吳 蒙，秦云虎，李國(guó)璋，申 建，宋雪娟，朱士飛，韓 磊

(1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221006；2.中國(guó)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 221008； 3.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016；4.徐州工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

0 引 言

煤炭地下氣化是通過熱作用和化學(xué)作用，將煤炭從高分子的固態(tài)形式轉(zhuǎn)變成低分子的氣態(tài)形式，集開采、氣化、脫硫、除塵于一體，以氣體形式輸出地面[1-3]。其實(shí)質(zhì)是提取煤中含能組分(主要為CO、H2和CH4)，把傳統(tǒng)的物理采煤轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)采煤[4-5]。該方法與傳統(tǒng)的物理采煤方法相比，實(shí)現(xiàn)了廢棄礦井內(nèi)遺棄煤炭的回收利用[6-7]，降低了因采煤引發(fā)的地表塌陷、礦井坍塌、透水等事故[8]，節(jié)約了開采、運(yùn)輸、洗選、加工、轉(zhuǎn)化設(shè)備等成本[9]，提高了煤炭資源利用率[10]，避免了固、液、氣排放地面造成的環(huán)境污染[11]，但可能污染地下水和破壞生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定[12]?；诖耍澜绺鲊?guó)相繼開展半工業(yè)化、工業(yè)化的煤炭地下氣化試驗(yàn)[9,13]。其中，試驗(yàn)效果不理想的原因主要受煤層賦存條件、煤層煤質(zhì)、構(gòu)造活動(dòng)等地質(zhì)因素以及氣化過程的穩(wěn)定性、氣化反應(yīng)的強(qiáng)度、氣化劑組分等工藝因素的共同影響[5]。同時(shí)，氣化煤層的不可視，氣化過程的不可控和技術(shù)條件的限制共同影響著煤炭地下氣化可行性評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性[14-15]。為此，筆者基于國(guó)內(nèi)外煤炭地下氣化文獻(xiàn)及報(bào)道，分析了煤炭地下氣化影響因素及評(píng)價(jià)方法，以期為煤炭地下氣化早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化提供一定的理論參考。

1 煤炭地下氣化原理

煤炭地下氣化包括一系列連續(xù)、復(fù)雜的物理化學(xué)過程，根據(jù)煤層溫度、主要化學(xué)反應(yīng)及煤氣成分的不同，將氣化過程沿著氣化通道劃分出氧化區(qū)、還原區(qū)和干餾干燥區(qū)[14]。一般而言，3個(gè)區(qū)域的劃分是根據(jù)氣化通道中氧化、還原和熱解反應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)弱程度，沒有明顯的界限。從進(jìn)氣孔鼓入氣化劑(有效組分：H2O和O2)，燃燒的煤層遇到O2產(chǎn)生CO2，并伴隨大量的熱量釋放，使周圍的煤層處于高溫狀態(tài)，為氣化反應(yīng)儲(chǔ)存能量。緊鄰氧化區(qū)的是還原區(qū)，該區(qū)主要是熾熱的煤炭與CO2反應(yīng)產(chǎn)生CO，與水蒸氣反應(yīng)生成CO、H2等氣體，吸熱反應(yīng)。還原區(qū)之后是干餾干燥區(qū)，煤層發(fā)生熱解、干燥脫水等，伴隨著揮發(fā)分(H2O、H2、CO2、CO、C2H6、CH4、焦油和液體)析出[16]。從氧化區(qū)到還原區(qū)，再到干餾干燥區(qū)氣化通道中的溫度逐漸降低，最后產(chǎn)生含可燃成分的煤氣(圖1)。

