煤炭原位开发地质保障

“双碳”目标下,面对“缺油、少气、相对富煤”的资源禀赋特征,煤炭在一段时期内仍占据中国的主体能源地位,但煤炭的低碳、清洁开发转型势在必行。地下原位热解、气化、干馏、制氢等方式有望成为未来煤炭开发的重要抓手。当前对煤炭原位开发已有较多探索,但地质选址和开发过程的地质安全性、可靠性和环保性仍是制约其规模化和商业化的科学难题。因此,煤炭原位开发地质保障的理论和技术研究亟待深入。秉持“安全、经济、环保、可持续”原则,从煤炭资源禀赋特征和地质条件出发,分析了煤炭原位开发研究现状;基于煤炭开发全生命周期的科学理念,提出了“煤炭原位开发地质保障”的科学内涵;在查明采前地质条件的基础上,从物理机制角度揭示深部原位开发过程中围岩地质体响应特征和损害规律,阐明原位开发中岩体工程地质力学行为,构建原位开发地质条件动态评价模型,形成原位开发减损保障策略和方法,提出原位开发空间的再利用途径,并以煤炭地下气化和地下热解2种开发模式为例阐述了原位开发阶段性,明确了原位开发区设计的地质条件要素,强调开发过程中实时动态监测和评价围岩地质体响应保证开发区密封性与安全性,实现地质条件时空演化的评价及地质风险可控性,此外注重协同开发深部热能与共伴生资源,实现残余资源利用和地下空间再利用。煤炭原位地质保障研究体现了资源赋存条件、地质环境约束、原位开发技术、地质风险防控、资源协同开发等层面的要求,突出了原位扰动条件下的地质条件变化,强调开发扰动与地质体结构的整体研究,理解原位开发时空效应范畴的多相场耦合损伤机制,从多圈层角度揭示原位开发扰动效应下地质风险模式,破解资源开发与地质环境制约之间矛盾,对于推动未来煤炭低碳开发,实现煤炭工业高质量发展具有重要的理论和实践指导意义。

富油煤研究进展与趋势

富油煤是集煤、油、气属性于一身的煤基油气资源,针对国内“相对富煤、缺油、少气”的能源禀赋,开发富油煤对缓解我国紧张的油气资源供应局势、实现煤炭的绿色开发和低碳利用具有重要的意义。以富油煤为主要关键词,通过CNKI和Web of Science数据库检索自1985-2023年底已公开发表的学术论文和专利,统计分析富油煤的发展历程和主要研究内容,梳理了富油煤研究的热点方向与前沿领域,展望了未来发展趋势。研究发现:富油煤热解、赋存特征及沉积环境、孔隙和分子结构、焦油产率预测、微生物降解、资源潜力及开发利用是当前富油煤研究热点内容。富油煤含有热解可生成油气的富氢结构,如脂肪结构的侧链与桥键及缩合芳香核周缘的弱键结构;富油煤多形成于陆相沉积物供应稳定、气候温暖湿润、强还原条件下的沉积环境;孔隙结构影响富油煤的热解反应效率、焦油析出和油气运移,而分子结构(主要为脂肪族氢含量和富氢弱键)决定了富油煤的生油潜力;富油煤通过微生物的水解、发酵、产氢产乙酸和产甲烷4个阶段向油气转化。随着地质选区技术瓶颈突破及多学科交叉与融合,富油煤富油性评价指标与预测方法、富氢组分的来源与定量判识、原位开发围岩封闭性及其评价方法、微生物降解与热解联作技术将成为今后研究的热点方向。研究成果为厘清当前富油煤的研究方向和未来走势奠定了基础。

