天津静海含煤区无井式煤炭地下气化选址地质评价模型_王志刚.pdf

第 47 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.3 2019 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. College of Chemistry geological conditions; uation system; Jinghai of Tianjin; material balance; simulation test ChaoXing 42 煤田地质与勘探 第 47 卷 无井式煤炭地下气化是一种煤层原位开采技 术，被国内外众多学者誉为第二代采煤法，通过对 煤的热作用和化学作用，将开采、气化、脱硫、脱 二氧化碳和除尘有机结合，集建井、采煤、气化三 大工艺合为一体，生产 H2、CH4、CO 等可燃气体， 具有成本低、清洁无污染、安全可靠等优点，深受 各国重视[1-3]。以往经验表明，气化区的煤炭勘探情 况直接决定无井式煤炭地下气化工作是否具备可行 性。例如勘探情况与实施气化采煤风险度相关， 煤层赋存情况与炉区布置及炉型相关，煤质与气化 工艺相关， 水文情况与气化过程对环境的影响相关。 因此，国内外众多学者均对煤炭地下气化所需地质 条件进行了研究[4-11]。然而，前人研究成果主要集 中在资源、技术、环境、效益等方面，缺乏专门针 对无井式煤炭地下气化地质条件适宜性的全面评 价，即使建立了评价体系，也未通过室内模拟实验 进行验证，均存在一定的片面性，制约着煤炭地下 气化技术人员的选址决策。为此，笔者以天津静海 含煤区为例，建立一套无井式煤炭地下气化地质条 件适宜性评价方法，为开展该项工作的国内外相关 机构和科研人员提供帮助，给予启发。 1 地质概况 静海含煤区位于天津西南部，面积 105.8 km2， 预测 2 000 m 以浅的煤炭资源量 30 亿 t。该区处于 华北断坳Ⅱ之中的沧县隆起Ⅲ中部的大城凸起 Ⅳ，周边发育静海–大城断裂、北芦庄–西九吉断 裂和里坦向斜、卧佛堂向斜等。总体呈背斜构造， 子牙背斜东南翼地层走向 NE，倾向 SE；西北翼地 层走向 NE，倾向 NW。区内地层整体平缓，坡角小 于 3。断裂不发育，仅在西北部小瓦头村和西南部 小邀铺村分别发育小型高角度正断层 DF1、DF2。 断层将可能破坏煤层的连续性，并构成导水通道， 影响地下气化建炉施工及气化工艺稳定性。 研究区含煤地层为石炭系上统本溪组、石炭系 上统–二叠系下统太原组和二叠系下统山西组， 上覆 地层为二叠系下统下石盒子组、 上统上石盒子组及新 生界新近系、第四系，基底为奥陶系中统峰峰组。煤 系总厚度为 284.90 m， 含煤 18 层， 煤层总厚 32.85 m， 含煤系数 11.53。全区可采煤层为山西组 5 号煤层 和太原组 10 号煤层。5 号煤层厚 10 m，10 号煤层 厚 8.5 m。本文研究的目的层为 5 号煤层，埋深最浅 处 1 150 m，位于子牙背斜轴部三呼庄附近；埋深最 深处 1 900 m，位于东南部边界西禅房附近。 研究区 5 号煤层煤质测试结果见表 1表 3 所 示。从表中可知，5 号煤水分质量分数 0.82，挥发 分产率 32.83， 煤种为肥煤。 灰分质量分数 21.94， 为中灰煤；全硫质量分数 0.39，为特低硫煤。煤 样受热时膨胀熔融黏结，有较强的黏结性；灰分组 成中对煤的气化反应有催化作用的 CaO、 K2O、 Na2O 总含量较高，灰熔融性温度较高；CO2反应活性较 低表 3。 