冀北榆树沟煤矿区褐煤地下气化地质条件分析.pdf

第 2 0 卷 2 期 2 0 0 8年 2 月 中国煤炭地质 C0AL GEOLOGY OF CHI NA Vo l _2 0 No ． 2 Fe b．2 0 08 文章编 号 1 6 7 4 1 8 0 3 2 0 0 8 0 2 0 0 0 9 0 3 冀北榆树沟煤矿 区褐煤地下气化地质条件分析 谢 明忠 河 北 省 煤 田地 质 勘 查 院 ， 河 北 邢 台0 5 4 0 2 2 摘要 通过对冀北沽源县榆树沟煤矿 白 系青石砬组含煤地层地质条件进行 分析 ， 认 为仵 该矿 区进行煤炭地下气 化是可行的。 研究 区构造简单 ， 为一轴 向近东西 向的舒缓 向斜 ， 主要煤 层厚 度大 ， 最大平均厚度 为 2 4 _ 3 1 n 。 可采煤层 顶板多为泥岩 、 炭质泥岩 ， 尤其 是煤 系上 覆的“ 三趾马红土 ” 层 ， 对气体有 良好 的圈闭作用。 由于褐煤 的灰分 含量 高 ， 2 6 ％～ 4 9 ． 0 3 ％， 地下气 化时对煤层 顶板影 响小 ， 主要煤层埋 藏浅 2 0 0 3 0 0 m， 水 文地质条件简单 ， 根据诸 多 因素分 析 认为该矿区适合进行褐煤 地 下气化开采。 关键词 褐煤 ； 地 下气化 ； 可行性分析 冀 北榆树沟 中图分类号P 6 1 8 ． 1 1 0 ． 2 文献标识码 A 1 8 6 8年 ，德 国科学家威廉 西蒙斯首先提 了 煤炭地下气化 t C G 的概念。l 8 8 8年 ， 俄罗斯化学家 门捷列夫提出了地下气化 的基本工艺 ，之后英国科 学家拉姆塞于 1 9 1 2年 在拉塞姆煤 田首 次进行 了成 功的地下气化试验． 前苏联 l 9 3 1 年开始进行了大量 的试验并进行工业化生产 。莫斯科 近郊气化站 在 1 9 4 1年从技术上第一次解决 了无井式地 下气化的 技术问题 ． 目前有较大规模工业化生产气化站。 7 0 8 0年 代 ， 美 国 、 德 国 、 比利 时 、 英 国 、 法 国 、 波 兰 、 捷 克 、 日本 等 国都 进 行试 验 。 我 国开发 的废 旧矿井煤 炭 资源 地 下气 化 的 “ 长 通道 、 大断面 、 两阶段 ” 工 艺可获得 含氢量在 5 0 ％、 热值 在 1 1 MJ ／ m3 以上 的地 下水 煤 气 ．且 能够 实 现连 续 、 稳定生产 ， 取得了很大的成绩 ， 这种方法是属 于 有井式的， 对于废弃资源 的回收有重大意义 ． 而无井 式 U C G在我国近乎空 白， 只有部分试验⋯ ， 尤其是近 几十年我国无井式 U C G研究几乎处于停顿状态 ， 很 少有机构和个人进行这方面的研究 ，与世界水平 的 差 距越 来越 大 。 冀北 沽源县榆树沟煤矿 区 已经进行 了详 查工 作 ， 取得 了丰富的地质资料 ， 本文尝试对这些资料进 行分析 ，探讨该矿区进行煤炭地下气化的地质可行 性 ，以期引起 国内相关机构和科研人员对我国无井 式 U C G 的关 注 1 地质背景 本 矿 区 南 北 长 7 0 0 0 m，东 西 宽 6 0 0 0 m．面 积 作 者简介 谢 明忠 1 9 6 4 一 ， 男， 河北 吴桥人 ， 1 9 8 5年 毕业 于河北 地 质学院 ， 地质矿产 调查专业 ， 学士学位 。从事 于煤 田地质 勘 探工作 。 收稿 日期 2 0 0 8 一 O 1 一 O 2 责任 编辑 唐锦秀 4 2 k in ， 储量 约 3 - 4亿 t 。煤 层埋 深 2 0 0 ～ 3 0 0 m。 1 ． 1地 层 榆 树 沟煤 矿 区煤 系基底 为下 白垩统 花 吉营 组火 山岩 ， 厚度大于 7 5 0 m。含煤岩系为下白垩统青石垃 组 ， 该组地层在本 区可分为 6个岩性段 ， 含煤 l 0余 层 ， 主要地层特征如 表 1 。 青石砬组上覆地层为新 近 系 中新 统 结 构致 密 、 气孔 、 杏t _ 状 构造 的玄 武 岩 ． 揭 露厚 度 6 6 ． 0 7 m。新 近 系 上新 统 ， 下部 为 分 布 于整 个盆地 的“ 三趾马红土” ， 最厚 6 2 ．