煤层小构造理论在煤炭地下气化中的应用

刘龙吉

(陕西天地地质有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

中国必须发展以煤炭清洁化利用为主的能源发展道路，其中如何解决煤直接燃烧产生的高排放，以及如何彻底改变煤矿安全生产的严峻形势，这些都是制约中国可持续发展的瓶颈。因此，应用和推广安全、清洁、高效的煤炭生产和利用技术刻不容缓。煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭直接进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用而产生的可燃性气体的过程，是集建井、采煤、地面气化3大工艺为一体的多学科开发清洁能源与化工原料的新技术，它变传统的物理采煤为化学采煤，只提取煤中含能组分，将灰渣等污染物留在井下，实现了井下无人的生产工艺。

1 问题与成因

1.1 煤炭地下气化面临的问题

煤炭地下气化过程中，保证气化通道的畅通至关重要，关系到整个单元炉的正常运行。但是，随着气化通道的扩展，堵塞问题日益加剧，已严重影响到了整个单元炉的正常运行，且定向钻贯通气化通道成本过高。因此，在煤炭地下气化过程中，寻找煤层的主裂隙、科学合理地布置气化炉，是降低成本，减小事故的一条思路。

为了寻找煤层的主裂隙方向，实验尝试过“定向取芯法”、“多孔贯通法”、“多孔修正法”、“钻孔统计法”等各种探索性方法，但这些方法均是边建气化炉边寻找修正煤层主裂隙方向，缺乏预见性，工作量大，成本高，急需一种新的理论寻找解决炉孔堵塞的方法。

1.2 裂隙的形成原因

煤层的形成受古构造、古气候、古地理和古环境共同控制，其中，古构造起决定性作用。在煤层沉积过程中，由于古构造造成的古基底凹凸不平，就会形成煤层的高低起伏；而且由于上覆岩层的压实作用，会使煤层局部挤压变形，形成小范围的突起和凹陷(简称小构造)。小构造尤其是其轴部，其物理性能低劣、易变、易于发生变性破坏与失稳，节理裂隙比较发育。岩石在受力弯曲时，由于它的成层性，使得它的各部分受力状况各不相同，褶皱发育早期，向斜核部岩层底面或背斜核部岩层的顶面为引张区，产生垂直于枢纽的张应力，易于形成一对斜向节理和平行于枢纽走向的、楔形的追踪“X”节理的纵张节理；在向斜核部的岩层的顶面为挤压区，出现局部垂直于枢纽的挤压应力，易于形成一对向斜共轭节理和追踪“X”节理的垂直枢纽走向的锯齿状的横张节理。这些节理相互垂直，成网状破坏岩层，当通过打钻、打压或加温，节理活化，小构造的轴面处更容易产生裂隙。但是，由于在小构造的核部各构造应力集中，导致该部位不稳定，容易发生坍塌堵塞事故。

2 地下气化实例分析

2.1 3区贯通

图1为3区各理论列与实际列对照图。图中，理论点火列和理论出气列均在小构造的脊线处，点火列的方位ZK3#北部为NE30°，ZK3#南部为NE0°和NW96°；理论进气列避开了东西向复背斜的脊线，理论上防止了打定向钻塌孔事故。实际生产中，点火列的方位为NE35°，ZK3#北部与理论点火列重合，ZK3#南部与理论点火列相差30°和55°；实际进气列和出气列还未确定。

通过贯通各参数分析得出，1#～4#贯通时间为27天，1#～6#贯通时间为11天。运用小构造来解释各孔间贯通时间不同的原因如下：1#～4#与箱型褶皱西侧脊线的夹角小，即与主裂隙方向的夹角小，而1#～6#与箱型褶皱2个主裂隙方向的夹角均较大，且梯度较1#～4#的小，故其贯通阻力大于1#～6#的贯通阻力，所以1#～6#的贯通时间较短。

图1 3区各理论列与实际列对照图

2.2 单元炉区贯通

图2为单元炉区各理论列与实际列对照图。图中，理论点火列和理论出气列均在小构造的脊线处，且点火列所在的脊线的梯度比出气列的大，点火列的方位为NE35°；理论进气列避开了东西向复背斜的脊线，理论上防止了打定向钻塌孔事故。实际生产中，点火列的方位为NE35°，几乎与理论点火列重合；实际进气列和出气列与理论进气列和出气列重合。各气化井贯通时间见表1。

