding coaxial method (b) [31,34]

3 環(huán)境影響的可控性

3.1 地層塌陷

與傳統(tǒng)采煤技術(shù)不同，UCG 技術(shù)將煤炭原位氣化，氣化過程中，地層圍巖體系決定了氣化的穩(wěn)定性與效率。氣化后，由于煤層頂?shù)装辶W(xué)強(qiáng)度不夠或者煤系較為破碎，地層常常容易發(fā)生塌陷沉降。Y.Derbin等[51]總結(jié)分析了蘇聯(lián)時(shí)期4 個(gè)主要含煤盆地：Angren、Moscow、Donetsk 和Kuznetsk 的地表塌陷和沉降問題。結(jié)果表明，氣化后引起地表最大沉降為0.5～10.0 m。地層塌陷主要受煤層埋深、傾角、煤層厚度、平面展布、灰分產(chǎn)率等多種因素影響。同時(shí)，UCG 還容易造成地表水平位移，雖然減少了最大下沉深度，但增加了受影響區(qū)域的范圍。例如在Kuznetsk 盆地，煤層氣化后地表水平拉伸為220 mm/m，水平壓縮變形為160 mm/m。導(dǎo)致煤炭氣化后地層發(fā)生塌陷的原因非常復(fù)雜，除了煤層本身特性外，圍巖在高溫下的力學(xué)性質(zhì)變化也是非常重要的因素。泥巖等軟弱地層會(huì)使地層塌陷滯后，而灰?guī)r能夠支撐氣化爐空腔使得氣化爐不易坍塌[52]。除去加拿大的Swan Hills 項(xiàng)目外，UCG項(xiàng)目煤層埋深基本小于1 000 m，大部分氣化項(xiàng)目煤層埋深小于600 m，部分先導(dǎo)性試驗(yàn)埋深小于200 m[53]，這導(dǎo)致即使氣化后空腔發(fā)生較小程度的坍塌，也會(huì)反饋至地表形成地面塌陷。

UCG 引起的地層塌陷不僅僅發(fā)生在氣化爐上部區(qū)域，在平面展布上，地層塌陷范圍往往遠(yuǎn)大于氣化爐的規(guī)模。圖5 顯示了氣化后地面的塌陷范圍，以及在點(diǎn)火點(diǎn)附近形成的采空區(qū)、拉伸層和壓縮層，圖中陷落角約為35°。在氣化空腔上部，離層帶的厚度為空腔的1/3，底部拉伸和壓縮層厚度為采煤帶寬度的1/9，頂部拉伸層會(huì)一直延伸到地表，厚度約為煤層厚度的60 倍[2,54-56]。

圖5 UCG 空腔塌陷示意圖[2]Fig.5 Schematic diagram of UCG cavity collapse[2]

UCG 技術(shù)在開發(fā)深部煤炭資源以及早期煤礦開采的遺留煤炭資源方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。但是，煤層埋深越大，地應(yīng)力越大，UCG 開發(fā)后氣化空腔的穩(wěn)定性是制約其深部應(yīng)用的重要因素。深部UCG 開發(fā)后保留空腔，能夠與二氧化碳存儲(chǔ)與捕捉技術(shù)(CCS)聯(lián)合開發(fā)，但是如何維持空腔的穩(wěn)定性是首要解決的問題。地層地應(yīng)力和儲(chǔ)層壓力影響氣化腔的穩(wěn)定性，同時(shí)也決定了氣化的持續(xù)性。原位地應(yīng)力較大時(shí)，頂板原有的力學(xué)強(qiáng)度能夠使煤層在形成較大空腔的狀態(tài)下保持穩(wěn)定。然而，當(dāng)?shù)貙釉械膽?yīng)力狀態(tài)被破壞后，較大地應(yīng)力容易導(dǎo)致氣化空腔坍塌，特別是氣化后期，多個(gè)工作面連續(xù)作業(yè)；同時(shí)，較強(qiáng)的地應(yīng)力容易造成注氣井和產(chǎn)氣井變形等一系列工程問題[57-62]。

