阳泉矿区煤层气利用模式评价与优化

李耀谦

（阳泉煤业（集团）有限责任公司 技术中心，山西 阳泉045000）

赋存于煤层之中，以甲烷为主要成分的烃类气体被称为煤层气，又被称为煤层瓦斯，是矿井安全生产中重要的致灾因素，也是引发煤矿群死群伤事故的头号杀手，但煤层气也是一种储量丰富、成本低廉，应用前景广阔的非常规能源及重要的化工原料，还具有高达同量CO221 倍的全球增温潜能，煤层气的直接排放不仅是宝贵资源的浪费，一定程度上也对温室效应的加剧起到了推波助澜的作用[1-3]。近年来，随着中国经济进入新常态，国家生态文明建设推进的力度加大，能源转型的步伐进一步加快，优化能源消费结构、提高清洁能源消费比重成为当务之急，包括煤层气等在内的清洁能源的需求量也大幅提高，只有在合理的利用途径下，煤层气开发才能产生更好的效益， 才能保证煤层气开发利用项目的可持续健康发展[4-6]。受不同开发方式及开发阶段的影响，煤矿区煤层气浓度分布范围广（0.8%～90%），因而评估各类煤层气利用模式的优缺点，根据不同模式的相应特点，对煤矿区煤层气进行针对性的分段梯级利用，成为了必然需求[7]。诸多学者在煤层气梯级利用技术评价方面进行了研究[3，8-9]。研究多集中于对煤层气利用技术或模式的定性评估与经验分析，定量分析较少，主观性较强，而煤层气利用模式评价又是一个典型的多目标决策问题[10]，涉及煤层气利用的技术、经济、安全环境和社会等多方面因素，且每个方面又包括众多的影响指标，如此多的影响指标之下，仅凭主观判断或单一简单的评价方法难以满足煤层气利用评价的要求。针对这一情况，基于层次分析法建立了阳泉矿区煤层气利用模式评价指标体系，并利用二级模糊综合评价模型对阳泉矿区煤层气利用模式的实际效果进行评价，为阳泉矿区煤层气分级利用模式进一步优化打好基础。

1 煤层气利用模式综合评价指标体系

由于影响煤层气利用模式效果的因素众多，在评价时难以一次性确定所有因素对利用模式的重要程度。为了全面综合地反映阳泉矿区各煤层气利用模式的优劣势，参考相关文献[11]中制定评价体系的原则与阳泉矿区的实际情况，从技术因素F1、经济因素F2、环境与安全因素F3和社会因素F4这4类因素出发，确定了能量效率F11、煤层气利用率F12、所需煤层气浓度范围F13、技术可靠度F14、项目投资F21、项目年收益F22、安全程度F31、环境影响程度F32、受益人群数量F41、就业人群数量F42等10 项评价指标。其中能量效率是指煤层气利用过程中的产出能量与总输入能量之比；煤层气利用效率是指利用的煤层气纯量与输入的煤层气纯量之比；所需煤层气浓度是指利用过程中所需要的煤层气的体积分数；技术可靠度是指该项技术的可靠与发展程度。项目投资是指煤层气开发过程所需要投入的资金；项目年收益，即项目运行当年煤层气开发所获得的利润。项目的安全程度是指在项目实施过程中不发生安全生产事故的可能性；在煤层气利用过程中，可能会造成环境的再次污染，因此煤层气利用技术对环境的影响程度也应作为优化煤层气利用技术的考虑因素。受益人群数量主要指的是煤层气利用项目实施以后，利用成果所惠及的人群数量；就业人群数量是指煤层气利用项目实施以后，可解决的当地就业人数。各级评价指标确定后，结合层次分析法与二级模糊评价法[12]，建立了指标体系框架，煤层气利用模式评价指标体系框架图如图1。

图1 煤层气利用模式评价指标体系框架图Fig.1 Frame diagram of index system for evaluating coalbed methane utilization model

2 煤层气利用模式综合评价方法

2.1 层次分析法确定指标权重

利用1-9 标度法建立各项指标的判断矩阵，计算各判断矩阵的最大特征根λ 与对应的特征向量W，将W 归一化后，即得各指标的权重值，随后进行一致性检验。一致性检验方法如下：

式中：CI 为一致性指标；n 为判断矩阵的阶数；RI 为判断矩阵的平均随机一致性指标；CR 为一致性比例。

当CR<0.10 时，则认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应对判断矩阵进行适当修改。通过计算可得各指标在各因素内的权重矩阵An，以及各因素的权重矩阵A。

