煤層小構(gòu)造理論在煤炭地下氣化中的應(yīng)用

劉龍吉

(陜西天地地質(zhì)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

中國必須發(fā)展以煤炭清潔化利用為主的能源發(fā)展道路，其中如何解決煤直接燃燒產(chǎn)生的高排放，以及如何徹底改變煤礦安全生產(chǎn)的嚴(yán)峻形勢(shì)，這些都是制約中國可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。因此，應(yīng)用和推廣安全、清潔、高效的煤炭生產(chǎn)和利用技術(shù)刻不容緩。煤炭地下氣化就是將處于地下的煤炭直接進(jìn)行有控制的燃燒，通過對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用而產(chǎn)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(xué)科開發(fā)清潔能源與化工原料的新技術(shù)，它變傳統(tǒng)的物理采煤為化學(xué)采煤，只提取煤中含能組分，將灰渣等污染物留在井下，實(shí)現(xiàn)了井下無人的生產(chǎn)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(guān)重要，關(guān)系到整個(gè)單元爐的正常運(yùn)行。但是，隨著氣化通道的擴(kuò)展，堵塞問題日益加劇，已嚴(yán)重影響到了整個(gè)單元爐的正常運(yùn)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(xué)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(shí)驗(yàn)嘗試過“定向取芯法”、“多孔貫通法”、“多孔修正法”、“鉆孔統(tǒng)計(jì)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(yù)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(gòu)造、古氣候、古地理和古環(huán)境共同控制，其中，古構(gòu)造起決定性作用。在煤層沉積過程中，由于古構(gòu)造造成的古基底凹凸不平，就會(huì)形成煤層的高低起伏；而且由于上覆巖層的壓實(shí)作用，會(huì)使煤層局部擠壓變形，形成小范圍的突起和凹陷(簡(jiǎn)稱小構(gòu)造)。小構(gòu)造尤其是其軸部，其物理性能低劣、易變、易于發(fā)生變性破壞與失穩(wěn)，節(jié)理裂隙比較發(fā)育。巖石在受力彎曲時(shí)，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(fā)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(qū)，產(chǎn)生垂直于樞紐的張應(yīng)力，易于形成一對(duì)斜向節(jié)理和平行于樞紐走向的、楔形的追蹤“X”節(jié)理的縱張節(jié)理；在向斜核部的巖層的頂面為擠壓區(qū)，出現(xiàn)局部垂直于樞紐的擠壓應(yīng)力，易于形成一對(duì)向斜共軛節(jié)理和追蹤“X”節(jié)理的垂直樞紐走向的鋸齒狀的橫張節(jié)理。這些節(jié)理相互垂直，成網(wǎng)狀破壞巖層，當(dāng)通過打鉆、打壓或加溫，節(jié)理活化，小構(gòu)造的軸面處更容易產(chǎn)生裂隙。但是，由于在小構(gòu)造的核部各構(gòu)造應(yīng)力集中，導(dǎo)致該部位不穩(wěn)定，容易發(fā)生坍塌堵塞事故。

2 地下氣化實(shí)例分析

2.1 3區(qū)貫通

圖1為3區(qū)各理論列與實(shí)際列對(duì)照?qǐng)D。圖中，理論點(diǎn)火列和理論出氣列均在小構(gòu)造的脊線處，點(diǎn)火列的方位ZK3#北部為NE30°，ZK3#南部為NE0°和NW96°；理論進(jìn)氣列避開了東西向復(fù)背斜的脊線，理論上防止了打定向鉆塌孔事故。實(shí)際生產(chǎn)中，點(diǎn)火列的方位為NE35°，ZK3#北部與理論點(diǎn)火列重合，ZK3#南部與理論點(diǎn)火列相差30°和55°；實(shí)際進(jìn)氣列和出氣列還未確定。

通過貫通各參數(shù)分析得出，1#～4#貫通時(shí)間為27天，1#～6#貫通時(shí)間為11天。運(yùn)用小構(gòu)造來解釋各孔間貫通時(shí)間不同的原因如下：1#～4#與箱型褶皺西側(cè)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(gè)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(shí)間較短。

圖1 3區(qū)各理論列與實(shí)際列對(duì)照?qǐng)D

2.2 單元爐區(qū)貫通

圖2為單元爐區(qū)各理論列與實(shí)際列對(duì)照?qǐng)D。圖中，理論點(diǎn)火列和理論出氣列均在小構(gòu)造的脊線處，且點(diǎn)火列所在的脊線的梯度比出氣列的大，點(diǎn)火列的方位為NE35°；理論進(jìn)氣列避開了東西向復(fù)背斜的脊線，理論上防止了打定向鉆塌孔事故。實(shí)際生產(chǎn)中，點(diǎn)火列的方位為NE35°，幾乎與理論點(diǎn)火列重合；實(shí)際進(jìn)氣列和出氣列與理論進(jìn)氣列和出氣列重合。各氣化井貫通時(shí)間見表1。

