CN115559701B - 利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤炭地下气化工程领域，提供一种利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性评价方法，包括获取深部煤层区域的基本地质条件、工程地质问题、水文地质条件、所含煤的质量、深部煤层情况、以及单位煤气化的热量和合成气组分，获得对应的影响因素的得分；根据深部煤层的各影响因素的得分情况，确定地质条件和工程地质影响因素、水文地质条件影响因素、煤质量影响因素、煤层情况影响因素及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的影响指数；基于深部煤层的各影响因素的影响指数，确定所述计算综合影响指数，根据综合影响指数判断利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性。采用综合分析法对深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性进行评价。
Description
技术领域
本发明属于煤炭地下气化工程技术领域，具体涉及一种利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性评价方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着社会及经济的发展，对煤炭能源的需求量越来越大，煤炭开采的深度也不断增加，开采深部煤炭资源已经不可避免。但是，煤矿的深部开采具有较多的危险因素，如随着开采深度的增加，地应力显著增加致使巷道周围应力增大，巷道的变形速率快，变形量大且巷道支护变得极为复杂不利于作业；同时，深部矿井温度高容易产生矿井高温热害，影响工人的生产效率并且事故率大大增高无法保证安全生产。此外，深部开采煤矿还具有煤层瓦斯突出及冲击地压问题、因高应力和高温致使渗透压力明显增大导致引发矿井水灾的几率变大和煤层自燃几率增大等危险。
煤炭地下气化技术(Underground Coal Gasification,UCG)是一种潜在的利用煤炭开发能源的新方法，其可以用于深部煤层。煤炭地下气化也被称为原位煤炭气化，其方法是在煤碳所在位置建立气化反应炉在原地条件下进行可控地燃烧煤炭，使煤炭直接在原位转化为可燃性气体从而产生混合气体，再经过地面分级后转化为各种燃料或原料。该技术煤炭回采率高，相对于地面气化经济成本更低、环境影响小、安全性能更高。此外，煤炭地下气化技术还避免了地面粉尘、矸石堆放等环境问题，并且有效减少了煤炭在运输过程中产生的污染与经济损耗。同时，该技术避开了深部煤层高地应力及高地温的地质问题，能够促进深部煤炭的开发利用。
综上所述，煤炭地下气化作为新一代的煤炭原位开采技术，集煤炭开采、煤炭转化于一体，具有安全、环保、高效、经济效益好等优势，能够实现井下无人生产，从根本上避免了各种矿难事故的发生导致的人员伤亡。近百年的煤炭地下气化技术研究表明，煤炭地下气化(UCG)可以使煤成为清洁、有效、廉价的能源。在利用深部煤层开展煤炭地下气化工程之前，需要对该深部煤层的地质、周围坏境及煤炭质量等因素进行勘探判断该深部煤层是否可以开展煤炭地下工程，不然可能会发生许多危害，如：煤层周围岩石不稳定造成在气化过程中发生岩体坍塌。但目前还没有关于利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性评价方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性评价方法，本发明从安全、经济、技术及环保等要素，多维度的考虑深部煤层开展煤炭地下气化的适宜性，并详细的划分出地质条件和工程地质影响因素、水文地质条件影响因素、煤质量影响因素、煤层情况影响因素及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素，通过这5个具体的影响因素采用综合分析法对深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性进行评价。
根据一些实施例，本发明提供了一种利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性评价方法，采用如下技术方案：
一种利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性评价方法，包括：
获取深部煤层区域的基本地质条件、工程地质问题、水文地质条件、所含煤的质量、深部煤层情况、以及单位煤气化的热量和合成气组分，并与深部煤层区域的基本地质条件、工程地质问题、水文地质条件、所含煤的质量、深部煤层情况、以及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素评价准则对比，分别获得对应的影响因素的得分；