圖1 煤炭地下氣化過程示意Fig.1 Schematic diagram of underground coal gasification process

按照地下氣化爐施工方式的不同，可以分為有井式、無井式和綜合式。地下氣化的物質(zhì)基礎(chǔ)為地下氣化爐，包括進(jìn)氣孔、出氣孔、氣化通道和氣流通道4個(gè)要素[17]。其中，有井式多為淺部人工開采的巷道(采煤礦井或廢棄礦井)，具有氣化通道大、建設(shè)成本低、生產(chǎn)規(guī)模大、氣化成本低、可回采殘留地下煤柱等優(yōu)點(diǎn)。但是較大的地應(yīng)力和較高的地溫制約開發(fā)深部煤炭資源[18]。無井式多用于中深部煤層，以鉆井方式形成的氣化通道，建設(shè)工藝簡(jiǎn)單、周期短，可用于水下及深部煤層氣化。但是氣化通道相對(duì)較窄，生產(chǎn)規(guī)模小且成本較高[19]。因此，適合的氣化通道類型需要綜合考慮煤層賦存情況、礦山地質(zhì)條件、煤層厚度、煤層間距和煤質(zhì)情況等因素[12]。

2 地質(zhì)影響因素

煤炭地下氣化效果與煤層、水文、圍巖等地質(zhì)特征密切相關(guān)[20]。煤炭地下氣化能否成功的先決條件是氣化爐選址[21]。其中，資源條件是煤炭地下氣化合理性和穩(wěn)定性的前提[22]。氣化過程和環(huán)境受巖體結(jié)構(gòu)、地下水、原地應(yīng)力、燃燒洞穴和氣化熱效應(yīng)共同影響[23]。

2.1 煤層賦存特征

煤層賦存特征是氣化反應(yīng)空間的決定性指標(biāo)[22]，包括煤層厚度、埋深和傾角[24]。參照國(guó)內(nèi)外煤炭地下氣化工程項(xiàng)目，煤層厚度介于1.5～15.0 m，地下氣化熱量可以影響到的煤層范圍約35.0 m[25]。煤層厚度決定了氣化后獲得煤氣熱值的高低[26]。厚煤層自身不僅可以作為隔熱層，減少熱量的散失，氣化后的灰渣也可以大幅降低熱量向底板方向傳遞。相反，薄煤層熱量容易被圍巖吸收，使氣化盤區(qū)升溫緩慢，煤炭氣化率降低[27]。煤層厚度要求隨煤變質(zhì)程度升高而降低，褐煤厚度至少在2.0 m以上，煙煤、無煙煤最小保證0.8 m，并且厚煤層中的夾矸層和煤層厚度之比應(yīng)小于0.5，單層夾矸層的厚度最大不應(yīng)超過0.5 m[28]。

國(guó)內(nèi)成功進(jìn)行煤炭地下氣化試驗(yàn)的工程埋深為100～500 m[29]。淺部煤層地下氣化壓力低，熱量損失大，煤氣質(zhì)量差，并可能造成地表熱害、地下水污染和地表沉降的風(fēng)險(xiǎn)[21]。隨煤層埋深增大，地層壓力升高，圍巖孔隙度、滲透率降低，可以有效降低氣化劑和煤氣的散失[30]。深部煤炭地下氣化可以顯著降低地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，煤氣中的CH4含量隨著地層壓力升高而持續(xù)增加，進(jìn)而改善煤氣質(zhì)量[31]。然而，煤層埋深越深，地下氣化需要大幅提高地質(zhì)探勘和工藝技術(shù)水平[29]。

一般情況下，適合煤炭地下氣化的煤層傾角處于0°～70°[29,32]。雖然傾角較小的煤層，燃空區(qū)頂板容易塌陷，阻礙氣化過程[33]，但是國(guó)外地下氣化試驗(yàn)煤層傾角多小于10°，同時(shí)，最佳氣化傾角(35°)可以避免燃燒后灰渣掉落產(chǎn)成的影響[33-34]。傾角較大的煤層，雖然有利于氣化，但易引起鉆井事故[35]，且對(duì)氣化爐的選址要求較高[36]。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