表1 单元炉区各气化井贯通时间统计表

运用小构造来解释各孔间贯通时间不同的原因。点火列处于NEN向小向斜的脊线处，且其梯度由西南向东北变大，故21#～20#、20#～15#、15#～19#的贯通时间逐渐缩短；13#～14#位于东西向复背斜北翼的一个从属小向斜的脊线处，而19#～9#和13#～9#离开了东西向复背斜北翼的从属小向斜的脊线处，且它们的梯度较13#～14#的小，故它们的贯通时间较长。

6#打压时，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#漏气。运用小构造理论来解释如下：4#、6#、7#、8#和g5#位于复杂向斜的核部，构造应力集中且复杂，裂隙发育多且方向各异，导致6#打压，周围井出现水位上升和漏气现象。

图2 单元炉区各理论列与实际列对照图

2.3 单元炉区氡异常值发展趋势

图3为单元炉氡异常值分布图。在图中可以看出，氡异常值基本分布在前述预测的理论裂隙方向上，特别是11月份2次的氡异常值的发展趋势，基本上是沿着理出1和理裂1进行，成功预测了8#～22#形成第二气化通道。

图3 单元炉区氡异常值分布图

2.4 定4井加压造成各孔漏气

11月12日，定4#加压后，7#、8#、27#、28#、19#和31#出现了漏气现象。从图2中看出，这些孔均位于理进1的附近，在这里，裂隙比较发育，且裂隙方向不定，定4#加压后，气体会沿着裂隙流到个孔，造成漏气现象。

2.5 用小构造理论成功预测堵塞现象

10月24日预测了21#、22#、23#和26#可能会堵塞。11月1日，23#加高压但无法进气，发生堵塞事故，11月14日，21#出现堵塞事故。

3 单元炉堵塞分析及对策

3.1 单元炉堵塞事故的分析

单元炉堵塞有2种可能：①炉孔(或炉孔周围)堵塞；②是炉孔之间堵塞。笔者认为是炉孔堵塞。因为9#、13#、15#、19#、21#和23#都处在堵塞状态，如果是通道堵塞的话，处于它们之间通道上的20#不可能至今运行非常正常。

地质角度分析：单元炉9#、13#、15#、19#、21#、22#、23#和26#均处在小构造的核部，在这些部位，各构造应力比较集中且复杂，地质条件不稳定，当由于压力、温度影响和形成燃空区后，构造应力发生异常，容易发生局部塌孔现场，造成堵塞事故。

化学角度分析：出气孔在孔底的温度达600～800 ℃，而到孔口处已降至100 ℃左右，气体在向上传输过程中存在着温度差；出气孔输出的气体中含有煤焦油，在向上运移过程中，由于温度的降低，使得煤焦油粘结着灰渣粉附着在井壁上，并向下流动，时间久了，容易在出气孔中下部及孔底形成锥状粘结物，堵塞孔底。常态下，褐煤在水中容易发生泥化反应，即煤转化为没有裂隙、柔软的泥，容易淤塞。但是，上述2种分析均无法解释20#为何至今运行正常。

小构造理论解释：单元炉堵塞主要是炉孔堵塞，且主要是由于在各构造应力比较集中和复杂的区域，地质条件不稳定，当由于压力、温度影响和形成燃空区后，构造应力发生异常，容易发生局部塌孔现象，造成堵塞事故。

3.2 防炉孔堵塞对策

炉孔布置：炉孔应布置在小构造预测的煤层裂隙两侧，这样既可以加快通道贯通，还可以防止炉孔堵塞。

通道宽度：严格控制点火列和出气列的通道宽度，防止通道过宽导致塌孔和堵塞事故。

出气列位置：在严格控制点火列通道宽度的条件下，对换原出气列和进气列的位置，使出气列处在一个构造应力相对稳定的区域，保证气化通道的畅通。

炉孔进出气方向：出气井不要长时间处于出气状态，应周期性地进气和出气，冲掉孔底的堆积物。

4 结论

(1)小构造理论可以正确地预测煤层裂隙发育方向及发育程度。

(2)煤炭地下气化过程中，沿小构造预测的煤层裂隙方向气化贯通更快。

(3)在各构造应力比较集中和复杂的区域，地质条件不稳定，当由于压力、温度影响和形成燃空区后，构造应力发生异常，容易发生局部塌孔现场，造成单元炉堵塞事故。

(4)利用小构造理论布置炉孔，可以减少定向钻及三维地震的工作量，降低煤炭地下气化的成本。