根据深部煤层的各影响因素的得分情况，确定地质条件和工程地质影响因素、水文地质条件影响因素、煤质量影响因素、煤层情况影响因素及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的影响指数；
基于深部煤层的各影响因素的影响指数，确定所述计算综合影响指数，根据综合影响指数判断利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性。
进一步地，所述影响指数，具体为：
式中，n为影响因素对应的影响因子数目，Mi为影响因素的第i个影响因子的得分数值，Mimax为影响因素的第i个影响因子的最大得分数值。
进一步地，根据深部煤层的各影响因素的得分情况，确定地质条件和工程地质影响因素，具体为：
其中，Q1为地质条件和工程地质影响因素的结果，n为影响因素对应的影响因子数目，Ui为地质条件和工程地质影响因素的第i个影响因子的得分数值，Uimax为地质条件和工程地质影响因素的第i个影响因子的最大得分数值。
进一步地，根据深部煤层的各影响因素的得分情况，水文地质条件影响因素的影响指数，具体为：
其中，Q2为水文地质条件影响因素的结果；n为影响因素对应的影响因子数目，Vi为水文地质条件影响因素的第i个影响因子的得分数值，Vimax为水文地质条件影响因素的第i个影响因子的最大得分数值。
进一步地，根据深部煤层的各影响因素的得分情况，确定煤质量影响因素、煤层情况影响因素及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的影响指数，具体为：
其中，Q3为煤质量影响因素的结果，n为影响因素对应的影响因子数目，Wi为煤质量影响因素的第i个影响因子的得分数值，Wimax为煤质量影响因素的第i个影响因子的最大得分数值。
进一步地，根据深部煤层的各影响因素的得分情况，确定煤层情况影响因素的影响指数，具体为：
其中，Q4为煤层情况影响因素的结果，n为影响因素对应的影响因子数目，Wi为煤质量影响因素的第i个影响因子的得分数值，Ximax为煤层情况影响因素的第i个影响因子的最大得分数值；Xi为单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的第i个影响因子的得分数值。
进一步地，根据深部煤层的各影响因素的得分情况，确定单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的影响指数，具体为：
其中，Q5为单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的结果；n为影响因素对应的影响因子数目，Zi为单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的第i个影响因子的得分数值，Zimax为单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的第i个影响因子的最大得分数值。
进一步地，所述基于深部煤层的各影响因素的影响指数，确定所述计算综合影响指数，具体为：
获取深部煤层的各影响因素的影响指数，并按地质条件和工程地质影响因素、水文地质条件影响因素、煤质量影响因素、煤层情况影响因素及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的顺序将计算的结果记为Q1、Q2、Q3、Q4及Q5；
确定所述计算综合影响指数Q＝Min{Q1，Q2，Q3，Q4，Q5}。
进一步地，根据综合影响指数判断利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性，具体为：
将综合影响指数与预先设定的适宜性等级对应的综合影响指数进行对比；
根据对比结果，确定利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性。
进一步地，根据数值最小的综合影响指数与预先设定的适宜性等级对应的综合影响指数进行对比判断利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明从安全、经济、技术及环保等要素，多维度的考虑深部煤层开展煤炭地下气化的适宜性，并详细的划分出地质条件和工程地质影响因素、水文地质条件影响因素、煤质量影响因素、煤层情况影响因素及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素，通过这5个具体的影响因素采用综合分析法对深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性进行评价。
