煤炭地下氣化的敏感性地質(zhì)因素探討

周 澤，易同生，秦 勇，周永峰，汪凌霞，孔維敏

(1.貴州省煤田地質(zhì)局，貴州 貴陽 550025；2.貴州優(yōu)馳能源科技有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550014；3.貴州省煤炭流態(tài)化開采重點實驗室，貴州 貴陽 550014；4.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

煤炭屬于傳統(tǒng)高碳化石能源，大規(guī)模開發(fā)利用帶來的地表地下生態(tài)擾動、溫室氣體排放等問題日益凸顯[1]。煤炭地下氣化(UCG)作為一種變革性的采煤技術(shù)，能將傳統(tǒng)的固態(tài)采煤轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榻?jīng)濟(jì)高效的流態(tài)化采煤，在綠色環(huán)保和碳減排方面具有極大優(yōu)勢，重新受到國家和能源行業(yè)高度關(guān)注[2-3]。

相對于地面煤化工裝置，UCG 爐載體為地質(zhì)體。UCG 項目首先要構(gòu)建地下氣化爐，接著點火生產(chǎn)并按設(shè)計要求保證氣化運行可控，整個過程中，無論氣化生產(chǎn)還是環(huán)境保護(hù)，均需要地質(zhì)保障。對地質(zhì)條件的充分認(rèn)識是推進(jìn)UCG 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵，煤礦床地質(zhì)稟賦約束了特定UCG 項目的可行性，推進(jìn)UCG 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化必須突破地質(zhì)風(fēng)險瓶頸[4]。

全球UCG 現(xiàn)場試驗至今已有90 余年漫長歷程，其間不乏小規(guī)模短期運行成功實例，但在全球范圍內(nèi)，除蘇聯(lián)曾經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)之外，其他國家和地區(qū)迄今仍未形成產(chǎn)業(yè)化推廣[5-9]。Pei Peng 等[10]分析全球UCG 現(xiàn)場試驗得失，認(rèn)為根本原因在于地下水使用和保護(hù)、地下氣化爐構(gòu)造穩(wěn)定性(包括地下、地表環(huán)境)、所期望的合成氣質(zhì)量與組成，這是UCG 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化面臨的3 個主要挑戰(zhàn)。M.Niec 等[11]也指出煤礦床地質(zhì)條件限制了UCG 技術(shù)的廣泛應(yīng)用。秦勇等[12]認(rèn)為UCG 地質(zhì)研究圍繞“規(guī)避”展開，包括規(guī)避爐體建造、環(huán)境安全、生產(chǎn)安全以及不可持續(xù)生產(chǎn)等風(fēng)險，概括為“地質(zhì)風(fēng)險”，涉及到UCG 地質(zhì)條件的研究、勘查、評價與預(yù)測，貫穿于規(guī)劃布局、爐址優(yōu)選、氣化生產(chǎn)、燃后處理整個過程，系統(tǒng)性地質(zhì)研究尚不到位是UCG 長期未能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的重要原因。

面向“雙碳”目標(biāo)及保持以煤為主的能源工業(yè)發(fā)展優(yōu)勢，貴州省近年來積極推動UCG 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。貴州省素有“江南煤海”之稱，煤炭資源量占整個中國南方的70%，一方面構(gòu)成全省主體能源和產(chǎn)業(yè)支柱，另一方面也給安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)帶來極大挑戰(zhàn)[13]。鑒于此，2022 年5 月26 日，貴州省發(fā)布《貴州省能源科技創(chuàng)新發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，煤炭地下氣化技術(shù)研發(fā)首次被列入全省能源規(guī)劃重點[14]。貴州省煤炭資源豐富，但開發(fā)地質(zhì)條件較差，煤層層數(shù)多但單層厚度較薄[15]。盡管如此，貴州省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展依然離不開煤炭資源的開發(fā)利用。由此，迫使貴州省必須對能源發(fā)展方向做出戰(zhàn)略選擇，而UCG 正是結(jié)合各種選擇方案優(yōu)勢的最佳現(xiàn)實選擇之一[16-18]。

鑒于此，筆者針對貴州復(fù)雜構(gòu)造地質(zhì)條件，基于工程-地質(zhì)一體化新思路，結(jié)合團(tuán)隊前期提出的[12]建爐可行性、過程易控性、氣化安全性、開發(fā)經(jīng)濟(jì)性“四性”認(rèn)識，探討無井式UCG 地質(zhì)條件影響與風(fēng)險誘發(fā)敏感性因素，以期為形成適合貴州省地質(zhì)條件的安全高效UCG 科學(xué)技術(shù)體系奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 地質(zhì)參數(shù)集