影響煤炭地下氣化的主要地質(zhì)構(gòu)造類型包括斷層、陷落柱、褶皺和巖漿侵入。

斷層和陷落柱破壞煤層的穩(wěn)定性和連續(xù)性，進(jìn)而影響煤炭地下氣化過程[37]。深部煤層上覆巖層厚度可達(dá)數(shù)百米，因此其氣化密封性較好，然而也要避開較大的斷層和天然裂縫[38]。氣化盤區(qū)周圍留有足夠厚度的隔離煤柱，滿足斷層斷距小于1/2平均煤層厚度，與斷距大于煤層厚度的斷層保持50～250 m[19]。氣化煤層的褶曲幅度不應(yīng)超過煤層厚度的一半，否則會(huì)影響燃控區(qū)的穩(wěn)定性和氣化劑的流通性[28]。

巖漿侵入容易破壞煤層結(jié)構(gòu)及連續(xù)性，增加煤中灰分，加之?dāng)鄬优c圍巖裂隙帶作為導(dǎo)水通道，容易造成基巖水和煤氣泄漏[27]。因此，氣化選址應(yīng)該避開巖漿侵入[5,27]。

2.3 煤階與煤類

煤巖的變質(zhì)程度影響著地下氣化爐圍巖變形、應(yīng)力分布及地表沉降[39]。黏結(jié)性較強(qiáng)的煙煤雖然可以有效控制氣化盤區(qū)巖體移動(dòng)，減少地表沉降，但在氣化過程中會(huì)產(chǎn)生膠質(zhì)物質(zhì)使煤粒黏結(jié)，阻礙氣化反應(yīng)[27,39-40]。隨著煤化程度的逐步升高，氣化殘焦浸泡后釋放的TOC和氨氮含量逐漸減少[3]，酚類有機(jī)物含量逐漸降低，單環(huán)芳香烴含量逐漸升高[41]。

梁杰等[12,17,42]研究不同煤類在空氣氣化條件下的煤氣組分和氣化特征(圖2)，發(fā)現(xiàn)隨著煤化程度增強(qiáng)，煤氣組分中CO含量不斷升高，H2含量降低，CH4含量先升高后降低。煤氣中可燃組分呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，氣肥煤最高達(dá)28.50%。氣化過程中，氣煤、肥煤和瘦煤燃燒后煤渣堆積，氣流不暢，不利于氣化盤區(qū)煤炭燃燒[22,42]。與煙煤相比，褐煤孔隙發(fā)育，氣化活性高、速率快[42]。

圖2 空氣氣化不同煤階煤氣組分特征(數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[12,17,42])Fig.2 The composition characteristics of different coal grades in air gasification(from data in references[12,17,42])

2.4 煤 質(zhì)

煤層中水分影響著氣化劑的供應(yīng)。水分較少時(shí)，水蒸氣受熱分解，可以增加煤氣中H2含量；相反，水分過高時(shí)，水的分解、相變需要消耗大量的熱量，氣化效率降低，影響煤氣質(zhì)量[29,43]。煤層中揮發(fā)分較低(<20%)影響煤層的點(diǎn)火過程和持續(xù)燃燒的氣化過程，難以降低煤炭地下氣化運(yùn)行成本[29]。煤炭氣化產(chǎn)生的灰分附著于煤層表面，阻礙氣化劑與煤層接觸而降低氣化反應(yīng)速率，其中灰分為10%～25%時(shí)，有利于煤層持續(xù)氣化[22]。

當(dāng)固定碳FCdaf<62%時(shí)，煤氣中CH4含量隨著固定碳含量的增加而降低；當(dāng)FCdaf>62%時(shí)，煤氣中CH4含量隨著固定碳含量的增加而升高。煤氣中CO2含量隨著固定碳含量增加而降低(圖3a)；當(dāng)FCdaf<67%時(shí)，煤氣熱值隨著固定碳含量增加而減小，當(dāng)FCdaf>67%時(shí)，煤氣熱值隨固定碳含量增加而增大(圖3b)。固定碳含量較高，其煤化程度較高或煤階較低但富含惰質(zhì)組，煤炭氣化效果均不甚理想。若芳香化程度也越高，在氣化過程中，煤中的芳香化結(jié)構(gòu)可部分裂解成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的環(huán)狀結(jié)構(gòu)[47]。