本发明通过科学、全面的评估煤矿开展煤炭地下气化工程适宜性，能够全面、准确、高效的获得煤矿开展煤炭地下气化工程的适宜性，为评估煤矿开展煤炭地下气化提供科学依据。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例所述的一种利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性评价方法。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性评价方法。本实施例中，该方法包括以下步骤：
步骤1.获取深部煤层区域的基本地质条件和工程地质问题数据并与预先构建的地质条件和工程地质影响因素评价准则对比，确定深部煤层开展煤炭地下气化工程的地质条件和工程地质各影响因素的得分；
步骤2.获取深部煤层区域的水文地质条件数据并与预先构建的水文地质条件影响因素评价准则对比，确定深部煤层开展煤炭地下气化工程的水文地质条件各影响因子的得分；
步骤3.获取深部煤层区域所含煤的质量数据并与预先构建的深部煤层区域煤质量影响因素评价准则对比，确定深部煤层开展煤炭地下气化工程的煤质量各影响因素的得分；
步骤4.获取深部煤层情况数据并与预先构建的煤层情况影响因素评价准则对比，获得深部煤层开展煤炭地下气化工程的煤层情况影响因素的得分；
步骤5.获取单位深部煤层煤碳进行煤炭地下气化室内试验测定过程中热量和合成气组分并与预先构建的单位煤气化的热量和合成气组分影响因素评价准则对比，获得深部煤层开展煤炭地下气化工程的热量和合成气组分各影响因素的得分；
步骤6.分别计算步骤1至步骤5中的地质条件和工程地质影响因素、水文地质条件影响因素、煤质量影响因素、煤层情况影响因素及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的影响指数；
步骤7.计算综合影响指数，根据综合影响指数判断利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性。
步骤1.查阅及现场勘探深部煤层区域的基本地质条件和工程地质问题，根据地质条件和工程地质影响因素评价表，如表1所示，获得深部煤层开展煤炭地下气化工程的地质条件和工程地质各影响因素的得分；本实施案例中，该煤矿矿区岩石等级为Ⅱ级，地震级别3级，岩石风化程度为微风化，地表坡度为4°，煤层埋深150m，与居民区距离9km，与生产矿井距离6km与废弃矿井距离5km。得分情况见下表1；
表1地质条件和工程地质影响因素评价表
步骤2.查阅和现场勘探深部煤层区域的水文地质条件，根据水文地质条件影响因素评价表，如表2所示，获得深部煤层开展煤炭地下气化工程的水文地质条件各影响因子的得分；本实施案例中，该煤矿与湖泊距离8km，煤层渗透率130/10-15m2，直接顶板渗透率6/10-15m2，地下水位170m，煤层与静水含水层位置23m，有动水量含水层的距离30m，流入煤层水量2.1m3·t-1，气化工作面涌水量0.6m3·t-1。得分情况见下表2；
表2水文地质条件影响因素评价表
步骤3.了解和勘察深部煤层区域所含煤的质量，根据深部煤层区域煤质量影响因素评价表，如表3所示，获得深部煤层开展煤炭地下气化工程的煤质量各影响因素的得分；本实施案例中，该煤矿煤炭的水分含量10％，全硫含量0.1％，灰分产率30％，挥发分含量45％，固定碳37％，粘结指数18，含矸率3％，罗家指数为23。得分情况见下表3；
表3深部煤层区域煤质量影响因素评价表
步骤4.了解和勘察深部煤层情况，根据煤层情况影响因素评价表，如表4所示，获得深部煤层开展煤炭地下气化工程的煤层情况影响因素的得分；本实施案例中，该煤矿煤层的煤层厚度为6m，上覆非透气性岩石厚度13m，夹矸厚1.3m，与断层距离175m，煤炭资源含量4.2Mt，煤层孔隙度20％，甲烷含量3.5m3·t-1，煤层倾角7°。得分情况见下表4；
表4煤层情况影响因素评价表
步骤5.取单位深部煤层煤碳进行煤炭地下气化室内试验测定过程中热量和合成气组分，根据单位煤气化的热量和合成气组分影响因素评价表，如表5所示，获得深部煤层开展煤炭地下气化工程的热量和合成气组分各影响因素的得分；本实施案例中，该煤矿煤炭单位煤产气量3m3·kg-1，煤炭消耗率1.4kg·h-1，氢气含量7％，二氧化硫含量0.6％，甲烷含量17％，气体热值14MJ·m-3，单位煤发热量26MJ·m-3，能量回收率72％。得分情况见下表5；
表5单位煤气化的热量和合成气组分影响因素评价表
步骤6.分别计算步骤1至步骤5中的地质条件和工程地质影响因素、水文地质条件影响因素、煤质量影响因素、煤层情况影响因素及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的影响指数，公式如下：
式中，n为影响因素对应的影响因子数目，Mi为影响因素的第i个影响因子的得分数值，Mimax为影响因素的第i个影响因子的最大得分数值；
并按地质条件和工程地质影响因素、水文地质条件影响因素、煤质量影响因素、煤层情况影响因素及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的顺序将步骤6计算的结果记为Q1、Q2、Q3、Q4及Q5；