表 1 5 号煤煤质测试结果 Table 1 Results of coal quality test of No.5 coal seam 工业分析/ 发热量/MJkg-1 元素分析daf/ Mad Ad Vdaf FCd 焦渣 特性 Qgr,ad Qgr,d Qgr,daf C H N OS 0.82 21.94 32.83 52.59 7 26.46 26.68 34.1 88.25 5.35 1.66 4.73 表 2 5 号煤层灰成分及灰熔融性 Table 2 Ash composition and fusibility of No.5 coal seam 灰成分化合物组成/ 温度/℃ SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 TiO2 Na2O K2O MnO2 变形 软化 32.78 30.81 2.94 21.44 2.16 3.41 1.96 0.25 0.12 0.02 1 326 1 500 表 3 5 号煤对 CO2的反应率 Table 3 Reaction rate of coal to CO2 of No.5 coal seam 不同温度下 CO2反应率/ 800℃ 850℃ 900℃ 950℃1 000℃ 1 050℃ 1 100℃ 2.3 6.1 9.8 14.6 20.9 29.4 37.6 5 号煤层主要直接充水含水层为煤系砂岩含水 层及 5 号煤层顶板砂岩裂隙含水层， 富水性较弱。 区 内分布的断层使煤层充水条件复杂化， 整体上静海含 煤区水文地质类型为以顶板进水的水文地质条件中 等的裂隙局部为孔隙充水矿床，为二类二型表 4。 静海含煤区 5 号煤层顶板为砂质泥岩，岩层上 部较完整，下部有裂隙发育，岩石中等完整，为较 软岩石，综合评价该顶板为不稳定顶板；底板为泥 岩，质软，易风化，局部岩心破碎，岩石中等完整， 属软岩石，综合评价该底板为不稳定底板表 5。 2 无井式煤炭地下气化地质影响因素 影响无井式煤炭地下气化的地质因素很多，主 要包括勘探情况、煤层特征、煤质特征和水文条件 4 大类，各因素之间相互影响，相互制约。 ChaoXing 第 3 期 王志刚等 天津静海含煤区无井式煤炭地下气化选址地质评价模型 43 表 4 5 号煤含水层特征一览表 Table 4 Aquifer characteristics of No.5 coal seam 含水层名称 厚度/m 单位涌水量/Lsm-1 渗透系数/md-1 富水性 下石盒子组砂岩 25.3847.25 0.000 610.223 9 0.001 60.931 8 较弱 下石盒子组底至5煤顶部砂岩 22.3736.13 0.001 60.099 5 0.000 50.496 3 较弱 表 5 5 号煤层顶底板岩石物理力学特征 Table 5 Physical and mechanical characteristics of the roof and floor of No.5 coal seam 抗剪性质 弹性模量/ 105 MPa 层位 岩性 相对 密度 密度/ gcm-3 含水 率/ 孔隙 率/ 膨胀 性/ 软化 系数 坚固性 系数 饱和抗压强度/ MPa 抗压强度/ MPa 抗拉强度/ MPa 内摩 擦角 黏聚力/ MPa 切线 模量 体积 模量 泊 松 比 顶板 砂质泥岩 2.63 2.49 1.0 6.3 1.40 0.31 4.7 12.016.8/14.3 45.248.0/46.7 1.62.1/1.7 3825′ 8.0 0.250.19 0.24 底板 泥岩 2.96 2.89 0.3 2.7 1.60 0.28 3.58.012.0/9.932.438.0/35.5 1.51.9/1.7 3425′ 4.1 0.180.17 0.27 注2.016.8/14.3 表示最小最大/平均值，其他相同。 2.1 勘探情况 勘探情况主要包括地质勘查程度、地质构造、 裂隙发育程度、资源量和顶板情况等。 ① 勘查程度决定了煤层的控制程度和资源量 的可靠程度，勘探程度越高，从事地下气化工程的 风险就会越低。 ② 地质构造中影响煤炭地下气化的因素主要 是断层和陷落柱，一方面破坏煤层的连续性；另一 方面导水断层导通含水层，影响地下气化的炉区选 址、建炉施工及气化工艺稳定性。 ③ 煤层原生裂隙的发育程度不仅决定了气化 通道的贯通速度，而且其连续性关系到气化剂进入 煤层的距离， 其发育方向决定了气化剂的流动方向， 进而影响了气化炉的布置及气化区域的发展方向， 打分时， 将间隔 20 m 钻孔间逆向火力贯通需要的时 间作为煤层裂隙发育程度的标准。 ④ 气化可用煤炭资源量的大小直接决定气化 区的服务年限，是计算经济性的基础。 ⑤ 煤层顶板的力学性质会影响顶板冒落范围 及冒落高度， 特别是当煤层顶板为软岩时， 燃空区顶 板冒落高度为燃空区净高度的 2.12.4 倍，裂隙发育 高度接近采高的 57 倍，虽然冒落岩石的裂隙发育， 但还是会影响到气化通道的形状及工艺孔的性能。 2.2 煤层特征 影响煤炭地下气化的煤层特征主要包括煤厚、 埋深、倾角、稳定性和夹矸。 ① 煤层厚度主要与气化工艺相关， 它决定了炉 型和气化工艺的具体设计。 ② 煤层埋深太浅，容易造成环境污染；煤层埋 深过深，则提高建炉的成本，增加气化难度。 ③ 煤层倾角主要与建炉工艺和炉型设计有关， 倾角过大会给建炉施工造成一定困难。 ④ 煤层稳定性主要对气化工艺的稳定运行以 及建炉施工产生影响，单一煤层的稳定性高有利于 地下气化。 ⑤ 夹矸的层数、厚度直接影响气化过程的进 行，当煤层中无夹矸层时，气化过程中煤层无支撑 力，气化后迅速垮落，不利于气化；当煤层中夹矸 层数过多时会造成选择气化层位困难，并造成其上 下的煤层不易燃烧气化，造成气化回采率降低。 2.3 煤质特征 影响煤炭地下气化的煤质特征主要包括灰分产 率、固定碳含量、黏结性、灰熔点、CO2反应活性、 硫含量、着火点等。 ① 灰分产率是影响煤炭地下气化的重要因素， 一方面煤层的灰分产率过小，燃烧后的灰分不能形 成透气的支撑体，顶板易发生垮落，而顶板的垮落 将破坏气化过程；另一方面，气化煤层灰分产率过 高，可燃物质则相对减少，煤炭的发热量就会降低， 还会引起炉孔、通道堵塞等问题。 ② 固定碳含量增加，会提高燃烧温度，有利于 气化反应的进行；但含量过高，进入气化段的碳量 会增多，则氧和水蒸汽的消耗增多，增加气化成本。 ③ 黏结性高，气化时黏结在煤壁上，影响导热 性，若黏结在出气孔底部，还会造成钻孔堵塞，因 此，黏结指数越高越不利于气化。 ④ 灰熔点越高，越有利于气化；反之灰渣容易 变成熔融状态，黏结并进入煤层裂隙中，影响气化 过程的进行。 ⑤ CO2反应活性强的煤， 有利于 CCO2→2CO 的反应，气化和燃烧反应速度快、效率高，有利于 气化过程的进行。 ⑥ 煤的着火点高低，一般并不影响气化的进 行，但是着火点过高则为气化初期的地下点火工作 带来较大困难。 ⑦ 硫含量并不影响气化的进行， 但是硫本身作 ChaoXing 44 煤田地质与勘探 第 47 卷 为有害物质，含硫量高，气化后煤气腐蚀性强，对 套管、输气管道等设备具有较大的破坏作用；高硫 煤气在进入净化系统后，增加净化系统的压力，提 高煤气的生产成本；高硫煤气如果进入到空气中， 也会造成环境污染。 2.4 水文地质条件 影响煤炭地下气化的水文地质条件主要包括充 水条件、充水特征、富水性、水补给程度、防治难 度等。 ① 气化过程中少量充水利于气化的进行，但大 量充水将降低炉内温度甚至发生淹炉， 造成气化失败。 ② 充水特征是指地下水进入煤层中的形式， 主 要有孔隙充水矿床、 裂隙充水矿床和岩溶充水矿床。 孔隙充水矿床的地下水分布与流动比较均匀，水量 较大；裂隙充水矿床赋存的地下水分布与流动往往 不均匀；岩溶充水矿床地下水含量大小悬殊，分布 极不均匀，赋存的地下水分布与流动也极不均匀， 不利于气化。 ③ 水文地质条件简单的矿床， 气化煤层为无充水矿 床或间接充水矿床，含水层单位涌水量小于0.1 L/sm， 涌水量不影响气化炉的运行，若大于该单位涌水量， 则涌水量越大，对气化炉运行影响越大[12]。 ④ 地下水补给丰富的矿床， 不仅能满足地面生 产与生活用水需求，也能满足气化炉反应所需的水 资源，但过于丰富，气化时需进行排水，否则将会 导致熄炉；水资源中等的矿床，不能满足地面生产 与生活用水需求，但能满足气化炉反应所需的水资 源；水资源匮乏的矿床，不能满足地面生产与生活 用水需求及气化炉反应所需的水资源。 ⑤ 地下水防治难度小的矿床， 气化煤层涌水量 小，不需布置专门的地下水防治工程；地下水防治 难度中等的矿床，气化煤层涌水量小，但存在相邻 含水层的突水问题， 需布置专门的地下水防治工程， 防治工程成本低；地下水防治难度大的矿床，气化 煤层涌水量大，且存在相邻含水层的突水问题，需 布置专门的地下水防治工程，防治工程成本高。 3 地质评价模型 影响无井式煤炭地下气化的地质因素具有层次 之分，各因素之间相互影响难以定量描述，故采用 二级模糊综合评判法对静海含煤区无井式煤炭地下 气化的适宜性进行综合评价。二级模糊综合评判法 是将模糊综合评价法和层次分析法相结合的评价方 法[13-14]，赵岳等[11]运用该方法构建了一套简单的煤 炭地下气化地质条件适宜性评价模型，划分出江苏 省朱寨井田煤炭地下气化有利区。本文从静海含煤 区地质特征出发，建立无井式煤炭地下气化地质评 价模型，并对研究区进行评价表 6。 表 6 5 号煤层地质参数表及所占权重 Table 6 Geological parameters and the weight of each parameter of No.5 coal seam 5号煤层 一级指标 二级指标 原始参数 评价参数 分值 一级 指标权重 二级 指标权重 煤炭资源量/万 t 13 000 13 000 100 0.067 顶板岩性、厚度 砂质泥岩、约23 m 中等冒落 70 0.495 勘查程度 勘探 勘探 90 0.053 裂隙发育程度评价指标/天 10 10 90 0.186 勘探情况 地质构造 较简单 较简单 80 0.508 0.199 厚度/m 10 10 90 0.295 倾角/ 3 3 85 0.046 埋深/m 1 331.97 1 331.97 30 0.083 稳定性 较稳定 较稳定 80 0.417 煤层特征 夹矸 夹矸3层 夹矸3层 90 0.245 0.159 灰分/ 21.94 21.94 70 0.059 固定碳/ 52.59 52.59 70 0.321 黏结性 99.8 99.8 0 0.102 灰熔点/℃ 1 500 1 500 100 0.189 CO2反应活性/ 9.8 9.8 25 0.256 着火点/℃ 340 340 90 0.035 煤质特征 硫分/ 0.39 0.39 100 0.093 0.038 充水条件 砂岩裂隙 第二类 80 0.442 充水特征 砂岩裂隙 砂岩裂隙 80 0.063 富水性/Lsm-1 0.001 60.099 5 0.001 60.099 5 100 0.095 水资源 弱中等 中等 90 0.164 水文条件 防治难度 难度小 难度小 90 0.154 0.236 ChaoXing 第 3 期 王志刚等 天津静海含煤区无井式煤炭地下气化选址地质评价模型 45 3.1 层次评价体系 将煤炭地下气化影响因素分为两个层次，第一 层次为勘探情况U1、 煤层特征U2、 煤质特征U3、 水文条件U4。在第一个层次下，又划分出二级层 次，包括 22 项控制因素图 1。 