圖3 固定碳、灰分與煤氣組分、煤氣熱值之間的關(guān)系[42,44-51] Fig.3 Relationship between fixed carbon,ash content,gas composition and gas heating value[42,44-51]

煤中灰分產(chǎn)率與固定碳含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，可以此間接判斷與煤氣組分中CH4、CO2的關(guān)系。隨著煤中灰分產(chǎn)率的增加，煤氣中CH4含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，而CO2含量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)(圖3c)。煤氣熱值隨著灰分的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)(圖3d)。煤層中適量的灰分Ad(20%

2.5 水文地質(zhì)條件

少量地下水涌入氣化盤區(qū)可以維持最佳氣化反應(yīng)，改善煤氣質(zhì)量；過量地下水涌入則會(huì)導(dǎo)致氣化爐溫度降低，氣化過程減弱[52]。同時(shí)，地下水量越大，地下水流動(dòng)方向與煤層傾向越接近，煤炭地下氣化選址要求越苛刻[53]?；诖?，褐煤允許進(jìn)水量0.3～1.0 m3/t，煙煤允許進(jìn)水量0.7～1.5 m3/t[19]。

地下氣化反應(yīng)后，地下水淋濾、滲透作用可使灰渣中富含的硫酸鹽、苯、酚、多環(huán)芳烴和重金屬等污染物發(fā)生遷移，污染下游含水層，影響時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)10 a[54-55]。還有部分污染物在氣化過程中向地層四周擴(kuò)散、冷凝，再經(jīng)過巖石裂隙擴(kuò)散至鄰近含水層，引起地下水pH值改變，破壞地下水化學(xué)平衡[55]。水文地質(zhì)條件也決定著水相污染物的傳輸速率[56]。因此，煤炭地下氣化爐關(guān)閉后，必須用清水清洗燃燒空腔，防止反應(yīng)產(chǎn)物向周圍地層擴(kuò)散[5]。

目標(biāo)氣化煤層與頂、底板含水層之間有隔水層隔開，頂板隔水層的厚度要滿足即使頂板塌陷后也不破壞隔水層的隔水功能，底板隔水層的厚度應(yīng)保障底板含水層不會(huì)被加熱[12,27]。煤層頂板隔水層厚度不應(yīng)小于煤層頂板裂隙帶發(fā)育高度的1.5倍，預(yù)留煤柱寬度不低于5.0 m[57]。氣化煤層底部有承壓含水層存在時(shí)，應(yīng)當(dāng)評(píng)價(jià)煤層底板隔水層的安全性，底板隔水層能承受的水頭值應(yīng)大于承壓含水層水頭值[5]。

2.6 圍 巖

煤層頂?shù)装宄Ｒ詽B透性較差的泥巖和粉砂巖為主，含水層之下的煤層進(jìn)行地下氣化需要兼顧圍巖導(dǎo)水裂隙和氣化爐參數(shù)[58]。若圍巖孔隙度、滲透率較大，氣化爐密閉性容易遭到破壞[53]，并且氣化煤氣和灰渣中多種有機(jī)污染物易沿著圍巖孔裂隙進(jìn)入含水層而污染地下水[52]?；诖?，氣化盤區(qū)內(nèi)煤層與頂、底板巖層的滲透率之比應(yīng)大于10[59]。以實(shí)際工程地質(zhì)條件為背景，結(jié)合溫度-應(yīng)力耦合條件下的燃空區(qū)擴(kuò)展計(jì)算模型，對(duì)煤層燃燒過程燃空區(qū)溫度場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的演化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)煤層燃燒釋放的熱量在上覆巖層傳導(dǎo)和影響的范圍大約為19.0 m[60]，燃空區(qū)覆巖裂隙帶發(fā)育的高度最大為28.0 m[61]。在不考慮氣化反應(yīng)、燃空區(qū)的擴(kuò)展及巖層頂板垮落等的理想條件下，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)地下氣化傳熱過程進(jìn)行模擬，認(rèn)為氣化熱量從煤層中心向上覆巖層影響的區(qū)域約為35.0 m[25]。因此，煤層頂板厚度需要考慮氣化煤層距離含水層的距離、煤層厚度和燃燒條件下頂板巖層三帶發(fā)育高度。同時(shí)，足夠厚度的圍巖可以防止氣化熱量的散失，以保障煤炭地下氣化順利進(jìn)行[5]。