4 4 m， 盆地 中部 由 于 冲刷 作用 ， 本层 被 剥蚀 掉 上 部为 成岩 程度 差 的砂 砾石 岩 夹粘土 岩 ， 冲积平原 中部最厚 ， 为 7 】 余 IT I ， 向两侧变薄尖灭。第 四系下更新统为淤泥质亚砂 土 ， 夹粉 细砂 、 粉 砂 ， 最 大厚 度为 1 3 9 ． 8 7 m。第 四系上 更新 统一 全新 统 主要 为松散 坡洪 积物 ． 厚 2 ～ 3 m 1 ． 2 构 造 本区为一中生代断陷型盆地 ， 构造简单。 区内没 有较 大 的褶 曲构 造及 断裂 构造 。矿 区西部 见一 隐伏 正 断 层 F ， 为 盆 缘 构 造 ， 长 9 6 0 0 m， 倾 向 N E， 倾 角 7 0 。 。整 个含 煤 区为一 轴 向近东西 向 ． 局部 为 N W7 6 。 舒缓状 向斜构造 ， 构造形态西部 收敛 ， 中部膨大 ， 向 东敞 开 图 1 。 岩 浆 岩对 本 区的煤 层 、 煤质 及构 造没 有 影 响 表 1 榆树 沟矿 区含煤地层青石垃组主要特 征 Ta b l e 1 Yu s h u g o u c o a l m i n e a r e a c o a l b e a r i ng s t r a t a m a i n c h a r ac t e r i s t i c s 地层 厚度 平均 ／ m 主要岩性 煤层 号 六段1 6 ． 8 5 ～ 2 l 1 ．5 0 8 5 ．9 5 1 粉砂岩 、 泥岩 1 4 1 9 五段2 ．4 6 ～ l 3 1 -4 1 5 6 ．2 2 1 砂岩 、 泥岩 、 粉砂质泥岩9 ～ 1 3 四段 2 4 ．7 2 ～ 2 6 7 ． 2 4 1 3 1 ． 1 7 砂岩 、 砾岩 、 砂质砾岩 三段4 6 ． 2 2 ～ 1 9 3 ． 8 6 1 1 0 ． 1 9 1 粉砂质泥岩 、 泥岩 3 8 二段 大 于 1 2 4 ．3 6 泥 岩 、 粉 砂 质 泥 岩 1 ～ 2 一 段 大于 6 O 砂岩 、 砾岩 维普资讯 1 0 中 国 煤炭 地质 第2 0 卷 1 ． 3煤层煤质 本区平均厚度 大于 l m煤层特征如表 2所示 。 各煤层水分普遍较低 。原煤 2 ． 9 3 ％～ 1 3 ． 5 5 ％ 原 煤灰分 2 6 ． 6 9 ％～ 4 9 ． 0 3 ％；硫分 除 9号煤 为低硫煤 1 ． 4 7 ％外 ， 其余煤层皆为特低硫煤 ； 挥发份为 4 7 ． 5 2 ％ ～ 5 1 ． 6 6 ％； 原煤发热量 1 2 ． 8 ～ 2 0 ． 1 J M ／ k g ， 1 4号煤为中 发热量 ， 其余 为低发热量 ； 热稳定性 1 2 、 1 5号煤为 极差 ，其余为较差煤 。如储量最大 的 1 4号煤层为 5 2 ． 3 ％ ； 瓦斯 只 在 1 9号 煤 取 了 3个 瓦 斯 样 ， 结 果 C H 4占2 ． 8 5 ％～ 4 ． 8 1 ％，平均 3 ． 7 2 ％； C O 2占 1 8 ． 3 1 ％～ 6 7 ． 5 1 ％ ， 平 均 4 2 ． 0 4 ％ ； N 2 占 2 8 ． 9 8 ％～ 7 8 ． 8 4 ％ ， 平 均 5 4 ． 2 4 ％。煤 种 为褐 煤二 号 。 图 1 榆树沟矿区构造纲要图 Fi g u r e 1 ug 0 u c o a l m i n e a r e a s t r uc t u r a l o u t l i n e d m a p 表 2 榆树 沟矿 区煤 层特征一览表 Ta bl e 2 Yu s h ug o u e o a l m l n e a r e a c o a l s e a m c h a r a c t e r i s t i c s 1 ． 4水文及工程地质特征 直接充水含水层为煤层顶板含水层 、煤层底板 含 水层 。此 两层 水量 小 ， 补 给量不 足 。顶板 含水层 q 小 于 0 ． 0 5 L ／ s m， 最 大 为 0 ． 0 7 5 L ／ s m； 底 板 含 水 层 水 量 更小 。 