2.2 模糊综合评价法

使用隶属度描述评价等级，能表现出界限的模糊性，不会因评价主体的不同而出现偏差，因而在评价标准上建立[0，1］的映射，构建隶属度函数[13]。先通过对煤层气开发与利用模式优化指标体系中各指标进行标准化取值，再代入隶属度函数运算并组合，可得各指标对于4 个评价等级的隶属度矩阵Rn：

式中：Yij为各指标对4 个评价结果的隶属度；i为指标在因素层内的编号；j 为评价结果编号；m 为单个因素内所包含指标的个数。

2.3 综合评价计算

使用单指标隶属度矩阵Rn，再结合已获得各个单因子权重矩阵An，将两者按矩阵想乘运算法则运算便可得到二级单因素评价向量Bn，即：

由此，可以得到因素集中各因素对于评价结果的隶属度矩阵Bn。

由上述各单因素评价结果Bn可得一级模糊评价矩阵R，再根据因素权重矩阵A，按加权平均型合成运算，获得综合评价（二级指标）向量B，即：

最后，根据B 中向量分为“一般”、“较好”、“好”和“非常好”4 个等级，按择近原则进行评价。至此，建立了煤层气利用模式二级模糊综合评价模型。

3 煤层气利用模式二级模糊综合评价模型应用

通过现场调研统计了阳泉矿区2019 年4 月至9 月期间各矿井煤层气的利用路线，由调研结果知，阳泉矿区各个浓度的煤层气均得到了利用，如高瓦斯管道的煤层气被用于民用煤层气燃气，低浓度煤层气被用于风筒蓄热等。以阳煤集团现有的8 项煤层气利用技术（民用煤层燃气技术T1、氧化铝焙烧技术T2、煤层气发电技术T3、燃气集中空调技术T4、烧制永磁体技术T5、工业锅炉技术T6、瓦斯抽采监测技术T7、井筒加热技术T8）为研究对象，采用煤层气利用模式二级模糊综合评价模型，对各项技术的实际应用效果进行评价。

3.1 评价指标体系中的指标构成及指标数值

表1 指标构成表Table 1 Composition table of indicators

图2 煤层气利用技术能量效率比较图Fig.2 Comparison of energy efficiency of coalbed methane utilization technology

图3 煤层气利用技术煤层气利用率比较图Fig.3 Comparison of coalbed methane utilization rate of coalbed methane utilization technology

评价指标体系中的指标构成见表1，调研所得的各项煤层气利用技术指标值：煤层气利用技术能量效率、煤层气利用率、所需煤层气浓度下限、技术可靠度、项目投资、项目年收益、安全程度、环境影响程度、受益人群数量、就业人群数量比较图分别如图2～图11。

由调研数据可知，除瓦斯抽采监测技术外，阳泉矿区各项煤层气利用技术在安全与环境因素相关的指标上均能取得可观的评分，但是在技术、经济与社会因素下属二级指标上的表现则不尽相同。

民用煤层燃气技术与燃气集中空调技术所需的项目投资都相对较大，但由于其便民工程的实质，项目年收益不高，故2 项技术在经济因素方面表现并不十分突出。扩大受益人群，增加就业岗位，是煤层气发电技术与工业锅炉技术需要重点改进的方向。烧制永磁体技术虽然在控制项目投资方面表现良好，但是在增加年收益与增加受益人群数量方面仍有提升潜力。氧化铝焙烧技术与瓦斯抽采监测技术存在许多共同点，二者在技术升级改造，减轻环境污染潜在风险，增加年收益等方面都面临着较大的压力。尽管井筒加热技术项目在提升盈利上并无太大空间，但是也需要在技术升级、增进就业，减轻环境污染压力等方面加以改进。

图4 煤层气利用技术所需煤层气浓度下限比较图Fig.4 Comparison of the lower limit of coalbed methane concentration required

图5 煤层气利用技术技术可靠度比较图Fig.5 Comparison of technical reliability of coalbed methane utilization technology

图6 煤层气利用技术项目投资比较图Fig.6 Comparison of investment in coalbed methane utilization technology projects

图7 煤层气利用技术项目年收益比较图Fig.7 Comparison of annual income of coalbed methane utilization technology projects

图8 煤层气利用技术安全程度比较图Fig.8 Comparison of safety degree of coalbed methane utilization technology

图9 煤层气利用技术环境影响程度比较图Fig.9 Comparison of environmental impact degree of coalbed methane utilization technology

图10 煤层气利用技术受益人群数量比较图Fig.10 Comparison of the number of beneficiaries from coalbed methane utilization technology

3.2 一级和二级指标权重的计算及检验

使用MATLAB 软件来计算一、二级指标的最大特征值、权重，并进行权重值的一致性检验。结合式（1）和式（2）进行计算，求得各一级与二级指标一致性比率CR 均小于0.1，这一结果满足一致性比例的要求，故求得的权重有效。阳泉矿区煤层气利用技术二级模糊综合评价指标及对应权重见表2。

