準東地區煤炭氣化地質評價與有利區預測

尹振勇，許 浩*，湯達禎，陳艷鵬，趙天天

(1.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083; 2.中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

煤炭地下氣化是將氣化劑注入煤層，控制煤層燃燒生成CO和H2等可燃氣體，然后用鉆孔將氣體輸送到地表的環保開采技術[1-3]，主要包括以下幾個過程：前期勘探技術、地下建爐技術、氣化控制技術、氣化煤氣處理技術及工業原料合成技術[4-6]，而地質條件評價則是決定煤炭地下氣化工程可行性的重要保證[7]。影響煤炭地下氣化的地質條件主要包括以下幾種：構造地質和水文地質條件、灰分及揮發分、煤級、氣化煤層厚度和展布、煤層頂底板巖性[8-9]。劉淑琴等[4]探討了煤炭儲量、煤層埋深、厚度以及構造和水文條件等對選址影響。趙岳等[7]通過對江蘇省朱寨的地質條件進行分析，通過多層次模糊數學方法，定性定量分析了影響研究區選址的地質因素，結果可為研究區提供參考。

準噶爾盆地東部(準東)地區區域遼闊、煤炭儲量豐富且煤的燃點比較低、燃燒充分，是良好氣化用煤[10-11]，迄今為止，中外學者對準東地區煤炭地下氣化的地質因素研究較少，優選有利氣化區域的工作尚未開展。故在前人研究基礎上，綜合中外最新的研究成果，對準東地區開展煤炭地下氣化有利區優選。首先從地質構造、煤層厚度、埋深、煤巖煤質、煤層頂板巖性及水文地質條件等方面出發，探究準東煤層地下氣化地質條件的可行性，其次，應用多層次模糊數學的方法，根據煤炭地下氣化地質條件的模糊性和確定性兩條主線，對準東地區煤炭地下氣化地質多因素進行綜合研究，對各主控因素系統劃分層次，建立多層次結構模型[12]，有利于更好地對有利的目標區進行優選。以期研究結果對于新疆準東煤炭資源的合理開發利用具有重要意義。

圖1 準噶爾盆地東部構造區劃分

1 研究區地質概況

研究區位于準噶爾盆地東部，克拉美麗山南部，博格達山北部，五彩灣凹陷以東，庫普盆地與庫普—三塘湖煤田西部，面積約1.3×104km2。自晚石炭世準噶爾盆地形成后發生了多次構造運動，多次構造運動的相互影響，相互作用，形成了現今準東南地區現今所呈現的隆凹相間、棋盤狀錯落有致的構造格局[13-14]。整體看來，北三臺凸起、吉木薩爾凹陷、古西凸起、古城凹陷、古東凸起和木壘凹陷位于研究區的南部；而梧桐窩子凹陷、黑山凸起、石錢灘凹陷、黃草湖凸起、石樹溝凹陷和沙帳斷褶帶位于研究區的北部。侏羅系為準東地區含煤巖系，八道灣組和西山窯組為含煤地層(圖1)。

2 煤層地下氣化可行性分析

目前來說，煤炭地下氣化開采方法并不是適用于所有區域，現對研究區的地質條件進行分析，綜合考慮各因素的共同影響，探討準東地區是否可以進行煤炭地下氣化。

2.1 地質構造

地質構造的影響主要表現在破壞煤層的穩定性和延展性，進而對煤炭地下氣化燃燒過程產生影響[2]。煤炭地下氣化技術優點之一就是可在斷層多、結構復雜的煤層處實施，但要求斷層的封閉性能要好，因為在開放性斷層多、結構復雜的區域內進行氣化，封堵性較差，煤氣容易發生泄露，使得氣化終止。準東地區主要的構造類型有向斜、背斜、逆斷層以及少量正斷層等，準東地區斷裂類型多為擠壓型斷裂，斷層面多為封堵性構造應力集中帶，廣泛發育的擠壓逆沖斷層均為封堵性斷裂構造為主，封堵性能較好，有利于煤炭地下氣化。

2.2 水文地質條件

地下水賦存特征、氣化煤層的涌水量、距離含水層的遠近和隔水層的效果是評價水文地質條件的主要因素[4,9]。當進行煤炭地下氣化時，如果有隔水層將煤層與含水層隔開，即煤層與含水層沒有接觸。則此時有利于煤炭地下氣化。反之，不利于煤層氣化。準東地區山前地帶發育較多的煤系火燒巖，通過接受瞬間大氣降水或雪山融水補給地下水，轉化為煤系弱承壓水或燒變巖裂隙潛水。由于三工河組地層巖性致密，具有良好的隔水條件，且斷層多為壓性封堵斷層，導致高部位基巖裂隙含水層與煤系含水層之間水力聯系較弱，有利于煤炭地下氣化。