根据图 1 的层次结构，将指标集分成 4 个子集 Uii1,2,3,4， 对于每一个子集 Ui又有其指标集 Uik， k1,2,⋯,ni，其中 ni为 Ui指标集所含元素个数，即 U{U1,U2,U3,U4}{U11,U12,U13,,U45}；评判集有 3 个子集，即 V{适合，比较适合，不适合}。在实验 室模拟、 数值模拟与现场实际情况相结合的基础上， 对未来拟进行地下气化的煤层与曾进行过气化的煤 层进行对比，最终给出拟气化煤层的评价结论。因 现有数据和成功案例有限，而实验室模拟及数值模 拟与现场实际情况也有一定的差距，所以 3 个评价 等级的划分，为总结世界各国气化项目数据，并参 照现场工作人员及专家教授的经验最终得出气化炉 选址条件进行打分 适合高于 70 分， 比较适合 6070 分，不适合低于 60 分。 3.2 两两判断矩阵 在建立层次结构之后，确定上下层之间元素的 隶属关系。对同一层次的各个元素关于上一层次中 某一准则的重要性进行两两比较，构建两两判断矩 阵。使用萨蒂Saaty19 的比例标度来判断两个元 素间的赋值权重。通过两两比较，得到判断矩阵 A 和 Bii1,2,3...,n。 图 1 无井式煤炭地下气化可行性评价层次模型 Fig.1 Hierarchical model for the feasibility uation of coal underground gasification without well 判断矩阵具有如下性质 ① ɑij＞0； ② ɑji1/ɑij； ③ αii1。 其中， A 是一级评价指标在准则 U 下的判 断矩阵，Bi是二级评价指标分别在准则 U1、U2、U3 和 U4下的判断矩阵。 11121314 21222324 31323334 41424344 aaaa aaaa aaaa aaaa        A， 11121 21222 12 n n nnnn bbb bbb bbb            i B 当 i1、2 或 4 时，n5；当 i3 时，n7 1 3.3 判断矩阵一致性检验 在构造两两判断矩阵时，要求对判断矩阵的一 致性进行检验，步骤如下 ① 计算一致性指标 CI max CI 1 λn n    2 式中 CI为一致性指标，max为比较矩阵所对应的 特征值的最大值，n为判断矩阵的阶数。 ② 平均随机一致性指标RI 平均随机一致性指标是多次500次以上重复 进行随机判断矩阵特征根计算之后的算术平均值。 许树柏[15]提出的115阶判断矩阵重复计算1 000 次的平均随机一致性指标如表7所示。 表 7 115 阶判断矩阵的 RI 值[15] Table 7 RI values judged by matrix orders 115 阶数 RI 值 阶数 RI 值 1 0 9 1.46 2 0 10 1.49 3 0.52 11 1.52 4 0.89 12 1.54 5 1.12 13 1.56 6 1.26 14 1.58 7 1.36 15 1.59 8 1.41 ③ 计算一致性比例CR CRCI/RI 3 式中 CR为一致性比例，RI为平均随机一致性指标。 当CR0.1时，一般认为矩阵的一致性是可以接受的， 若某个层次的一致性不通过，要适当修改判断矩阵。 3.4 模糊两级综合评判 针对评价指标难以量化的特点，采用综合评判 法进行量化。 ChaoXing 46 煤田地质与勘探 第47卷 a. 进行一级综合评判 对于每个元素Uij分别作单因素综合评判。Uij 中各因素相对于Ui的权重为ωij，则Ui中各因素的 权重为一n维向量ωiωi1,ωi2,⋯,ωin，i1,2,4时， n5；i3时，n7；n为Ui因素集所含元素个数， 且满足ωi1ωi2⋯ωin1，权重的确定由层次分析 法得到。 根据评价指标具体情况， 参照相应的评价标准， 对每个因素Uij确定其分数rij，得到n维向量 riri1,ri2,,rin，i1,2,4时n5；i3时n7 4 ωi与 ri取内积得到第一级综合评判值为 diωi,ri 5 b. 