属 极弱 含水 层 。一般 对煤 层无 影 响 。 根据对红色粘土 、 顶底板砂岩 、 泥岩、 粉砂质泥 岩 、 粉砂岩等进行的抗压 、 抗剪和抗拉试验 ， 该 区以 松散软弱岩层为主。 工程地质条件复杂。 2 煤层地下气 化可行性分析 目前 ， 地下气化开采方法的应用还有局 限性 ， 并 不适合所有地质条件的矿 区。 因此 ， 一个矿区能否进 行地下气化 。 与该矿区地质条件和煤层的几何位置 、 煤的种类 、 灰分含量 、 煤层厚度 、 结构 、 产状 、 断层情 况、 地表地形 、 围岩性质等因素有关系[ 】 1 。 2 ． 1煤 的种类 榆树沟矿区的煤种为褐煤二号 。褐煤是最适宜 于地下气化方法开采 的煤类 。 其透气性高 ， 热稳定性 差 。较易开拓气化通道并气化 ，气化时煤气温度较 低 。 气流速度相对较小 ， 携带煤尘的能量将降低 ， 煤 气的流通阻力也将减小 。 褐煤热稳定性差的性质 ， 易 受热破碎 ， 导致小块煤的反应表面积大大增加 ， 无粘 结性 ．对高速气化有利 。 4 7 ． 5 2 ％～ 5 1 ． 6 6 ％的高挥发 份 ． 有利于改善气化过程 。 2 ． 2 灰 含量 煤厚 夹矸 e 绵 s i l - t； k 靛性 冁 冁碱 冁底板 1 O - 1 6 ～ 4 - 5 2 不稳定0 6 【 l _ 9 9 3 0 ． 7 6 3 ． 7 5 较稳定0 2 2 - 4 4 6 0 ． 7 0 2 ． 4 0 不稳定O ～ 1 ／ 1 、 疋u～ 1 _ 1 8 7 0 ． 2 5 2 ． 9 0 不稳定0 1 ．2 9 1 1 O - 2 5 ～ 1 _7 5 不稳定O ～1 1 _ 1 8 1 2 0 _ 1 2 3 ．8 5 较稳定0 3 【 l - 儿J 1 4 4 ～ 7 较稳定o ～ 1 9 f 2 4 _ 31 1 1 5 0 ． 2 3 ～ 4 - 6 3 1 ． 5 3 1 7 0 ． 5 0～ 5 - 4 9 1 ． 5 1 1 8 l _ 0 0 ～ 3 - 2 8 1 ． 7 9 1 9 O - 9 5 ～ 5 - 2 4 3 ． 1 O 简 单 、 局炭 质 泥 岩 为 主 ， 粉砂 粉 砂 质泥 岩 、 部复杂 质泥岩次之 炭质泥岩 简 单 ． 圭 ， 炭 质 泥 岩 为 主 一’ 质 泥 岩 、泥岩次之 一 ⋯ ⋯ ⋯ 简单 泥岩 简 单 炭 质 泥 岩 为 主 炭 霎 砂 简单 炭质泥岩为主 ， 泥 炭质泥岩为主 ， 泥 岩 、 粉 砂 质 泥 岩 次 之岩 、 粉砂 质 伲 岩 次 之 简单 炭质泥岩 、 粉砂质炭质泥岩 、 粉砂 质泥 泥 岩 、 粗 砂 岩 、 扼 岩 岩 、 粉砂 岩 、 泥 岩 简单一 炭质泥岩 、泥 岩 炭质 泥岩 、 泥岩 较靛 炭 、 较稳定O ～ 4 简单 ， 西 炭质泥岩 、泥岩 粉砂质泥岩 、 泥岩 部 略复杂 不稳定0 ～ 1 简单 泥岩 、 炭质泥岩 不稳定O ～ 3 简单 泥岩 泥 岩 泥 岩 本 区可采煤层都为高于 2 6 ％的高灰 、 富 灰煤 。 尤其是主采 的 1 4号煤层为富灰煤 。地 下气化方法适合于高灰分煤的开采 。当煤层 灰分含量超过 2 O ％时 。 煤层气化时对顶板 的 影响就减小 。 因为气流能通过支撑塌陷顶板 的渣堆流过 。高灰分煤层气化时 ， 应要在足 够高的温度下进行 。该温度可 以熔化渣 ， 在 后续冷风作用下造 成碎粒 ，以利 于气 流通 过 。 2 ． 3煤层厚度 本 区可采煤层的厚度大部分大于 1 ． 3 m， 尤其是 1 4号煤层 ， 平均厚度为 2 4 ． 3 1 m。 在地 下气化过程 中。 燃烧 区和煤气不仅 因水 的涌 入而被冷却 。 而且其 中一部分热量会散失到 煤层和围岩f 底板 、 顶板等 中去 。当煤层厚度 小于 2 m时．围岩的冷却作用剧烈变化对煤 气热值影响甚大。对于较薄煤层 ， 增加鼓风 速率或富氧鼓风可以提高煤气热值 。气化煤 层 的厚 度增大时 。 煤气 热值也 随之增加 图 2 。 维普资讯 2期 谢 明忠 冀北榆 树沟煤矿 区褐煤地下气化地质条件分析 2 ． 