3 工藝影響因素

煤炭地下氣化除了受煤層賦存特征、煤巖煤質(zhì)、頂?shù)装鍘r性等地質(zhì)條件影響，還受氣化劑組成、氣化劑流速和操作壓力等工藝技術(shù)影響[20-21]。同時(shí)氣化溫度、氣化劑類型、供應(yīng)速率和煤層涌水量等決定著氣化過程穩(wěn)定性和氣化盤區(qū)擴(kuò)展速率[22,62]。

3.1 溫 度

煤炭地下氣化工作面長(zhǎng)度以及“三區(qū)”分布受氣化溫度影響[16]。溫度太低，氣化反應(yīng)差甚至不反應(yīng)，溫度太高，煤灰熔融，黏附在煤壁上，影響氣化效果[47]。利用相似材料模擬烏蘭察布褐煤頂板泥巖，將煤樣制成邊長(zhǎng)40 cm的立方體煤塊置于氣化爐模擬地下氣化過程中頂板溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)擴(kuò)展情況，發(fā)現(xiàn)在氧化區(qū)培育階段和氣化階段，煤層溫度場(chǎng)沿通道軸向平均擴(kuò)展速率分別為0.018 0、0.028 9 m/h，頂板熱應(yīng)力場(chǎng)沿通道軸向擴(kuò)展速率分別為0.015 m/h和0.027 m/h[63]。還原區(qū)處于高溫狀態(tài)，干餾干燥區(qū)保持低溫狀態(tài)，縮小“三區(qū)”溫度場(chǎng)的溫度梯度，可以顯著改善煤氣質(zhì)量[15,64]。縮短干餾干燥帶可以減少含硫自由基的分解量和H2含量，從而降低煤氣中H2S含量[49]。900～1 200 ℃還原灰分中Cr和Se對(duì)環(huán)境安全構(gòu)成高風(fēng)險(xiǎn)，氧化灰分和殘留物中有害元素對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)較低，因此溫度選擇可為氣化后期控制和處理殘?jiān)峁┛茖W(xué)依據(jù)[65]。

一般情況下，1 t煤經(jīng)過地下氣化可以產(chǎn)生合成氣1 490～2 470 m3，熱值4 187～7 117 J/m3[66]。褐煤在低溫?zé)峤怆A段(400～500 ℃)主要進(jìn)行脫氣和脫水，各污染物析出量較少，吸收液(去離子水吸收熱解氣后的溶液)呈酸性(pH<7)；中、高溫(T>550 ℃)熱解過程中，煤塊內(nèi)部發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生NH3和CH4，吸收液呈堿性(pH>7)[15]。煤炭地下氣化氧化區(qū)的溫度可以達(dá)到1 000 ℃以上，高溫改變煤層附近巖石結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性，致使煤炭?jī)?nèi)部微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，微裂紋聚合貫通，形成斷面，裂紋體積增大[61]。