3.2 地下水入侵

UCG 開發(fā)過程中，地下水入侵會(huì)導(dǎo)致氣化爐損失大量熱量，是氣化失敗的主要原因之一。因此，氣化選區(qū)與資源評(píng)價(jià)過程中，煤層是否含水和與含水層的距離一直是很重要的參數(shù)指標(biāo)。氣化時(shí)，氣化爐內(nèi)存在大量高壓氣體，只有存在氣體運(yùn)動(dòng)的物理屏障(如覆蓋目標(biāo)煤層的不透水層)時(shí)，才能防止氣體向上運(yùn)移。正確的地質(zhì)選址能減少氣化爐連接到滲透區(qū)或斷層導(dǎo)水帶的可能性[14]。通過保持氣化爐內(nèi)壓力低于周圍地下水壓力，從而控制氣體和氣化副產(chǎn)物的損失，這是UCG 生產(chǎn)過程中環(huán)境控制的必要手段，含水層與煤層的距離限制需要對(duì)不同的氣化煤層做出調(diào)整。氣化爐內(nèi)壓力較儲(chǔ)層壓力更低，在原始狀態(tài)下難以發(fā)生滲透，但高負(fù)壓情況下容易發(fā)生滲透突破，特別是在煤層厚度較大的情況下，200 m 深度通常會(huì)提供大約1.5 MPa的地下水壓力。英國水下采煤安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，任何上覆含水層底部最大誘發(fā)凈拉伸應(yīng)變必須小于10 mm/m。合理設(shè)計(jì)氣化爐的位置和尺寸，可以使燃燒區(qū)上方40 m 處含水層受到的干擾最小[2]。P.L.Younger[2]認(rèn)為，無論氣化空腔的寬度如何，如果煤層有超過60 m的上覆蓋層，則不會(huì)產(chǎn)生超過安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的凈拉伸應(yīng)變。

3.3 環(huán)境污染

UCG 作為一種特殊的煤炭利用新方法，最大程度減少了傳統(tǒng)采煤業(yè)的環(huán)境問題：煤矸石堆放、噪聲、粉塵等一系列地面污染。但是，由于整個(gè)工程發(fā)生在地下，并且僅依靠地層原始發(fā)育狀態(tài)對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行封閉，必然會(huì)導(dǎo)致有害元素不同程度的泄漏，不僅對(duì)地下水產(chǎn)生污染，地面和土壤也會(huì)受到一定程度的影響(圖6)[15,63-64]。

圖6 UCG 不同階段的污染演化[31]Fig.6 Pollution evolution in different stages of UCG[31]