“双碳”目标下煤炭绿色低碳发展新思路

在“双碳”目标背景与当前技术条件下,“煤”“废”“碳”构成了煤炭的“不可能三角”,严重制约着煤炭行业的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废”“从哪里来到哪里去”的原则,着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的低碳化处置三维视角,探索“煤”“废”“碳”协同发展路径,为破解煤炭“不可能三角”和推动煤炭绿色低碳发展提供全方位解决方案。具体包括:①阐明了“煤”的减损化开采科学内涵,明确了生态脆弱区含(隔)水层空间组合特征、采煤减损技术应用下的覆岩移动规律和覆岩采动损伤下的地表变形规律等减损化开采科学问题,提出了面间煤柱“掘-充-留”一体化、窄条带式充填开采和综采架后充填开采等减损化开采技术;②阐明了“废”的功能化利用科学内涵,明确了固废功能化利用的科学问题,包括镁-煤基固废原材料改性方法与机理、多元固废协同作用机制、全固废充填材料性能调控理论3个方面,形成了以固废原材料改性、固废基胶凝材料研发、全固废充填材料制备为核心的固废功能化利用关键技术体系;③阐明了“碳”的低碳化处置科学内涵,提出了“碳”的低碳化处置科学实践框架和实施路径,厘清了在“碳”的低碳化处置过程中关于矿化材料制备、封存空间构筑、CO_(2)封存机理与调控、CO_(2)封存长期环境效应和储库稳定性等方面的科学问题,明确了碎胀空间CO_(2)封存、煤矿CO_(2)固碳充填等关键技术,形成了利用煤矿采空区实现CO_(2)低碳封存的新模式。立足煤炭绿色低碳可持续发展,协同推进“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用与“碳”的低碳化处置,对推动煤炭行业“双碳”目标实现具有重要意义。

富油煤原位热解技术战略价值与科学探索

【背景】我国油气需求缺口大、供给制约多、煤炭绿色低碳转型任务艰巨,富油煤作为集煤、油、气属性于一体的煤炭资源,具有立足国内增加油气供给的巨大潜力。【进展】富油煤原位热解技术已在陕西榆林成功实施工程试验,目前仍处于探索阶段。其具备两大战略价值:一是弥补我国油气需求缺口,提高油气自主保障能力;二是变革煤炭开采技术,推动煤炭产业绿色、低碳转型发展。富油煤原位热解包括钻孔式和矿井式两种实践途径,目标是持续高效提取煤中油气资源,主要面临热解选区、加热技术与高效传热传质等难题。【展望】“四性”是原位热解技术研发的关键,包括地质条件适宜性、加热技术匹配性、传热传质有效性和热解安全稳定性。主要内容为:(1)从富油煤资源条件、地层封闭条件、水文地质条件和构造条件等方面阐明适宜富油煤原位热解的地质基础,揭示热辐射范围内围岩封闭动态稳定性的约束条件,为原位热解选址和工程设计提供地质依据。(2)深刻认识富油煤在温度、应力约束下的热物理性质演化行为,基于地质−工程条件论证原位加热技术适宜性,并针对煤层低导热特性开展高效加热工艺设计,通过风、光、电多种供能方式互补实现供热能源经济性。(3)地应力、大尺度煤体、焦油高黏度是制约原位热解油气运移、产出的主要因素,煤层致裂、载热介质优化与温压调控、焦油降黏轻质化是改善煤层传热传质性能和提高热解油气可产出性的潜在方法。(4)原位热解持续稳定运行依赖于全过程监测与动态预警,需要监测手段立体化、地质信息反演精准化、多相多场环境模型化、突变阈值预测预警等技术予以支撑。进一步探索与地质条件相匹配的富油煤原位持续高效热解关键技术,破解煤炭资源开发与地质环境之间的制约矛盾,是推动富油煤原位热解技术深入发展的关键。