2.3 煤層厚度

氣化煤層的厚度對氣化產生的熱值和氣化效率有重要影響。楊蘭和等[5]認為氣化煤層的厚度和所獲得的煤氣熱值呈正相關，當厚度過大時，此時煤炭氣化程度會降低。當氣化煤層煤階較低時，則要求煤層厚度要大、結構簡單。在研究區北部發育西山窯組煤層，沙帳、大井地區以一個主力煤層為主，一般厚12 m左右，連續性較好。梧桐窩子凹陷煤層較多，單層厚度可達3 m，累計厚度大于20 m，八道灣組主要發育在阜康大黃山地區，含煤6～19 層，總厚54.53 m，發育多套大于5 m的厚煤層，分布穩定，可在局部富煤帶形成煤炭氣化的有利區塊(圖2)。

2.4 煤層埋深

氣化煤層埋深對氣化爐的封閉性影響較大，隨埋深增大，氣化爐密閉性增強，距離地表較遠，不以污染環境，但此時施工難度也會相應增加，成本也會增大[7]。準東地區西山窯組煤層埋深由東向西埋深逐漸增加，東部梧桐窩子凹陷埋深在500 m左右，而西部阜康凹陷埋深在2 500 m左右，阜康斷裂帶八道灣組煤層埋深在500 m左右，研究區煤層埋深范圍較廣，在東部和山前地區埋深適中，有利于煤炭地下氣化(圖2)。

2.5 煤化作用程度

不同變質程度的煤均可進行地下氣化，但煤的性質和組成對氣化反應過程有重要影響[9]。由于褐煤的孔隙結構發育，孔體積和比表面積大，水分含量高，透氣性好，可發育較好的氣化通道，故有利于地下氣化。研究區由北向南煤變質程度有所增強，由西向東煤變質程度表現為由弱到強的過程。準東北部大井—北山煤窯—梧桐窩子一帶，主要發育西山窯組褐煤(鏡質體反射率Ro=0.43%～0.52%)；該區南部博格達山山前地區則主要發育侏羅系八道灣組長焰煤(Ro=0.67%)。研究區煤級較低，均為有利的氣化煤種(表1)。

2.6 鏡質組含量

煤巖顯微組分中，殼質組生氣能力最好，鏡質組次之，惰性組最差。但由于煤中殼質組含量較少，故鏡質組是生氣的主力組分[14]。有機顯微組分實驗表明，西山窯組煤巖有機顯微組分中鏡質組含量31.99%～62.98%，平均44.91%；惰質組組分36.83%～67.27%，平均54.75%；殼質組含量0.18%～0.74%，平均僅為0.34%，八道灣組煤巖有機顯微組分中鏡質組含量在75.8%左右，惰質組含量在20.8%左右，殼質組含量為3.2%。研究區顯現出良好的氣化潛力。

圖2 準東地區西山窯組煤層厚度和埋深等值線圖

表1 準東地區顯微組分和工業分析

2.7 煤巖煤質

煤中灰分含量的高低對煤炭地下氣化有一定影響，較高的灰分含量可以支撐頂板防止燃空區頂板和地表的沉降，當灰分過高時，氣化速率會降低且會增加熱量的散失。煤中水分的影響著氧化劑的供應，水分過高時氣化效率會降低，且煤氣的熱值也會較少，煤中揮發分過低時，煤層的點火和氣化都會受到影響，成本增高[7-8]。由工業分析可知(表1)，準東地區煤水分3.74%～14.79%，平均為8.92%，具有明顯的階段分布特征。其中，博格達山前地區煤的水分較低；北部一帶西山窯組煤的水分為7.45%～13.6%，平均10.24%。揮發分產率變化不大，其值為30.18%～41.53%，平均為32.98%；灰分產率主要受無機礦物組分控制，西山窯組煤層灰分變化范圍在4.23%～12.75%，平均8.73%，低灰煤最為常見，阜康斷裂帶八道灣組煤層灰分為14.6%，中灰煤最為常見。在區域上變化較大。準東地區煤揮發分和灰分相對較高，有利于煤炭地下氣化。

2.8 頂底板巖性

為保證氣化爐的封閉性，蓋層一般選取泥巖和泥質砂巖，且要求頂底板巖層要完全覆蓋[8]。準東西山窯組煤層頂板巖性在區域上變化較大，西部和中部地區煤層頂板巖性以粉砂巖與細砂巖為主；白家海—五彩灣地區以粉砂巖為主；東部地區以頂板為泥巖和粉砂巖泥巖。南部八道灣組頂板以泥巖和粉砂巖較為常見，從頂板巖性封堵性能出發，準東地區東部和南部煤層頂板封蓋條件最好，白家海-五彩灣地區次之，中部與西部地區最差(圖3)。

圖3 準東地區西山窯組煤層頂板巖性

2.9 煤層產狀

任何產狀的煤層，都可以用氣化方法開采，但最佳的煤炭地下氣化傾角可以起到防止燃燒后灰渣掉落的影響[8]。傾角較大的煤層雖然有利區氣化，但對發生爐的要求較高，成本較大。傾角較小的煤層在氣化時，燃空區頂板容易塌陷，阻礙氣化進程。通過前人研究成果可知，煤炭地下氣化有利的煤層傾角為35°[15]。準東北部煤層傾角4°～31°，在米泉—阜康—大黃山一帶傾角可超過45°，煤層傾角較大，有利于煤層地下氣化。