3.3 模糊评判矩阵形成

将煤层气利用优化指标体系中，对某项技术的各指标数值进行标准化取值后的结果，分别代入所属隶属度函数并汇总，可得该项技术在第i 类指标所属二级指标这一方面，对于“一般”、“较好”、“好”和“非常好”4 个等级的隶属度矩阵R2i。以民用煤层燃气技术为例，可汇总得隶属度矩阵如下：

表2 阳泉矿区煤层气利用技术二级模糊综合评价指标及对应权重Table 2 Second-level fuzzy comprehensive evaluation index and corresponding weight of coalbed methane utilization technology in Yangquan Mining Area

结合式（4），可对二级指标F21进行优劣性评价，计算得模糊评价向量B21为：

基于择近原则，可知民用煤层燃气技术在二级指标中第一类指标（技术指标）这一方面的利用效果，应该评定为“好”等级。

再依次计算出B22、B23、B24，由B21、B22、B23、B24组成一级模糊评价矩阵R：

然后根据式（5），将一级模糊评价矩阵R 与上文所求得因素权重矩阵A，按加权平均型合成运算，计算得民用煤层燃气技术的综合评价（一级指标）向量B，再进行归一化处理求得B′：

根据择近原则可知，民用煤层燃气技术对“好”等级隶属度最高，故该项技术利用效果可评为“好”等级。

按照同样的计算过程，可得民用煤层燃气、氧化铝焙烧、煤层气发电、燃气集中空调、烧制永磁体、工业锅炉、瓦斯抽采监测、井筒加热八项技术的利用效果综合评价，阳泉矿区煤层气利用技术效果综合评价表见表3。

表3 阳泉矿区煤层气利用技术效果综合评价表Table 3 Comprehensive evaluation table of technical effect of coalbed methane utilization in Yangquan Mining Area

结合表3 中二级模糊评价法的评判结果及企业相关数据，可以得出结论：阳泉矿区煤层气利用技术中，民用煤层燃气、煤层气发电、燃气集中空调、烧制永磁体、工业锅炉5 项技术煤层气利用效果好；氧化铝焙烧、井筒加热2 项技术煤层气利用效果较好；瓦斯抽采监测技术煤层气利用效果一般。

4 结 语

1）通过分析现场数据可知，除瓦斯抽采监测技术外，大部分煤层气利用技术在安全环境因素方面表现较好，但是在技术、经济、社会因素下属二级指标上的得分不尽相同。民用煤层燃气技术与燃气集中空调技术在经济因素方面表现并不十分突出。煤层气发电技术与工业锅炉技术在增加就业、扩大服务人群方面存在改进空间。氧化铝焙烧技术与瓦斯抽采监测技术二者在技术升级、减轻环境污染潜在风险，增加年收益等方面都有所欠缺。不同于烧制永磁体技术，井筒加热技术项目在提升盈利上并无太大空间，但在技术升级、增进就业，减轻环境污染压力等方面需要加以改进。

2）在文献调研和企业资料分析的基础上，选取4 个一级指标和10 个二级指标，构建了阳煤集团煤层气利用模式二级模糊综合评价模型。该模型兼顾层次分析法与模糊综合评判法的优点，将定性分析与定量分析有机结合，科学确定各个评判因素之间的权重，综合考虑多因素情况下煤层气利用技术效果评价问题，评价方法完善，评价结果准确，既充分体现了评价因素和评价过程的模糊性，又尽量减轻了个人主观决断所带来的弊病。

3）使用煤层气利用模式二级模糊综合评价模型，对阳煤集团现有的8 项煤层气利用技术进行综合评价，评价结果表明，民用煤层燃气、煤层气发电、燃气集中空调、烧制永磁体、工业锅炉5 项技术煤层气利用的效果好；氧化铝焙烧、井筒加热2 项技术煤层气利用的效果较好；瓦斯抽采监测技术煤层气利用的效果一般。评价结果大致符合阳煤集团煤层气利用模式的实际情况。

4）近年来，国家高度重视并大力推进煤层气产业发展，但煤矿区煤层气开发利用技术及产业发展总体上处于起步阶段，仍然面临规模小、集中度低、利用率低部分关键技术尚未取得突破等现实难题，有必要进一步推动实施创新驱动发展战略，加大技术研发、装备研制、集成应用、工程示范力度。如井筒蓄热、低浓度瓦斯发电和浓度提纯等将低浓度煤层气资源化高效利用的技术，具有广阔前景，有望成为未来的重大需求。