论煤-水-土多资源协调开发

煤炭及其伴生资源是地质体的重要组成部分,大规模和高强度开采会引起近地表岩石圈、土壤圈、水圈的联动响应,进而反向制约煤炭及其伴生资源的安全开采与开发。围绕煤矿区的煤-水-土多资源协调开发,基于多学科知识交叉的地球关键带理念,阐述煤-水-土协调开发的必要性以及多圈层、多过程、多尺度、多目标的耦合关系,为煤炭安全绿色开发和生态环境可持续发展提供战略思考。(1)立足煤炭安全高效开采、土壤-水资源安全和生态环境保护多目标多维度角度,剖析大规模、高强度开发背景下采前、采中、采后地质条件动态演化、多资源时空关系、生态环境响应特征,提出煤炭资源开发生命周期条件下的煤炭资源区的地质调查战略和开发策略。(2)开展煤-水-土多资源量的系统调查和地质结构精细表征,全面理解和综合评价煤-水-土赋存特征和相互依存关系,形成集资源禀赋、生态环境、人口经济等于一体的地质调查评价体系和方法,提出基于煤炭开发、多资源利用、水土保护、生态屏障、土地安全等一体化的全链条调控措施和开发策略与开发政策。(3)监控开发过程中地层地质功能结构变化,理解煤-水-土空间组合结构及分层界面效应和煤(岩)-水-土相互作用的动态演化规律,构建复杂地层结构煤炭安全开采和水-土资源协调开发覆岩变形的演化模型,厘清煤-水-土空间结构及其对开采活动的约束效应,发展地球科学、采矿学、生态学、水文学等多学科交叉的煤炭绿色开发地质保障理论与技术。煤-水-土协调开发研究服务于煤炭安全开采与地质环境保护协调发展,破解多资源开发瓶颈及其地质环境制约之间矛盾,通过对煤炭开采全生命周期内的地质条件和环境效应的关键影响因素、状态参数阈值、演化驱动机制的理解,构建地质环境约束、开采模式调控、系统规划利用的煤-水-土多资源协调开发时空格局。

倾斜煤层煤层气与煤炭地下气化协调开发技术构想

煤层气(CBM)开发与煤炭地下气化(UCG)是我国煤基天然气生产的重要来源,新疆前陆冲断带倾斜煤层发育区煤与煤层气资源丰富。为深入剖析倾斜煤层CBM与UCG协调开发可行性,系统剖析了现有CBM与UCG关键技术及其对CBM−UCG协调开发的借鉴意义,分析了倾斜煤层CBM与UCG协调开发优势、技术路径、面临的主要问题和未来研究方向,得到以下认识:①“CBM开发疏干效应”“UCG热作用解吸效应”“UCG采动卸压效应”下CBM−UCG协调开发可形成相互促进的良性循环;②提出了直井+顺煤层倾向井“先抽后烧”、顺煤层倾向井组合“边抽边烧”、定向L型CBM井+顺煤层倾向UCG井“边烧边抽”、下部煤层布置沿倾向UCG井+上部煤层布置定向L型CBM井“先抽后烧再抽”、复杂井型“井工厂式”布置等协调开发技术路径;③CBM与UCG协调开发面临地质选区评价理论基础研究薄弱、缝网条件下UCG热作用扩展范围不清、倾斜煤层UCG过程岩层移动卸压范围不明等理论问题;同时面临CBM−UCG协调开发“井工厂式”钻井技术、CBM井与UCG井协调开发生产制度、CBM与UCG协调开发地质动态测控、CBM井密封性与耐高温性保护等工程问题;④要强化倾斜煤层CBM与UCG协调开发地质选址评价研究、开发动态理论研究、工程协调技术先导性试验研究,确保协调开发安全、有序、可控、高效。

基于煤体真密度和自然伽马响应规律的富油煤判识

【目的】格金干馏试验下的焦油产率作为评价富油煤的唯一指标受制于前期较少的勘探资料无法满足富油煤规模化精细评价要求。【方法】基于二分类法提出利用真密度(ρ)和自然伽马(GR)判识富油煤的最佳阈值,并阐释富油煤具有显著岩石物理参数响应的内在机理。【结果和结论】研究表明:不同变质程度煤不具有统一的判识阈值,其中长焰煤类富油煤最佳判识阈值为,原煤真密度小于1.41 g/cm3、GR<80 API,判识正确率达81.82%。上述富油煤的地球物理测井参数响应受控于无机和有机组分条件,其中与焦油产率呈负相关性的灰分产率是影响煤体真密度的主要因素,灰成分(Al2O3+SiO2)所指示的黏土矿物含量对GR值影响显著;而对焦油产率起决定作用的显微组分则同样对原煤真密度变化具有一定影响。从分子尺度,干燥无灰基状态下的真密度(ρdaf)越小,煤脂肪结构越丰富、越有利于热解产生焦油;反之则芳香结构含量越高、越不利于热解形成焦油。总体而言,多种因素耦合作用使得煤体真密度与焦油产率呈现良好的负相关性。上述认识为基于地球物理测井参数评价富油煤提供了理论指导。