3 多層次模糊數學模型的建立

影響煤炭地下氣化地質因素非常復雜，簡單的評價模型不能定量、精確反映煤炭地下氣化潛力的實際情況，常采用多層次數學評價模型對煤炭地下氣化可行性開展定量評價[16-18]。其原理是首先是要把問題條理化、層次化，構造出一個層次分析模型，對同一層次的各評價參數的相對于上一層次重要性進行兩兩對比，得到一個評價參數的評判矩陣，通過求解矩陣的最大特征根和它所對應的特征向量，即可算出各評價參數的相對權重[19-21]。結合模糊數學方法，建立適用于準東部地區的煤炭地下氣化評價的多層次數學模型，主要步驟如下。

3.1 評價參數的選取以及權重計算

中外研究和實踐表明，煤炭地下氣化很大程度上由煤層空間展布、煤儲層物性和開采條件共同決定。結合準東地區煤層賦存的地質特征及煤層儲層特點等，應用上述層次分析法基本原理，選取煤層厚度、煤層傾角、煤層埋深、灰分、顯微煤巖組分、煤化作用程度、底板巖性、構造、水文地質作為評價研究區煤炭地下氣化可行性的指標，構建研究區煤炭地下氣化評價體系(表2)。

表2 煤炭地下氣化勘探選區評價體系

3.2 評價參數權重計算

權重是指每個參數對煤炭地下氣化的貢獻程度，反映各參數在評價對象中的價值地位。在遵循客觀性和評價主體的特殊性兩大原則基礎上，通過對同層次參數的兩兩比較，構成判別矩陣(表3)；計算出判別矩陣所對應的特征向量，得到各參數的權重。在對同層次參數兩兩比較時，采用0～4標度進行評價(表4)。

3.3 評價參數隸屬度的確定

此次煤炭地下氣化潛力評價所選評價參數依據其性質可分為定性參數和定量參數兩類。定量參數包括煤層厚度、煤化作用程度、煤層埋深、煤層傾角、煤巖組分等，這些定量參數都是從勘探成果中或根據測試和室內實驗而得到的。定性參數包括構造條件、水文地質條件、頂板保存條件等，這些參數的取值原則上根據已有地質資料和研究成果，經分析和比較而定性地賦予隸屬度。本次評價中，隸屬度的確定是參考前人對其他研究區的模糊評價隸屬度取值方法的基礎上，提出的隸屬度取值方案，按照各評價參數對于煤炭地下氣化的影響，將其分為優-中-差三類(表5)，其隸屬度取值分別為1～0.7、0.7～0.3、<0.3。

表3 準東地區各級指標的判別矩陣

表4 矩陣標度的判斷及含義

表5 準噶爾盆地煤炭地下氣化評價定性指標隸屬度取值表

3.4 數學評價模型建立

為精確定義準噶爾盆地東部煤炭地下氣化勘探潛力，建立多層次模糊數學評價模型。通過該評價模型可定量化煤炭地下氣化指數(0

(1)

式(1)中：Ai代表煤炭地下氣化潛力指數；Bi代表二級參數指標權重；Cij代表各評價指標權重；aij代表各評價指標隸屬度。

3.5 煤層氣資源潛力評價結果

通過對準東地區煤層厚度、煤層埋深、鏡質組含量、煤化作用程度、灰分、煤層傾角、煤層頂板巖性、水文地質以及構造發育等評價參數進行整理，按的數值將準噶爾盆地東部煤炭地下氣化發潛力劃分為3類：即Ai<0.61為Ⅲ類有利區、0.610.75為Ⅰ類有利區，其中Ⅰ類有利區作為下一步煤炭地下氣化開發的重點區域，包括梧桐窩子凹陷、紗帳斷褶帶和阜康斷裂帶(圖4)。

圖4 準東地區煤炭地下氣化有利區優選圖

4 結論

(1)噶爾盆地東部地區具備較好的成煤環境，形成多個富煤中心，煤階較低，煤層層數多，發育多套大于5 m厚煤層，灰分揮發分較高，傾角較大，埋深適中，頂底板巖性常見泥巖、粉砂巖和砂巖，斷層封堵較好，發育較好的隔水層，綜合分析認為本區適宜于進行煤炭地下氣化工作。

(2)通過對研究區地質條件的系統研究，用多層次模糊數學方法評價了研究區煤炭地下氣化的開發潛力，并將全區煤炭地下氣化潛力劃分為三類。優選出于紗帳斷褶帶、梧桐窩子凹陷、阜康斷裂帶三個區塊作為煤炭地下氣化的最佳區域，這對研究區后續的地下氣化實施具有一定的指導意義。