煤層小構造理論在煤炭地下氣化中的應用

劉龍吉

(陜西天地地質有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

中國必須發展以煤炭清潔化利用為主的能源發展道路，其中如何解決煤直接燃燒產生的高排放，以及如何徹底改變煤礦安全生產的嚴峻形勢，這些都是制約中國可持續發展的瓶頸。因此，應用和推廣安全、清潔、高效的煤炭生產和利用技術刻不容緩。煤炭地下氣化就是將處于地下的煤炭直接進行有控制的燃燒，通過對煤的熱作用及化學作用而產生的可燃性氣體的過程，是集建井、采煤、地面氣化3大工藝為一體的多學科開發清潔能源與化工原料的新技術，它變傳統的物理采煤為化學采煤，只提取煤中含能組分，將灰渣等污染物留在井下，實現了井下無人的生產工藝。

1 問題與成因

1.1 煤炭地下氣化面臨的問題

煤炭地下氣化過程中，保證氣化通道的暢通至關重要，關系到整個單元爐的正常運行。但是，隨著氣化通道的擴展，堵塞問題日益加劇，已嚴重影響到了整個單元爐的正常運行，且定向鉆貫通氣化通道成本過高。因此，在煤炭地下氣化過程中，尋找煤層的主裂隙、科學合理地布置氣化爐，是降低成本，減小事故的一條思路。

為了尋找煤層的主裂隙方向，實驗嘗試過“定向取芯法”、“多孔貫通法”、“多孔修正法”、“鉆孔統計法”等各種探索性方法，但這些方法均是邊建氣化爐邊尋找修正煤層主裂隙方向，缺乏預見性，工作量大，成本高，急需一種新的理論尋找解決爐孔堵塞的方法。

1.2 裂隙的形成原因

煤層的形成受古構造、古氣候、古地理和古環境共同控制，其中，古構造起決定性作用。在煤層沉積過程中，由于古構造造成的古基底凹凸不平，就會形成煤層的高低起伏；而且由于上覆巖層的壓實作用，會使煤層局部擠壓變形，形成小范圍的突起和凹陷(簡稱小構造)。小構造尤其是其軸部，其物理性能低劣、易變、易于發生變性破壞與失穩，節理裂隙比較發育。巖石在受力彎曲時，由于它的成層性，使得它的各部分受力狀況各不相同，褶皺發育早期，向斜核部巖層底面或背斜核部巖層的頂面為引張區，產生垂直于樞紐的張應力，易于形成一對斜向節理和平行于樞紐走向的、楔形的追蹤“X”節理的縱張節理；在向斜核部的巖層的頂面為擠壓區，出現局部垂直于樞紐的擠壓應力，易于形成一對向斜共軛節理和追蹤“X”節理的垂直樞紐走向的鋸齒狀的橫張節理。這些節理相互垂直，成網狀破壞巖層，當通過打鉆、打壓或加溫，節理活化，小構造的軸面處更容易產生裂隙。但是，由于在小構造的核部各構造應力集中，導致該部位不穩定，容易發生坍塌堵塞事故。

2 地下氣化實例分析

2.1 3區貫通

圖1為3區各理論列與實際列對照圖。圖中，理論點火列和理論出氣列均在小構造的脊線處，點火列的方位ZK3#北部為NE30°，ZK3#南部為NE0°和NW96°；理論進氣列避開了東西向復背斜的脊線，理論上防止了打定向鉆塌孔事故。實際生產中，點火列的方位為NE35°，ZK3#北部與理論點火列重合，ZK3#南部與理論點火列相差30°和55°；實際進氣列和出氣列還未確定。

通過貫通各參數分析得出，1#～4#貫通時間為27天，1#～6#貫通時間為11天。運用小構造來解釋各孔間貫通時間不同的原因如下：1#～4#與箱型褶皺西側脊線的夾角小，即與主裂隙方向的夾角小，而1#～6#與箱型褶皺2個主裂隙方向的夾角均較大，且梯度較1#～4#的小，故其貫通阻力大于1#～6#的貫通阻力，所以1#～6#的貫通時間較短。

圖1 3區各理論列與實際列對照圖

2.2 單元爐區貫通

圖2為單元爐區各理論列與實際列對照圖。圖中，理論點火列和理論出氣列均在小構造的脊線處，且點火列所在的脊線的梯度比出氣列的大，點火列的方位為NE35°；理論進氣列避開了東西向復背斜的脊線，理論上防止了打定向鉆塌孔事故。實際生產中，點火列的方位為NE35°，幾乎與理論點火列重合；實際進氣列和出氣列與理論進氣列和出氣列重合。各氣化井貫通時間見表1。