3.2 氣化劑類型與組成

趙娟等[49]基于燃燒區(qū)和溫度場(chǎng)穩(wěn)定后，保持涌水量、進(jìn)氣量分別為12 L/h、18 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)工況下)的情況下，進(jìn)行不同氧氣體積分?jǐn)?shù)的富氧空氣和O2/CO2地下氣化模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)褐煤采用O2/CO2氣化工藝時(shí)能夠抑制地下氣化過程中CO2的生成[47]，增加有用組分，且有利于溫度場(chǎng)向氣化通道煤層頂板方向推進(jìn)，從而提高煤層氣化率和煤氣產(chǎn)量[49]?？諝庾鳛闅饣瘎r(shí)爐內(nèi)溫度普遍較低，最高溫度在900 ℃左右[43]；富氧空氣中O2體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，煤層最高溫度可達(dá)1 200 ℃[47]。富氧/水蒸氣中的水蒸氣既控制著氣化溫度，又能夠提高煤氣中氫氣含量[43]。相同熱值條件下，富氧/CO2較富氧空氣地下氣化可以使煤炭燃煤量降低40%左右[67]。低富氧條件下，富氧/CO2會(huì)降低氣化爐溫度，氣化反應(yīng)性降低，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)大于60%，接近80%時(shí)，氣化爐內(nèi)溫度迅速升高[26]。

鼓風(fēng)量的大小影響溫度場(chǎng)分布，水蒸氣供給量影響氣化反應(yīng)和煤氣質(zhì)量。采用富氧空氣/水蒸氣兩階段氣化工藝模擬鶴壁中等揮發(fā)分低硫煙煤地下氣化試驗(yàn)，經(jīng)過4次鼓風(fēng)蓄熱、氣化后發(fā)現(xiàn)鼓風(fēng)量為20 m3/h時(shí)，煤層升溫最快，有利于高溫溫度場(chǎng)的快速形成，水煤氣中H2體積分?jǐn)?shù)最高可以達(dá)到80.59%，熱量最高為12.91 MJ/m3[42,48]。富氧/CO2中的CO2可以減慢煤層的氣化速度，延長(zhǎng)燃燒時(shí)間，使地下氣化全面展開[67]。同時(shí)高含量CO2可以延長(zhǎng)褐煤氣化時(shí)間，使?fàn)t內(nèi)溫度場(chǎng)向煤層頂板方向分布[49]。

根據(jù)前人[12,42,47,49,68]提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步分析空氣氣化、純氧/水蒸汽、富氧空氣和富氧/CO2對(duì)褐煤地下氣化效果(圖4)?？諝鈿饣竺簹庥行ЫM分中CO體積分?jǐn)?shù)為3.50%～3.52%，平均為3.51%，H2體積分?jǐn)?shù)為16.15%～16.20%，平均為16.18%，CH4體積分?jǐn)?shù)為3.50%，煤氣熱量為3.90～4.00 MJ/Nm3(標(biāo)況)，平均為3.95 MJ/Nm3(標(biāo)況)。純氧/水蒸汽氣化后煤氣中CO體積分?jǐn)?shù)為28.07%，H2體積分?jǐn)?shù)為41.68%，CH4體積分?jǐn)?shù)為3.17%，煤氣熱量為9.64 MJ/Nm3(標(biāo)況)。氧氣含量在30%～80%的富氧空氣氣化后煤氣組分中CO體積分?jǐn)?shù)為10.82%～26.47%，平均為17.86%，H2體積分?jǐn)?shù)為17.66%～30.42%，平均為23.60%，CH4體積分?jǐn)?shù)為0.91%～1.21%，平均為1.05%，煤氣熱量為4.00～7.75 MJ/Nm3(標(biāo)況)，平均為5.69 MJ/Nm3(標(biāo)況)。氧氣體積分?jǐn)?shù)在30%～90%之間的富氧/CO2氣化后煤氣組分中CO為3.51%～26.98%，平均為14.51%，H2體積分?jǐn)?shù)為6.18%～30.33%，平均為19.67%，CH4體積分?jǐn)?shù)為0.47%～9.28%，平均為1.89%，煤氣熱量為1.40～14.96 MJ/Nm3(標(biāo)況)，平均為5.66 MJ/Nm3(標(biāo)況)。

氧氣含量不僅控制著煤炭氧化反應(yīng)，也影響著還原反應(yīng)、分解反應(yīng)以及物理干燥等進(jìn)行程度。趙各莊煤礦煙煤進(jìn)行地下氣化模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著氣化劑中氧氣含量升高，焦油產(chǎn)率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在純氧氧氣條件下，煤氣組分中焦油主要以多環(huán)芳烴的形式存在[50]。