基于煤岩煤质多元指标的BP神经网络焦油产率预测方法研究

【目的】焦油产率是煤低温干馏利用最重要的煤质参数,决定着富油煤的清洁利用方向。但由于多方面的原因,在煤炭地质勘查阶段对煤焦油产率的测试数据十分有限,极大地制约了富油煤的精细评价和高效利用。【方法】为了提高富油煤精细评价的科学性和准确性,以陕北侏罗纪煤田以往测试1073组煤岩煤质数据为基础,并筛选出显微组分、工业分析、元素分析、灰成分分析等20项煤岩煤质参数齐全的141组数据,利用BP神经网络算法分别建立了20项煤岩煤质指标的焦油产率预测模型和以4项工业分析为基础的焦油产率预测模型,并对预测模型的准确性和合理性进行分析评价。【结果和结论】结果表明:以20项煤岩煤质指标为特征建立的预测模型最终训练均方误差为0.30,测试集数据预测结果平均绝对误差为0.65;以4项工业分析指标为特征建立的预测模型最终训练均方误差为1.07,测试集数据预测结果平均绝对误差为1.35;扩展集数据在两个模型中预测结果平均绝对误差分别为0.84和1.34,显示出20项煤岩煤质指标比4项工业分析煤质指标建立的预测模型具有更高的拟合优度和泛化性能。利用SHAP算法进一步对预测模型中20项煤岩煤质指标的重要性进行量化分析,显示出镜质组、氢元素、三氧化二铁、水分、挥发分、碳元素、壳质组、氧元素含量是焦油产率的正向影响因素,三氧化二铝、惰质组、固定碳、灰分、二氧化硅含量是焦油产率的负向影响因素,模型中煤岩煤质与焦油产率之间的内在联系很好地契合了地质上对焦油产率影响因素的基本认识,该焦油产率预测模型可以很好地应用于陕北侏罗纪煤田的焦油产率预测,为陕北地区富油煤的清洁高效利用提供支撑。

Depositional Environment and Origin of Inertinite-rich Coal in the Ordos Basin

Inertinite-rich coal is widely distributed in the Ordos Basin,represented by the No.2 coal seam of the Middle Jurassic Yan'an Formation.This paper combined coal petrology and geochemistry to analyze the origin of inertinite,changes in the coal-forming environment and control characteristics of wildfire.Research has shown that there are two forms of inertinite sources in the study area.Alongside typical fusinization,wildfire events also play a substantial role in inertinite formation.There are significant fluctuations in the coal-forming environment of samples at different depths.Coal samples were formed in dry forest swamp with low water levels and strong oxidation,which have a high inertinite content,and the samples formed in wet forest swamp and limnic showed low inertinite content.Conversely,the inertinite content of different origins does not fully correspond to the depositional environment characterized by dryness and oxidation.Nonpyrogenic inertinites were significantly influenced by climatic conditions,while pyrofusinite was not entirely controlled by climatic conditions but rather directly impacted by wildfire events.The high oxygen level was the main factor causing widespread wildfire events.Overall,the combination of wildfire activity and oxidation generates a high content of inertinite in the Middle Jurassic coal of the Ordos Basin.

矿业类高校煤地质类课程思政育人元素与体系构建

煤地质类课程在矿业类院校地质专业人才培养中占有重要地位。煤地质类课程中蕴含着丰富的课程思政元素,包括哲学思维、绿色发展、家国情怀与奉献精神、科学精神与创新思维等。基于煤地质类课程四重属性,优化教学内容,全面融入思政元素,进而形成煤地质类课程思政建设思路与框架体系,明确课程思政育人目标。