4 煤层产 状 任何产 状 的煤 层 ， 都 可 以用 气 化方 法开 采 。 急倾 斜煤层易于气化 ， 但发生炉结构较复杂 ， 开拓钻孔工 作 较 困难 。在 倾 角小 于 l 5 ℃～ 2 O ℃的缓倾 斜 煤层 内 ， 采用通道气流法进行气化时， 与急倾斜煤层 比较 ， 困 难较多 ， 因为在这种情况下 ， 顶板 易迅速塌陷 ， 尤其 在 顶板 容 易错 动及 不稳 定 的条件 下 ， 困难 就 更 大 。 当 煤 层 是水平 埋 藏 时 ，除 燃烧 工作 面 沿长 度有 发 生 冒 顶的危险外 ， 产生的液态渣将积在非常短的区段 内， 引起 煤 层 的尖灭 现象 。本 区煤 层倾 角在 l O 。 左 右 ， 气 化过程 中容易发 生顶板塌 陷而产生气化 的不利影 响， 但本区煤层高灰含量对其是个 良好的制约 ， 燃烧 后形成的渣堆对顶板有 良好的支撑作用 ，气体可沿 渣堆缝隙通过。 2 ． 5 断层 在断层多、 结构复杂的区域内进行气化 ， 容易产 生气流泄露 ， 中断气化过程。本区构造简单 ， 矿区内 没有发现断层 ． 只在盆地西缘有一条 N W 走 向的盆 缘 断层 ， 非 常有利 于 U C G 的实施 。 2 ． 6 围岩 U C G要求临近岩层要完全覆盖气化煤层 ， 一般 有利 的煤层顶板是泥岩或泥质砂岩。本区可采煤层 顶板基本为泥岩 、 炭质泥岩， 对气体有 良好的圈闭作 用 ． 尤 其是 煤 系 上 覆 的 “ 三 趾 马 红 土 ” 层 ． 对 U C G非 常有利。 2 ． 7 煤层 分叉 煤层分叉通常会影响气化过程 的进行 ，甚至会 中断气化反应 。 极厚煤层的分叉 ， 可使若干个煤层同 时气化。 本 区部分区域煤层有分叉现象 ， 夹矸厚度大 都在 0 ． 2 m左右 ，对于厚煤层 ，尤其是 l 4号煤层来 说 ． U C G 基本没 有 太大 的影 响 2 ． 8水文地质条件 U C G的工作实践证 明， 地下水经常给气化准备 工作 带来 困难 ， 并对 气 化过 程起 着不 良影 响 ， 甚 至 中 量 _ 目g 皇 o o 季量 量 一 一 一 一 ／ ／ ／ f { 0 5 1 0 1 5 煤层厚度 ／ 珂 图 2 煤 层厚度和 煤气热值 的关系 Fi g u r e 2 Re l a t i o n be t we e n c o a l s e a m t h i c k ne s s a nd c o a l g a s t he r m a l v a l u e 断气 化 过程 。本 区煤 层顶 底 板直 接含 水 层的 含水 性 弱 ， 一般不会对煤层析空区造成影响。 本区东部 由于 有 闪电河穿过 ， 煤系上覆含水层水量大， 其间又无 良 好隔水层 ， 水文地质条件为中等一复杂， 所 以在东区 进行气化时 ， 要注意地表水 的涌人 。 西 区上覆含水层 水量小， 有 良好 的隔水层“ 三趾马红土” 分布， 水文地 质条件简单。 3 结论 通 过 对榆树 沟煤矿 区 白垩 系青 石 垃组煤 层 地下 气化相关的条件进行综合分析 ，认为本 区适宜于进 行 U C G工作 。 目前本 区只进行 了煤 炭详 查工 作 ， 而 煤层地下气化对勘查程度要求更高 ，因此本区还需 要进行进一步开展工作 ，对各项地质条件尤其是煤 层 的精 细对 比要 进 一步 细 化 ， 为 UC G工作 提 供更 准 确的资料。 参考文献 [ 1 】 杨兰和 ， 宋全友 ， 李耀 娟． 煤炭地下气 化工程[ M】 ．徐 州 中国矿业大 学出版社 ． 2 0 0 1 1 1 - 1 3 ， 2 3 0 2 3 1 ． [ 2 1 河北省地 质矿产局第三 地质 大队． 河北省榆树 沟煤矿区详查地质 报告『 R 1 ．