4 煤炭地下氣化評(píng)價(jià)方法

煤炭地下氣化的可行性和安全性是實(shí)現(xiàn)煤氣化產(chǎn)量的前提[57]。氣化煤量、合成氣熱值和日產(chǎn)氣量可以作為判斷煤炭地下氣化效果，評(píng)價(jià)地下氣化可持續(xù)能力、商業(yè)價(jià)值和產(chǎn)出效果的重要指標(biāo)[5]。資源稟賦、選址評(píng)價(jià)和環(huán)境安全受地下氣化地質(zhì)因素影響[5]。因此，地質(zhì)選址是煤炭地下氣化項(xiàng)目規(guī)劃、規(guī)?；€(wěn)定生產(chǎn)及地下水污染防治的保障條件和先決條件。

從煤炭?jī)?chǔ)量、煤層條件、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、頂?shù)装鍘r性穩(wěn)定性、煤種、煤質(zhì)等多個(gè)角度，圍繞氣化爐建設(shè)、穩(wěn)定氣化和環(huán)境影響進(jìn)行全面評(píng)價(jià)[69]。首先，資源評(píng)價(jià)是決定地下氣化能否進(jìn)行的前提，包括煤炭?jī)?chǔ)量、煤層條件、水文地質(zhì)條件等因素[22]。煤層厚度與氣化煤氣熱值呈現(xiàn)正相關(guān)性，當(dāng)氣化煤層煤階較低時(shí)，則要求煤層厚度要大[16]。水文地質(zhì)條件包括地下水賦存特征、氣化煤層的用水量、距離含水層的遠(yuǎn)近和隔水層的效果[16,19]。其次，選區(qū)評(píng)價(jià)可以有效降低氣化煤層隨時(shí)間和空間的移動(dòng)，燃控區(qū)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等特征場(chǎng)在煤層擴(kuò)展后發(fā)生冒頂、漏水等事故，影響煤炭氣化過程[70]。煤炭地下氣化區(qū)域進(jìn)行普通勘查及詳查外，還需根據(jù)地下氣化的要求，補(bǔ)充鉆井勘查，以獲取更詳盡的煤層水文地質(zhì)條件，為成功的選區(qū)決策提供依據(jù)[71]。再次，工程技術(shù)評(píng)價(jià)通過選擇合適的氣化工藝或技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氣化生產(chǎn)規(guī)?；?，產(chǎn)氣安全、連續(xù)、穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)技術(shù)低成本等[70]。最后，環(huán)境安全評(píng)價(jià)包括氣化煤層在氧化、還原和干餾過程中，產(chǎn)生的有機(jī)及無機(jī)污染物向周圍地質(zhì)體中遷移，能否造成環(huán)境的嚴(yán)重污染[5]。其中，資源評(píng)價(jià)和選區(qū)需要重點(diǎn)考慮地質(zhì)構(gòu)造、地下水、煤質(zhì)、煤階、煤層賦存條件等地質(zhì)因素[27]。為確保氣化過程中(潛在)污染物對(duì)地下環(huán)境破壞最小[61]，還需加強(qiáng)氣化劑類型、污染物防治等工藝的投入與研發(fā)，實(shí)現(xiàn)煤炭地下氣化安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，我們必須深刻認(rèn)識(shí)到地下氣化過程涉及到巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈(圖5)。一旦污染物以氣體或液體形式滲透到含水層，污染地下水，將導(dǎo)致巖石圈、生物圈和大氣圈發(fā)生不同程度的破壞，進(jìn)而破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 煤炭地下氣化地質(zhì)條件、工藝與環(huán)境的關(guān)系[5,71-72] Fig.5 Relationship between geological conditions,technology and environment of underground coal gasification[5,71-72]