曹家滩煤矿煤质特性及清洁利用途径分级研究

煤炭资源清洁高效利用是实现国家“双碳目标”的有效途径。通过对陕西陕北侏罗纪煤田曹家滩煤矿采集样品煤质数据的综合分析,探讨了该矿煤质特性及清洁利用途径。研究结果表明,研究区主采煤层属特低—低灰分、中高—高挥发分、特低—低硫、特高热值的长焰煤和不黏煤,砷、氯、氟、磷有害元素含量属低—特低,热稳定性好,可选性属易选煤。参照不同用途煤质的评价指标对曹家滩煤矿主采煤层的煤质进行了分级评价。结果显示,曹家滩煤矿各主采煤层可以作为优质动力用煤、煤制兰炭用煤、煤制焦油用煤及气化用煤的优选矿区;各煤层大部分区域为Ⅰ级动力用煤,部分为Ⅱ级动力用煤;各煤层部分区域为Ⅰ级兰炭用煤,大部分为Ⅱ、Ⅲ级兰炭用煤,仅有部分区域不可用于兰炭用煤;各煤层大部分区域为Ⅰ级煤制焦油用煤,小部分区域为Ⅱ级煤制焦油用煤;各煤层的大部分区域可以应用于气流床气化用煤和固定床气化用煤,但是受煤对二氧化碳反应性指标的制约均不能应用于流化床气化用煤;各煤层的全部区域可以用于固定床气化用煤。研究可为曹家滩煤矿煤炭资源的清洁、高效的利用提供指导。

不同煤层富油煤的孔隙发育与强度特征关联性研究

在煤矿开采过程中,煤体受外力作用致使孔隙贯通、强度下降,容易引发巷道围岩失稳、顶板垮落等工程灾害。为研究孔隙分布与强度特征间的相关关系及影响机理,选取中国陕北地区榆神府矿区3组代表性煤样(N22、H52、H42煤样),分别开展其孔径分布与强度特征试验,并基于皮尔逊相关系数与能量演化进行分析,研究结论如下:3组煤样均以微孔、过渡孔发育为主,大孔发育极差,抗压强度以N22煤样最高,为31.3 MPa,其次为H52、H42煤样,分别为14.2、12.5 MPa;煤样的总孔隙率及大孔、中孔和过渡孔的分孔隙率均与抗压强度表现出负相关关系,微孔孔隙率与抗压强度呈现出正相关关系;在压缩过程中,微孔有利于煤样压缩时积累弹性应变能U_(e),在一定程度上有利于提高煤样的抗压能力,大孔、中孔及过渡孔则消耗耗散能Ud相互贯通形成裂隙。

“双碳”目标下煤炭开采扰动空间CO_(2)地下封存途径与技术难题探索

煤炭作为我国主体能源地位短期内难以改变,但煤炭工业发展面临着“碳达峰,碳中和”目标的新挑战,积极推动煤炭资源绿色开采与低碳利用,充分发挥煤炭安全供给的兜底作用,是保障国家能源安全的重大现实需求。而CO_(2)排放是煤炭工业可持续发展面临的最大制约,探索大规模、低成本CO_(2)封存技术是煤炭资源低碳化利用必须面对及破解的难题。在对煤层自然封存CO_(2)和CO_(2)气藏赋存地质条件研究基础上,探讨和展望利用煤炭开采、地下气化及原位热解等形成的扰动空间进行CO_(2)地下封存的技术途径,并明确了实现CO_(2)地下高效封存的必备条件:①煤层上部存在不受开采扰动影响的地质密闭层是实现煤矿扰动空间CO_(2)封存的先决要求;②构建功能性充填空间是实现CO_(2)地下封存的核心工作;③由功能性充填体围限的碎裂岩体、气化煤灰及热解半焦等封存载体物性特征是影响CO_(2)封存量及封存效果的重要因素。据此,剖析了进行CO_(2)地下封存亟待解决的技术难题:①实现CO_(2)地下封存的地质条件及评价方法;②构建CO_(2)封存空间的材料与工程技术;③煤炭开采、气化及热解扰动范围探测与CO_(2)封存潜力评价;④CO_(2)充注与封存效果监测及评估。在此基础上,针对煤炭开采、地下气化及原位热解过程中形成的扰动空间特点,分别提出了煤层采空区碎裂岩体、煤地下气化灰渣及碎裂岩体、煤原位热解半焦进行CO_(2)地下封存的实现途径。