表1 單元爐區(qū)各氣化井貫通時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

運(yùn)用小構(gòu)造來解釋各孔間貫通時(shí)間不同的原因。點(diǎn)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(shí)間逐漸縮短；13#～14#位于東西向復(fù)背斜北翼的一個(gè)從屬小向斜的脊線處，而19#～9#和13#～9#離開了東西向復(fù)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(shí)間較長(zhǎng)。

6#打壓時(shí)，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(yùn)用小構(gòu)造理論來解釋如下：4#、6#、7#、8#和g5#位于復(fù)雜向斜的核部，構(gòu)造應(yīng)力集中且復(fù)雜，裂隙發(fā)育多且方向各異，導(dǎo)致6#打壓，周圍井出現(xiàn)水位上升和漏氣現(xiàn)象。

圖2 單元爐區(qū)各理論列與實(shí)際列對(duì)照?qǐng)D

2.3 單元爐區(qū)氡異常值發(fā)展趨勢(shì)

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(yù)測(cè)的理論裂隙方向上，特別是11月份2次的氡異常值的發(fā)展趨勢(shì)，基本上是沿著理出1和理裂1進(jìn)行，成功預(yù)測(cè)了8#～22#形成第二氣化通道。

圖3 單元爐區(qū)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(xiàn)了漏氣現(xiàn)象。從圖2中看出，這些孔均位于理進(jìn)1的附近，在這里，裂隙比較發(fā)育，且裂隙方向不定，定4#加壓后，氣體會(huì)沿著裂隙流到個(gè)孔，造成漏氣現(xiàn)象。

2.5 用小構(gòu)造理論成功預(yù)測(cè)堵塞現(xiàn)象

10月24日預(yù)測(cè)了21#、22#、23#和26#可能會(huì)堵塞。11月1日，23#加高壓但無法進(jìn)氣，發(fā)生堵塞事故，11月14日，21#出現(xiàn)堵塞事故。

3 單元爐堵塞分析及對(duì)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(rèn)為是爐孔堵塞。因?yàn)?#、13#、15#、19#、21#和23#都處在堵塞狀態(tài)，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(yùn)行非常正常。

地質(zhì)角度分析：?jiǎn)卧獱t9#、13#、15#、19#、21#、22#、23#和26#均處在小構(gòu)造的核部，在這些部位，各構(gòu)造應(yīng)力比較集中且復(fù)雜，地質(zhì)條件不穩(wěn)定，當(dāng)由于壓力、溫度影響和形成燃空區(qū)后，構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生異常，容易發(fā)生局部塌孔現(xiàn)場(chǎng)，造成堵塞事故。

化學(xué)角度分析：出氣孔在孔底的溫度達(dá)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(yùn)移過程中，由于溫度的降低，使得煤焦油粘結(jié)著灰渣粉附著在井壁上，并向下流動(dòng)，時(shí)間久了，容易在出氣孔中下部及孔底形成錐狀粘結(jié)物，堵塞孔底。常態(tài)下，褐煤在水中容易發(fā)生泥化反應(yīng)，即煤轉(zhuǎn)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(yùn)行正常。

小構(gòu)造理論解釋：?jiǎn)卧獱t堵塞主要是爐孔堵塞，且主要是由于在各構(gòu)造應(yīng)力比較集中和復(fù)雜的區(qū)域，地質(zhì)條件不穩(wěn)定，當(dāng)由于壓力、溫度影響和形成燃空區(qū)后，構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生異常，容易發(fā)生局部塌孔現(xiàn)象，造成堵塞事故。

3.2 防爐孔堵塞對(duì)策

爐孔布置：爐孔應(yīng)布置在小構(gòu)造預(yù)測(cè)的煤層裂隙兩側(cè)，這樣既可以加快通道貫通，還可以防止?fàn)t孔堵塞。

通道寬度：嚴(yán)格控制點(diǎn)火列和出氣列的通道寬度，防止通道過寬導(dǎo)致塌孔和堵塞事故。

出氣列位置：在嚴(yán)格控制點(diǎn)火列通道寬度的條件下，對(duì)換原出氣列和進(jìn)氣列的位置，使出氣列處在一個(gè)構(gòu)造應(yīng)力相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，保證氣化通道的暢通。

爐孔進(jìn)出氣方向：出氣井不要長(zhǎng)時(shí)間處于出氣狀態(tài)，應(yīng)周期性地進(jìn)氣和出氣，沖掉孔底的堆積物。

4 結(jié)論

(1)小構(gòu)造理論可以正確地預(yù)測(cè)煤層裂隙發(fā)育方向及發(fā)育程度。

(2)煤炭地下氣化過程中，沿小構(gòu)造預(yù)測(cè)的煤層裂隙方向氣化貫通更快。

(3)在各構(gòu)造應(yīng)力比較集中和復(fù)雜的區(qū)域，地質(zhì)條件不穩(wěn)定，當(dāng)由于壓力、溫度影響和形成燃空區(qū)后，構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生異常，容易發(fā)生局部塌孔現(xiàn)場(chǎng)，造成單元爐堵塞事故。

(4)利用小構(gòu)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。