UCG 產(chǎn)生的主要環(huán)境問題是污染地下水源，其過程會(huì)產(chǎn)生大量污染物，包括重金屬和非金屬：銻、砷、鎘、鉻、鈷、銅、鉛、汞、鉬、鎳、硒、釩、鈾和鋅，有機(jī)物：苯、甲苯、乙苯、二甲苯(BTEX)、苯酚和多環(huán)芳烴(包括苯并-a-芘)[65-71]。早期研究和項(xiàng)目試驗(yàn)認(rèn)為：在氣化煤層含水、或者煤層頂?shù)装搴蛘卟糠趾那闆r下，不會(huì)對(duì)整個(gè)氣化進(jìn)程造成嚴(yán)重影響，但是氣化結(jié)束后，地下水會(huì)長(zhǎng)期對(duì)燃燒空腔內(nèi)爐渣進(jìn)行淋濾和沖洗，污染地下水，且難以實(shí)現(xiàn)有效治理。但是，多項(xiàng)研究和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，只要做好相關(guān)的環(huán)境保護(hù)措施，氣化產(chǎn)生的有害元素和污染物不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響。從更廣泛的角度來看，大多數(shù)UCG 工程沒有產(chǎn)生任何重大環(huán)境后果[72]。例如，蘇聯(lián)Kuznetsk 盆地內(nèi)的Yuzhno-Abinsk Podzemgaz 項(xiàng)目，附近地下水中苯酚濃度增加，但增加幅度在當(dāng)?shù)丨h(huán)境政策的允許范圍內(nèi)，氣化腔內(nèi)的苯酚為0.017 mg/L，并且3 個(gè)月后，該數(shù)值低于飲用水中允許的最大濃度[30-31]。歐洲煤炭氣化試驗(yàn)在運(yùn)行期間和運(yùn)行后5 年內(nèi)均沒有發(fā)生環(huán)境污染事件，類似地，澳大利亞Chinchilla 的UCG 試驗(yàn)場(chǎng)也沒有導(dǎo)致地下水污染[72-73]。2010 年5 月Cougar Energy 公司在澳大利亞的Kingaroy UCG 項(xiàng)目附近的一個(gè)監(jiān)測(cè)孔的2 個(gè)樣本中被檢測(cè)到略高于規(guī)定的微量苯，但后續(xù)報(bào)告稱這是一次錯(cuò)誤的檢測(cè)報(bào)告[15]。此外，根據(jù)蘇聯(lián)UCG 試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，污染物存在的時(shí)間很短，2 年后氣化腔附近地下水質(zhì)量即恢復(fù)至安全狀態(tài)[72]。澳大利亞的昆士蘭州東南部Bloodwood Creek 的UCG 試點(diǎn)項(xiàng)目在氣化爐附近抽水形成封閉來防止污染，地下水質(zhì)量逐漸恢復(fù)至原始地層水平[16-17]。

C.W.Mallett[14]借助BIOSCREEN-AT 建模軟件研究了澳大利亞南部Leigh Creek coal UCG 地下水中潛在污染物的濃度分布，主要分析了BTEX、多環(huán)芳烴和苯酚3 種污染物，為了代表這3 種有機(jī)基團(tuán)，選擇了苯、萘和苯酚3 個(gè)最易流動(dòng)的組分。結(jié)果表明：對(duì)于苯，氣化腔內(nèi)的濃度將在38 年內(nèi)低于報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)，在10 年內(nèi)低于苯酚最嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。與合成氣相比，這些化合物密度很高，往往會(huì)留在氣化空腔內(nèi)部。此外，這些環(huán)狀化合物通常不溶于水，因此，它們不太容易溶解在地下水中。但在氣化停止后，地下水進(jìn)入氣化空腔后發(fā)生的滲濾依然會(huì)導(dǎo)致少許溢出，這在歐洲等地區(qū)依舊被視為污染[2]。

UCG 造成的污染問題極大程度制約了該技術(shù)的商業(yè)化，眾多學(xué)者與工程人員對(duì)如何處理這些污染進(jìn)行了深入研究[74-75]。在氣化發(fā)生過程中，煤炭發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的大量有機(jī)、無機(jī)污染物大部分將隨著產(chǎn)出氣運(yùn)移至地表，進(jìn)行二次處理后，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，少部分氣態(tài)污染物如H2S、酚類、氰化物、吡啶化合物，金屬化合物等可能會(huì)沿著氣化爐頂部下陷產(chǎn)生的裂隙系統(tǒng)進(jìn)入地層[76-77]。通過合理的氣化爐選址，保證煤層的頂?shù)装鍨榈蜐B巖層，并且在氣化工藝的設(shè)計(jì)中，合理設(shè)計(jì)煤柱的大小和間距，能夠有效避免產(chǎn)生較大裂隙，從而減少污染物的擴(kuò)散[78]。此外，有學(xué)者提出可以在氣化場(chǎng)地附近施工抽水井，使氣化爐附近形成降壓漏斗來阻礙污染物向外擴(kuò)散[15]，該理念在The Rocky Mountain I、Chinchilla 和Bloodwood Creek 氣化項(xiàng)目中得到應(yīng)用，并被稱為“清潔洞穴概念(Clean Cavern Concept)”，具體實(shí)施為：在氣化期間，保持氣化爐內(nèi)壓力低于周圍地層壓力，最大限度減少熱解產(chǎn)物的逸出，并確保地下水向空腔附近流動(dòng)，氣化后，注入地下水來降低空腔溫度，盡量減少熱解產(chǎn)物的釋放，當(dāng)氣化爐內(nèi)充滿地下水時(shí)，由產(chǎn)氣井向地表泵水，降低污染物濃度[30,33]。對(duì)于不溶于水的部分污染物，學(xué)者也積極嘗試相關(guān)辦法處理，例如通過向氣化爐內(nèi)注入生物制劑或者微生物來對(duì)煤灰煤渣中的有機(jī)污染物進(jìn)行降解[79]，利用該技術(shù)，南非Majuba 項(xiàng)目氣化爐內(nèi)部污染物濃度持續(xù)下降至安全水平[69，80]。