表1 單元爐區各氣化井貫通時間統計表

運用小構造來解釋各孔間貫通時間不同的原因。點火列處于NEN向小向斜的脊線處，且其梯度由西南向東北變大，故21#～20#、20#～15#、15#～19#的貫通時間逐漸縮短；13#～14#位于東西向復背斜北翼的一個從屬小向斜的脊線處，而19#～9#和13#～9#離開了東西向復背斜北翼的從屬小向斜的脊線處，且它們的梯度較13#～14#的小，故它們的貫通時間較長。

6#打壓時，g5#水位上升5～6 m，7#水位上升至地表，8#水位也上升，4#和水2#漏氣。運用小構造理論來解釋如下：4#、6#、7#、8#和g5#位于復雜向斜的核部，構造應力集中且復雜，裂隙發育多且方向各異，導致6#打壓，周圍井出現水位上升和漏氣現象。

圖2 單元爐區各理論列與實際列對照圖

2.3 單元爐區氡異常值發展趨勢

圖3為單元爐氡異常值分布圖。在圖中可以看出，氡異常值基本分布在前述預測的理論裂隙方向上，特別是11月份2次的氡異常值的發展趨勢，基本上是沿著理出1和理裂1進行，成功預測了8#～22#形成第二氣化通道。

圖3 單元爐區氡異常值分布圖

2.4 定4井加壓造成各孔漏氣

11月12日，定4#加壓后，7#、8#、27#、28#、19#和31#出現了漏氣現象。從圖2中看出，這些孔均位于理進1的附近，在這里，裂隙比較發育，且裂隙方向不定，定4#加壓后，氣體會沿著裂隙流到個孔，造成漏氣現象。

2.5 用小構造理論成功預測堵塞現象

10月24日預測了21#、22#、23#和26#可能會堵塞。11月1日，23#加高壓但無法進氣，發生堵塞事故，11月14日，21#出現堵塞事故。

3 單元爐堵塞分析及對策

3.1 單元爐堵塞事故的分析

單元爐堵塞有2種可能：①爐孔(或爐孔周圍)堵塞；②是爐孔之間堵塞。筆者認為是爐孔堵塞。因為9#、13#、15#、19#、21#和23#都處在堵塞狀態，如果是通道堵塞的話，處于它們之間通道上的20#不可能至今運行非常正常。

地質角度分析：單元爐9#、13#、15#、19#、21#、22#、23#和26#均處在小構造的核部，在這些部位，各構造應力比較集中且復雜，地質條件不穩定，當由于壓力、溫度影響和形成燃空區后，構造應力發生異常，容易發生局部塌孔現場，造成堵塞事故。

化學角度分析：出氣孔在孔底的溫度達600～800 ℃，而到孔口處已降至100 ℃左右，氣體在向上傳輸過程中存在著溫度差；出氣孔輸出的氣體中含有煤焦油，在向上運移過程中，由于溫度的降低，使得煤焦油粘結著灰渣粉附著在井壁上，并向下流動，時間久了，容易在出氣孔中下部及孔底形成錐狀粘結物，堵塞孔底。常態下，褐煤在水中容易發生泥化反應，即煤轉化為沒有裂隙、柔軟的泥，容易淤塞。但是，上述2種分析均無法解釋20#為何至今運行正常。

小構造理論解釋：單元爐堵塞主要是爐孔堵塞，且主要是由于在各構造應力比較集中和復雜的區域，地質條件不穩定，當由于壓力、溫度影響和形成燃空區后，構造應力發生異常，容易發生局部塌孔現象，造成堵塞事故。

3.2 防爐孔堵塞對策

爐孔布置：爐孔應布置在小構造預測的煤層裂隙兩側，這樣既可以加快通道貫通，還可以防止爐孔堵塞。

通道寬度：嚴格控制點火列和出氣列的通道寬度，防止通道過寬導致塌孔和堵塞事故。

出氣列位置：在嚴格控制點火列通道寬度的條件下，對換原出氣列和進氣列的位置，使出氣列處在一個構造應力相對穩定的區域，保證氣化通道的暢通。

爐孔進出氣方向：出氣井不要長時間處于出氣狀態，應周期性地進氣和出氣，沖掉孔底的堆積物。

4 結論

(1)小構造理論可以正確地預測煤層裂隙發育方向及發育程度。

(2)煤炭地下氣化過程中，沿小構造預測的煤層裂隙方向氣化貫通更快。

(3)在各構造應力比較集中和復雜的區域，地質條件不穩定，當由于壓力、溫度影響和形成燃空區后，構造應力發生異常，容易發生局部塌孔現場，造成單元爐堵塞事故。

(4)利用小構造理論布置爐孔，可以減少定向鉆及三維地震的工作量，降低煤炭地下氣化的成本。