进行二级综合评判 ω 与 r 取内积得到第二级综合评判值 dω,r 6 式中 ωω1,ω2,ω3,ω4，ωi为Ui相对于U的权重； rd1,d2,d2,d2 综上，d即为所得评价分数。 4 评价结果 通过分析计算，天津静海含煤区5号煤层得分 为78.89分，比较适合开展无井式煤炭地下气化工 作，减分点主要是CO2反应活性900℃、埋深和黏 结性3个方面。 a. CO2反应活性900℃ 研究区5号煤层在900℃时对CO2的反应率很 低，小于10，反应性较差。反应活性的高低将影 响煤在气化过程中的氧耗量、煤气组成、带出物与 残余灰渣的含碳量、单位产气率及气化热效率等生 产指标。反应活性低的煤不利于CCO2→2CO的反 应，致使气化和燃烧反应速率减慢、效率降低，不 利于气化过程的进行。因此，反应过程中应增加氧 气浓度，以增加CO2反应活性。 b. 埋 深 5号煤层底板埋深在千米以下，平均1 331 m。 煤层底板埋深过深，会提高建炉成本、增加气化难 度，从而降低了气化的经济性。因此，在无井式煤 炭地下气化过程中，应尽量增加定向钻进长度、气 化煤层的厚度和面积，以提升研究区煤炭地下气化 的经济效益。 c. 黏结性 5号煤层以肥煤为主，黏结指数平均都在90以 上，为强黏结煤。黏结性越高，结焦性越好，越不 利于气化。黏结指数高，气化时气化炉外围的煤黏 结在煤壁上，形成密闭层、封闭煤层裂隙，影响导 热性及气化扩展；黏结在出气孔底部，就会造成出 气孔堵塞。因此，反应过程中应提高反应温度，以 达到高温破黏的效果。 5 模拟验证 为验证评价体系的可行性，笔者参照文献[16] 开展了氧气体积分数80–CO2–清水体系下的地 下气化模拟实验，将理论计算结果与模拟实验结果 进行对比，以检验评价体系的可应用性。 5.1 模型计算 根据质量守恒定律，进入系统的总物料等于离 开系统的总物料。在实际生产中，往往通过该方法 检验气化系统是否正常。本次通过该方法计算以氧 气体积分数80–CO2–清水作为气化剂， 充分结合 静海含煤区5号煤的水文地质参数，计算生产煤气 中H2、CO、CH4和CO2组分含量和煤气热值。 煤炭地下气化过程可以分为干馏过程和气化过 程，产出的煤气则是干馏煤气和气化煤气的总和， 在物料平衡的计算中，分别对干馏过程和气化过程 进行物料计算，求得干馏煤气和气化煤气的组成、 含量等参数图2。 图 2 煤炭地下气化过程物料平衡模型 Fig.2 Model of mass balance in the process of UCG 本次计算仅选取C、H、O 3种元素进行计算， 通过式7式11即可求解。碳平衡方程 a＋bc 7 式中 a为地下气化所产煤气中的CO体积分数，； b为地下气化所产煤气中的CO2体积分数，；c为 进入气化区参与反应的总碳体积分数，。 氢平衡方程 efg 8 式中 e为地下气化所产煤气中的H2体积分数，； f为地下气化所产煤气中的气态H2O体积分数，； g为进入气化区参与反应的总氢体积分数，。 氧平衡方程 abj 9 式中 a为地下气化所产煤气中的CO体积分数，；b 为地下气化所产煤气中的CO2体积分数，；j为进入 气化区参与反应的总氧体积分数，。平衡常数方程 p a f K b e    10 ChaoXing 第3期 王志刚等 天津静海含煤区无井式煤炭地下气化选址地质评价模型 47 22CO c η α  11 式中 Kp为经验常数，通过现场生产出口煤气回归分 析， 可得Kp0.122 00.125 0， 本次计算取中间值0.123 5；α2为气化剂中O2与CO2体积比；η为进入气化区 的碳含量与气化剂中氧含量之比，根据现场实验数据 回归所得η1.611.71，本次计算取中间值1.66。 将相应数据代入式7式11，求解即可得气 化煤气量，再加上干馏煤气量，则可计算得出气化 煤气各组分和有用组分占比及热值表8。 