近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)內(nèi)蒙古、甘肅、天津和貴州等礦區(qū)開展煤炭地下氣化可行性的定性、定量評(píng)價(jià)。煤炭地下氣化的定量評(píng)價(jià)是建立在指標(biāo)數(shù)值化的基礎(chǔ)上[22,38]，可以利用“灰色預(yù)測(cè)”理論預(yù)測(cè)氣化爐的狀態(tài)[73]，也可以利用模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合層次分析法完成地下氣化可行性評(píng)價(jià)[74]。其中二級(jí)模糊綜合評(píng)判法能夠克服片面評(píng)價(jià)無井式煤炭地下氣化的地質(zhì)條件，可以較好地服務(wù)選址決策[75]。尹振勇[71]、趙岳[29]采用多層次模糊數(shù)學(xué)方法構(gòu)建了煤炭地下氣化可行性評(píng)價(jià)模型，完成了地下氣化有利區(qū)的劃分。黃溫鋼等[43]基于綜合層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法和變權(quán)等數(shù)學(xué)方法建立了地下氣化可行性變權(quán)-模糊層次綜合評(píng)價(jià)模型，可以直觀地反映出研究區(qū)在資源、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和能耗等方面的具體表現(xiàn)。以綜合計(jì)算法為基礎(chǔ)，結(jié)合平衡反應(yīng)計(jì)算法相關(guān)理論，考慮地下氣化過程中瓦斯涌出、地下水滲入、工作面采出率、圍巖散熱和煤氣泄漏等因素的影響，構(gòu)建出更高準(zhǔn)確度的可行性評(píng)價(jià)模型?；谠u(píng)價(jià)方法可以精準(zhǔn)反應(yīng)煤炭地下氣化潛力的實(shí)際情況。評(píng)價(jià)參數(shù)層次化以確立影響煤炭地下氣化的主要因素、次要因素，評(píng)價(jià)方法可以滿足對(duì)評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比、評(píng)判和賦值，該過程需要緊密結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況、已有地質(zhì)資料和相關(guān)研究成果，建立數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，量化煤炭地下氣化潛力，將評(píng)價(jià)參數(shù)整理、按照數(shù)值將研究區(qū)煤炭地下氣化開發(fā)潛力劃分幾類有利區(qū)及不利區(qū)等[71]。同時(shí)，重視和完善“一票否決”，能夠?yàn)槊禾康叵職饣?xiàng)目前期相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)和選擇提供理論參考[76]。煤炭地下氣化的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、資源評(píng)價(jià)和選區(qū)評(píng)價(jià)，再結(jié)合戰(zhàn)略規(guī)劃，以保障地下氣化爐的動(dòng)態(tài)安全性、密封性[5,10]，最終為煤炭地下氣化順利進(jìn)行提供理論指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

1)適宜地下氣化的煤層滿足厚度大于2 m、傾角小于70°，阻水隔熱的頂?shù)装?，避開地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域。

2)地下氣化煤氣組分受煤階、煤質(zhì)和煤層含水性等地質(zhì)因素以及氣化壓力、溫度和氣化劑類型等工藝因素共同影響?？諝鈿饣瘲l件下，隨著煤化程度增強(qiáng)，煤氣組分中CO含量升高，H2含量降低，CH4含量先升高后降低。煤氣熱值和煤氣中CH4含量隨著固定碳含量增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，隨著灰分產(chǎn)率增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。CO2含量與固定碳含量、灰分產(chǎn)率均表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。氣化溫度和氣化劑類型既影響著產(chǎn)氣效率、煤氣質(zhì)量及污染物種類與含量，又可使圍巖破裂、污染地下水，乃至破壞生物圈、大氣圈、水圈和巖石圈生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3)煤炭地下氣化評(píng)價(jià)方法貫穿于資源與選區(qū)評(píng)價(jià)、工程技術(shù)評(píng)價(jià)、環(huán)境安全評(píng)價(jià)的全過程，同時(shí)，加強(qiáng)完善“一票否決”，可使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確。