4 煤炭地下氣化的地質(zhì)思考與展望

a.煤炭地下氣化技術(shù)是一種潛在的前景廣闊的煤炭利用新方法，對(duì)于深部煤層、現(xiàn)階段難以經(jīng)濟(jì)開采的煤層、過去遺留煤炭資源的開發(fā)利用，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展對(duì)于緩解我國能源危機(jī)，降低我國能源的對(duì)外依存度，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。特別是在現(xiàn)如今碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的發(fā)展規(guī)劃下，煤炭地下氣化制氫技術(shù)，能夠?qū)⒚禾窟@一高碳的化石能源轉(zhuǎn)化為清潔的氫能源，具有重要的戰(zhàn)略意義和廣闊的市場(chǎng)價(jià)值。

b.經(jīng)過多年的理論研究和先導(dǎo)性試驗(yàn)工程的實(shí)施，各學(xué)者對(duì)煤炭地下氣化的地質(zhì)條件有了較高的共識(shí)，認(rèn)為主要的影響因素為煤質(zhì)和水文地質(zhì)條件及發(fā)育情況，但這些基礎(chǔ)指標(biāo)對(duì)于實(shí)際UCG 的開發(fā)不夠精細(xì)，多數(shù)為針對(duì)特定研究區(qū)的定性評(píng)價(jià)方法，未形成定量完善的體系方法。同時(shí)，針對(duì)我國特殊的地質(zhì)條件，缺乏對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，例如我國南方多薄煤層地區(qū)的UCG 潛力評(píng)價(jià)技術(shù)，尚需考慮到對(duì)鄰近煤層的影響和多層聯(lián)合氣化的可行性分析。

c.基于煤炭地下氣化的地質(zhì)特殊性，針對(duì)不同地質(zhì)條件已經(jīng)研發(fā)出多種工藝，固定注氣法(FGIP)和移動(dòng)注氣法(RGIP)是較為成熟的氣化工藝，已經(jīng)被大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中。但是對(duì)于氣化過程中穩(wěn)定性控制工藝和方法仍需深入研究，提高UCG 的可持續(xù)性和重復(fù)性。我國很多煤田都進(jìn)行過煤層氣勘探開發(fā)，留下了部分產(chǎn)氣量較低或者不產(chǎn)氣的煤層氣低產(chǎn)井。對(duì)煤層氣低產(chǎn)井進(jìn)行改造，開發(fā)出適合煤層氣井的UCG工藝技術(shù)能夠有效降低成本，促進(jìn)UCG 產(chǎn)業(yè)化。

d.氣化過程中，地面塌陷和地下水污染是最主要的環(huán)境問題，不僅影響氣化的運(yùn)行，也制約著UCG 技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。但是隨著開發(fā)深度的增大，地面塌陷的影響越來越小，處于可控制范圍內(nèi)，對(duì)氣化工藝發(fā)展的制約越來越小。迄今為止的氣化項(xiàng)目證明，污染可以被有效控制，進(jìn)一步降低污染控制的成本能夠有效提高UCG 的經(jīng)濟(jì)性。