表 8 模拟实验和理论计算煤气的组分和热值 Table 8 Gas components and calorific value of simulation test and theoretical calculation 煤气组分/ 有用组分/ 项目 H2 CO CH4 CO2 H2 CO CH4 热值/ MJNm-3 理论计算 33.12 33.16 4.13 28.53 70.41 9.6 模拟实验 29.64 35.63 5.92 25.41 71.19 9.6 相对误差 11.74 8.33 6.04 10.53 2.63 0 5.2 物理模拟实验 煤炭地下气化过程是燃烧放热和多相吸热化学 反应过程的集合，同时也是多相、多维传热传质过 程与化学反应过程的耦合，该过程还会受到地压作 用下顶板冒落及淋水的影响[17]。因此，模拟实验的 目的是获得在这些综合因素条件下，煤炭地下气化 过程的特征场煤层、岩层温度场、煤气组分、燃烧 区扩展等的变化规律和工艺参数。 根据静海含煤区5号煤层地质条件，在中国矿 业大学北京煤炭地下气化实验台开展模拟实验。 模拟实验系统包括气化炉体及地压模拟系统、后退 注气系统、测控系统和煤气净化放空装置。实验起 于2017年3月27日13点30分，结束于2017年3 月28日21点15分，共32 h。标准状态下，注氧量 维持在7.2 m3/h，结合静海含煤区煤田水文地质参数 和地下气化反应所需水量， 注水量维持在015 kg/h。 所获得的煤气组分和热值如表8所示。 5.3 数值对比 从表8可以看出， 煤气组分中H2理论计算结果 略高于模拟实验结果，相对误差为11.74；CO理 论计算结果略低于模拟实验结果，相对误差为 8.33；CH4理论计算结果略低于模拟实验结果， 相对 误差为6.04；CO2理论计算结果略高于模拟实验结 果，相对误差为10.53；有用组分H2COCH4模拟 实验值略高于理论计算值，相对误差低，为2.63； 热值理论计算结果与模拟实验值均为9.6 MJ/m3， 相对 误差为0。 因煤炭地下气化过程非常复杂， 制约因素众多， 实验过程不可能与理论值完全一样[18]。因此，各组 分相对误差均在允许误差15范围内，理论和实验 证明，通过二级模糊综合评判法建立的煤炭地下气 化地质条件适宜性评价体系是可行的。 6 结 论 a. 依据权重计算结果得出，影响无井式煤炭 地下气化的地质条件中勘探情况为首要条件，权重 为0.508；其次为煤层特征，权重为0.245；再次为 水文条件，权重为0.154；最后为煤质特征，权重 为0.093。 b. 通过二级模糊综合评判法计算得出天津静 海含煤区5号煤层为无井式煤炭地下气化适合区， 得分78.89分；分析出埋深、CO2反应活性900℃ 和黏结性3项影响因素不太利于气化，是扣分项。 c. 结合理论计算与室内模拟实验对比结果得 出，煤气中各有用组分含量相对误差均小于15， 表明建立的无井式煤炭地下气化地质条件评价体系 是可行的，对开展煤炭地下气化工作的国内外相关 机构和科研人员选址决策具有重要意义。 d. 利用本套地质条件评价系统确认适合开展 地下气化工作后，可通过物料守恒，计算气化过程 中煤气中有用组分含量，对后期生产规模设计和现 场生产具有一定的指导意义。 e. 在无井式煤炭地下气化过程中，污染物主要 随煤气进行逸散与迁移，因此，通过控制气化工艺 过程中气化压力的大小，将污染物封闭在气化反应 区内，由水蒸汽圈紧密封闭，实现对地下污染物迁 移的控制。 参考文献 [1] 谢和平，高峰，鞠杨，等. 深地煤炭资源流态化开采理论与技 术构想[J]. 煤炭学报，2017，423547–556. 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