富油煤的油气资源属性与绿色低碳开发

黄河中上游是国家大型煤炭基地集中分布区,也是我国富油煤的主要生产区。受我国“缺油、少气、相对富煤”资源禀赋特点的制约,煤炭安全绿色开采,清洁低碳利用已成为保障国家能源安全的重大需求。实现黄河流域富油煤开发与生态环境保护协调发展,对缓解我国油气供应紧张、保障能源战略安全具有重要的科学价值和现实意义。富油煤是集煤油气属性为一体的煤炭资源,其油气潜力、特殊性、关键地质问题亟需研究,绿色低碳化开发技术亟待探索。①富油煤主要赋存于中低阶煤类中,主要特点是富含较多富氢结构;在隔绝空气加热时,可生成油、气和半焦。半焦主要成分为固定碳,与无烟煤相近;气体的主要成分是CH_(4),H_(2),CO等,可以作为燃料气和原料气;油为煤焦油,类似于重质石油,可通过前处理、加氢精制和加氢催化裂化工艺等达到清洁燃料油标准;②富氢结构是富油煤具有油气资源属性的物质基础,研究富氢结构的岩石学、沉积学特征及变化规律,分析富氢结构物质来源、沉积转化、变质演化、聚集规律及地质驱动机制,是构建富油煤预测模式与评价理论的基础;③梯级利用和原位热解是富油煤绿色低碳开发的重要途径。富油煤地面热解-气化一体化、热解-化工-发电一体化技术可以实现清洁高效利用,井下原位热解有望破解清洁低碳利用的难题。其中,矿井式原位热解技术通过井巷工程布置方式,利用井下巷道开展煤层分割、保温封闭,通过煤层原位加热实现井下热解生产油气;钻孔式原位热解技术通过注热孔加热和油气抽采孔回收油气,也可借助人工辅助造缝,实现加热回收油气。将富油煤作为煤基油气资源管理和开发,是新时代煤炭工业高质量发展的重要方向。

煤层气合采地质研究进展述评

煤层气合采是提高多煤层区煤层气开发效率的重要途径,但成藏作用的特殊性决定合采方式与产能效果复杂多变,高效开发面临较大挑战。我国煤层气地质工作者围绕多煤层煤层气成藏与合采可行性开展大量基础研究与工程实践,取得丰富的阶段性成果,为深化煤层气开发地质理论、推动产业发展提供有力支撑。从叠置煤层气系统成藏机理、合采地质约束条件、合采可行性判识方法、合采储层伤害4个方面,系统分析评述我国煤层气合采地质领域的最新研究进展,以期为后续研究开展、工程实施与产业建设提供参考。主要认识可概括为:(1)深化了叠置煤层气系统成藏的层序控气机理以及成岩作用与地应力的后期改造效应;构建了煤系地下水环境化学封闭指数,为判识含气系统叠置性及流体动力条件提供了新的参数,结合流体压力剖面识别出3类含气系统叠置地质模式(增长型、衰减型和稳定型);进一步将叠置煤层气系统理念扩展到煤系气范畴,提出煤系复合储层叠置含气系统“共采兼容性”理论与方法体系,并应用于煤系气合采先导示范工程,取得初步应用成效;(2)华北石炭-二叠系(太原-山西组)与黔西-滇东上二叠统(长兴-龙潭组)是煤层气合采研究与工程实践的热点区域(层域),压力系统及渗透性差异是合采中最受关注的地质因素。华北山西组、太原组的水动力系统与供液能力差异是制约合采效果的重要因素,黔西-滇东地区合采煤层的最大层间跨度、累计煤厚、煤体结构受到更多关注,表层水干扰是制约织金区块煤层气合采效率的关键;(3)产能分析、物理模拟、数值模拟、产出水地球化学分析是煤层气合采可行性与干扰判识的重要方法,提出了基于产出水地球化学解析合采井产出水源和判识干扰程度的基本思路、技术图版和评价流程及基于产能曲线分峰剥离的产层贡献分析方法,技术方法的不断成熟、创新为煤层气合采方案、工艺优化与效率提升提供了有力支撑;(4)煤层气合采对地质条件与工程扰动更为敏感,易诱发储层伤害,涉及产层暴露诱发的贾敏效应与气锁伤害,压力系统与渗透性差异诱发的应力与速度敏感伤害。均一化储层改造、分压力系统开采(分时间或分空间)、精细化排采设计与管控是降低储层伤害的有效途径。