步骤7.计算综合影响指数Q＝Min{Q1，Q2，Q3，Q4，Q5}，并对照下列适宜性评价表判断利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性，如表6所示：
Q＝Min{Q1，Q2，Q3，Q4，Q5}＝Min{0.533，0.565，0.571，0.567，0.714}＝0.533，
查找适宜性评价表可以得到该深部煤层开展煤炭气化的适宜性为较适宜。
表6适宜性评价表
| 等级 | Q值 |
| 非常适宜 | >0.8 |
| 适宜 | 0.6～0.8 |
| 较适宜 | 0.4～0.6 |
| 适宜性较差 | 0.2～0.4 |
| 适宜性差 | <0.2 |
本实施例所述的适宜性评价方法主要应用在气化工程设计、决策或者选址等，具体为：在利用深部煤层开展煤炭地下气化工程之前，需要对该深部煤层的地质、周围坏境及煤炭质量等因素进行勘探判断该深部煤层是否可以开展煤炭地下工程，不然可能会发生许多危害，如：煤层周围岩石不稳定造成在气化过程中发生岩体坍塌。
本实施例从地质条件和工程地质影响因素、水文地质条件影响因素、煤质量影响因素、煤层情况影响因素及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素5个因素综合考虑评估深部煤层开展煤炭地下气化的适宜性，为开展煤炭地下气化工程选择适宜的深部煤层提供了方法。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (1)
1.利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性评价方法，其特征在于，包括：
获取深部煤层区域的地质条件和工程地质影响因素对应的影响因子的数据、水文地质条件影响因素对应的影响因子的数据、煤质量影响因素对应的影响因子的数据、煤层情况影响因素对应的影响因子的数据及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素对应的影响因子的数据，并分别与深部煤层区域的地质条件和工程地质影响因素评价准则、水文地质条件影响因素评价准则、煤质量影响因素评价准则、煤层情况影响因素评价准则以及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素评价准则对比，并分别获得对应的上述各影响因素对应的影响因子的得分；
其中，地质条件和工程地质影响因素对应的影响因子分别为：煤层岩石等级、地震级别、岩石风化程度、地表坡度、煤层埋深、与居民区距离、与生产矿井距离以及与废弃矿井距离；
水文地质条件影响因素对应的影响因子分别为：与湖泊距离、煤层渗透率、直接顶板渗透率、地下水位、煤层与静水含水层位置、有动水量含水层的距离、流入煤层水量以及气化工作面涌水量；
煤质量影响因素对应的影响因子分别为：水分含量、全硫含量、灰分产率、挥发分含量、固定碳、粘结指数、含矸率以及煤级；
煤层情况影响因素对应的影响因子分别为：煤层厚度、上覆非透气性岩石厚度、夹矸厚、与断层距离、煤炭资源含量、煤层孔隙度、甲烷含量以及煤层倾角；所述煤层情况影响因素对应的影响因子中的甲烷含量的单位为：m3·t-1；
单位煤气化的热量和合成气组分影响因素对应的影响因子分别为：单位煤产气量、煤炭消耗率、氢气含量、二氧化硫含量、甲烷含量、气体热值、单位煤发热量以及能量回收率；所述单位煤气化的热量和合成气组分影响因素对应的影响因子中的甲烷含量的单位为：%
根据深部煤层区域的上述各影响因素对应的影响因子的得分情况，确定地质条件和工程地质影响因素的影响指数、水文地质条件影响因素的影响指数、煤质量影响因素的影响指数、煤层情况影响因素的影响指数及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的影响指数；具体的，上述各影响因素的影响指数为：
式中， n为影响因素对应的影响因子数目，Mi为影响因素的第i个影响因子的得分数值，Mimax为影响因素的第i个影响因子的最大得分数值；Q为影响因素的影响指数；
基于深部煤层区域的上述各影响因素的影响指数，计算综合影响指数，具体为：按照上述公式分别获取深部煤层区域的上述各影响因素的影响指数，并按地质条件和工程地质影响因素、水文地质条件影响因素、煤质量影响因素、煤层情况影响因素及单位煤气化的热量和合成气组分影响因素的顺序将上述各影响因素的影响指数的计算结果记为Q1、Q2、Q3、Q4及Q5；
按照下式：Qm=Min{Q1，Q2，Q3，Q4，Q5}，计算综合影响指数；其中Qm为综合影响指数；
根据所述综合影响指数判断利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性，具体为：将所述综合影响指数与预先设定的适宜性等级对应的综合影响指数进行对比；根据对比结果，确定利用深部煤层开展煤炭地下气化工程的适宜性。
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