河 北省地质矿产局第三地质大队 1 9 8 7 ． An a l y s i s o f Un d e r g r o u n d Ga s i fic a t i o n Ge o l o g i c a l Co n d i t i o n i n Yu s hug o u Coa l m i ne Ar e a，No r t he r n He be i Pr o v i nc e Xi e M i ng z ho ng He b e i P r o v i n c i a l C o a l G e o l o g i c a l E x p l o r a t i o n I n s t i t u t e ， X i n g t a i ， H e b e i 0 5 4 0 2 2 A b s t r a c t T h r o u g h C r e t a c e o u s S y s t e m Q i n g s h i l a F o r ma t i o n c o a l - b e a r i n g s t r a t a g e o l o g i c a l c o n d i t i o n a n a l y s i s i n t h e Y u s h u g o u c o a l mi n e ，Gu yu a n Co u nt y ，no r t he r n He be i Pr o v i nc e ，c o ns i d e r e d t h a t t he un de r g r o u nd g a s i fic a t i o n i n t he a r e a i s f e a s i bl e．The s t ud y a r e a i s s i mp l e s t r u c t u r e d ，a g e n t l e n e a r E W s y n c l i n e ，ma i n c o a l s e a ms h a v e l a r g e t h i c k n e s s e s ，a n d ma x i mu m a v e r a g e i s 2 4 ． 3 1 m． Mi n e a b l e c o a l s e a m r o o f s are ma i n l y mu d s t o n e ， c a r b o n a c e o u s mu d s t o n e ，e s p e c i a l l y c o a l me a s u r e s o v e r l y i n g ’’ Hi p p a r i o n r e d c l a y ”h a s e x c e l l e n t g a s t r a p p i n g f u n c t i o n ．B e c a u s e o f 2 6 ％ - 4 9 ． 0 3 ％ h i g h a s h c o n t e n t o f l i g n i t e ，t h u s h a s l e s s i mp a c t t o c o a l s e a m r o o f d u ri n g u nd e r g r o u nd g a s i fic a t i o n，s h a l l o w b ur yi ng d e pt h o f ma i n c oa l s e a ms ，s i mpl e hy dr og e ol o g i c a l c o nd i t i o n．A g o o d ma ny f a c t o r s i nd i c a t e d t ha t t he mi n i n g a r e a i s a d e qu a t e t o l i g ni t e un de r g r o u nd g a s i fic a t i o n e x pl o i t a t i o n． Ke ywor d sl i g n i t e ；un de r g r o u nd g a s i fic a t i o n；Fe as i bi l i t y a n a l y s i s ；Yus hu g o u，n o r t h e r n He be i Pr o vi nc e 维普资讯