可控冲击波增透保德煤矿8~#煤层的先导性试验

介绍了可控冲击波技术在保德煤矿的煤层增透先导性试验。试验设计了1个试验孔,2个近区观测孔和2个远区观测孔,对作业有效增透区域进行分析。试验结果表明:试验孔近区1号和2号观测孔瓦斯抽采量显著增加且呈明显的递增趋势,远区3号和4号观测孔瓦斯抽采量虽显著增加但递增不明显;揭示可控冲击波作业后裂隙场在近区发育丰富,远区相对较少的增透特点;初步确定冲击波致裂增透煤层的有效半径大于15m。通过数据对比分析证明冲击波增透煤层存在最佳作用次数。

神府南部矿区低阶煤化学组成与工艺性质:特征、关系与实践

煤炭分质利用是契合其高效、清洁与绿色发展趋势的必然途径,而了解煤的基本化学组成与关键工艺性质是实现煤炭资源分级分质利用的基础。陕西神府南部矿区煤炭储量丰富,是西部重要的低阶煤生产基地,但长期以来未能完全实现煤的最佳分质利用,制约着优质煤炭资源价值优势的充分发挥以及经济与社会效益的进一步提升。以此为背景,以神府南部矿区主要生产矿井低阶煤样品为研究对象,开展煤的化学组成与工艺性质测试,化学组成包括工业组分、主量元素、全硫与形态硫、有害元素P及煤灰成分等,工艺性质包括发热量、低温干馏、热稳定性与煤灰熔融性等方面。基于数量化分析方法揭示煤的化学组成与工艺性质特征及其内在关系,构建基于化学组成的工艺性质预测数学模型,为煤炭分级分质利用提供基础依据。结果显示:①研究区低阶煤资源以特低灰、特低硫、特低磷、高-特高发热量、富油、高热稳定性、弱-无黏结性为特点,品质优良,具有显著的分质利用优势,尤其广泛分布的富油煤应予以高度重视;②煤的工艺性质与化学组成之间存在密切成因联系,发热量与固定碳含量呈正相关,低温干馏焦油产率与挥发分产率、氢元素含量呈正相关,水分含量决定低温干馏总水分产率,且在特定煤类条件下,灰分产率是控制煤诸多工艺性质的关键因素,包括发热量、黏结性、焦油产率等,均呈负相关性;③基于逐步回归分析与显著性检验,建立了基于化学组成预测煤关键工艺性质的数学模型,并以张家峁矿为例,利用所建模型预测低温干馏焦油产率和富油煤分布,预测结果与实测数据相符,验证了模型的可靠性。建立的预测模型为利用早期地质勘查资料评价煤的关键工艺性质,尤其富油煤分布提供了可行途径。研究成果对丰富陆相盆地低阶煤物质组成与化学性质基础认识,刻画其内在关联属性与量化模型具有重要参考价值,可为神府南部矿区以及其他类似地区优质煤炭资源(富油煤)的科学评价与最佳利用提供参考依据。

神府南部延安组富油煤多源判识规律

富油煤对缓解我国油气资源供应紧张局势、实现煤炭绿色低碳利用具有重要的资源优势。与富氢煤相比,富油煤具有更广义的范畴、更明确的实用性,且高挥发分产率与高焦油产率之间并不具有单调对应性,尤其在有限区域或煤阶范围内,这一规律尤为明显。但目前富油煤识别指标单一且以往数据较少,在标准格金干馏试验基础上丰富富油煤识别方法是亟待解决的重要问题。以神府南部矿区为例,通过探讨富油煤相关性特点及宏-微观控制规律,结果显示:①煤层厚度与煤焦油产率分布稳定性呈正相关性,但与焦油产率相关性较弱;②在有限的煤阶范围内,挥发分与焦油产率间规律不甚显著,反而对产气率、产水率约束性更为明显。这一现象同样体现在H/C原子比,高H/C原子比并未指示高焦油产率,但对较低的产气率和较高的产水率具有清晰指示意义,这与煤中含氧官能团裂解并获取氢自由基的过程存在密切相关性;③宏观煤岩类型对焦油产率具有较好的控制性,这与煤体显微煤岩组成密切相关,总体表现为镜质组、矿物双重控制性,其中光亮煤、半亮-半暗煤焦油产率主要受控于镜质组含量;暗淡煤、夹矸主要受控于煤中矿物含量;④灰分与焦油产率间总体呈单调递减规律,但不同煤灰成分表现有所不同。指示内源沉积作用的CaO+MgO质量分数增加,有助于富油煤热解催化并一定程度提高煤焦油产率。指示陆源碎屑沉积的SiO2+Al2O3质量分数增加则会降低煤焦油产率,与灰分指示规律一致。指示闭塞、滞留环境的Fe2O3(黄铁矿)虽然对煤热解具有催化裂解作用,但在格金干馏试验条件下并未明显促进焦油产率升高,反而对产水率的促进作用更为明显;⑤真密度与焦油产率间呈负相关性,低密度煤样表现为Aar/Aal,B,C,CH2/CH3相对较小,指示煤中脂肪结构较为丰富、烷基侧链丰富,有利于热解过程中不稳定化学键裂解形成分子量较小的烷基自由基进而提高煤焦油产出。

富油煤热解流体滞留特征及其机制

富油煤作为煤基油气资源在我国西部地区拥有丰富的资源量,对其规模化提取油气不仅有利于提高国内能源供给能力,同时有利于改善煤炭的高碳属性。富油煤原位热解技术在提取煤中油气资源的过程中,具有绿色、低碳、地质结构损害小的优势,但其油气产出可能面临流体迁移约束与滞留问题。利用低场核磁共振实验和热重分析实验充分证实了富油煤热解残样中存在油气滞留特征,基于傅里叶红外光谱数据探讨了煤基质结构演化对热解流体迁移的束缚和滞留机制。研究结果表明,低场核磁共振T_(1)-T_(2)谱显示富油煤500℃热解后存在较强烈的油性小分子信号,利用热重分析技术对500℃热解后的半焦再次进行热解实验,发现其初始热解温度仅为461.5℃,低于前期500℃预处理温度。对比该热解样品与未热解的富油煤原始样品,在371~462℃热解温度段活化能前者却远低于后者。上述现象充分说明500℃富油煤热解阶段存在油的束缚情况。随着热解温度的升高,煤中含氧官能团和脂肪结构不断减少,导致煤-油相互作用增强、煤-水相互作用减弱,这一方面使煤基质对热解焦油的迁移约束性增强,另一方面使煤中可动水含量逐渐增多。此外,煤的芳香结构不断增多,使得煤基质塑性减弱、表面张力增强,也不利于热解产物形成的气泡突破基质壳体,从而产生滞留。然而,700℃热解样品几乎没有束缚油特征,这主要是由于该温度段热解产物发生了强烈的二次热解反应,滞留物质多以气态小分子形式存在。上述研究有助于深化富油煤原位热解流体迁移与产出认识。

榆神府矿区富油煤多尺度孔隙结构特征

利用富油煤提油炼气是弥补我国油气供给不足的重要措施,而富油煤的孔隙发育特征及其渗透能力等方面的研究是开发利用富油煤的基础工作。以榆神府矿区富油煤为研究对象,采用低温液氮吸附法、压汞法、核磁共振法以及气渗透法等多元手段对富油煤多尺度孔隙结构进行分析,并开展富油煤全段孔隙表征研究。基于富油煤多尺度孔隙结构测试结果,开展富油煤孔隙特征与传统低阶煤样差异性讨论。结果发现:榆神府矿区富油煤微小孔隙极为发育,占比高达70%以上,大孔、中孔发育相对不足,仅占总孔隙的25%~30%;核磁共振结果与低温液氮吸附法、压汞法联合表征结果对比发现,联合低温液氮吸附法与压汞法可较好地表征煤样全段孔隙;相较于传统低阶煤,富油煤具有较大的孔比表面积与低温氮吸附量,分别为27.48 m^(2)/g、40~50 cm^(3)/g,具备富油煤提油炼气的良好物性条件。