UCG 建設(shè)應(yīng)規(guī)避爐體建造、氣化過程穩(wěn)定控制、生產(chǎn)與環(huán)境安全以及可能導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失的諸多風(fēng)險[12]，UCG“四性”指標(biāo)涉及地質(zhì)因素較多，甄別的關(guān)鍵因素主要涉及煤的堅固性系數(shù)、斷層指數(shù)、褶曲指數(shù)等26項地質(zhì)參數(shù)(表1)。后文分析的數(shù)據(jù)主要來源于收集、匯總整理的貴州省20 世紀(jì)60 年代以來主要勘查區(qū)各煤層各類地質(zhì)參數(shù)。

表1 地質(zhì)調(diào)查參數(shù)Table 1 Geological parameters surveyed

1.2 數(shù)據(jù)處理算法

收集整理的地質(zhì)參數(shù)涉及3 種數(shù)據(jù)類型，一是直接收集到的定量化地質(zhì)參數(shù)，諸如煤的堅固性系數(shù)、煤層厚度、煤層傾角等；二是直接收集到的定性的地質(zhì)參數(shù)，諸如勘查程度、上覆巖層穩(wěn)定性等；三是需計算的二次地質(zhì)參數(shù)，包括煤層厚度變異系數(shù)、煤層夾矸厚度系數(shù)、褶曲指數(shù)、斷層指數(shù)和建爐所需最低原始煤炭資源量5 項。為了更方便討論敏感性因素，筆者根據(jù)參數(shù)類型建立了數(shù)據(jù)模型與算法，簡述如下。

1) 最低原始煤炭資源量參數(shù)算法

建爐所需最低原始煤炭資源量C25：

煤炭采出率RR：根據(jù)我國《生產(chǎn)煤礦采出率管理暫行規(guī)定》(國家發(fā)展和改革委員會令第17 號，2012)，≤1.3 m 的薄煤層，采區(qū)必須RR≥85%；1.3～3.5 m 中厚煤層，RR≥80%；＞3.5 m 的厚煤層，RR≥75%。貴州省主要含煤地層龍?zhí)督M煤層厚度變化極大，薄煤層UCG控制技術(shù)尚不完全成熟。同時，UCG 與傳統(tǒng)地下煤炭開采工藝一樣，需要留設(shè)保安煤柱。考慮這些客觀情況，本次研究將UCG 煤炭采出率適當(dāng)放寬，定義為70%，即RR＝70%。

氣化采收率GR：統(tǒng)計美國20 世紀(jì)70-80 年代20 爐次不同工藝現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，氣化采收率為14%～129%，多為80%～95%，平均86.65%(表2)，本文采用低限80%氣化采收率。

表2 美國20 世紀(jì)70-80 年代UCG 氣化采收率[16]Table 2 UCG recovery rates in the United States from the 1970s to the 1980s[16]

2) 參數(shù)分級賦值模型

考慮簡便且具有區(qū)分度的基本原則，研究過程將地質(zhì)參數(shù)指標(biāo)分布范圍分為3 級(具體分級界限值不在此文闡述)，分別賦值為{3,2,1}，對應(yīng)于評語集{好,較好,中等}，即分級賦值越大，地質(zhì)條件對UCG 工藝技術(shù)的適應(yīng)性就越強。在此基礎(chǔ)上，采用隸屬函數(shù)表達(dá)特定評價參數(shù)的分級賦值狀態(tài)。將特定評價參數(shù)Cij的具體數(shù)值序列X分為3 段，兩個分界點分別為數(shù)值α和β(α＜β)，則該參數(shù)的分級賦值模型可表達(dá)為如下隸屬函數(shù)：

模型(3)為中間型隸屬函數(shù)，即模型表征的某個評價參數(shù)的數(shù)據(jù)序列為中間值域范圍最好，本次涉及的地質(zhì)參數(shù)僅煤層傾角適配該模型。參考DZ/T 0215-2020《礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范 煤》，25°～65°傾角最適合開展煤炭地下氣化；煤層傾角過大或過小，均不利于UCG 工作面的推進(jìn)。例如，急傾斜煤層無井式地下氣化，首先要解決的關(guān)鍵技術(shù)有沿煤層定向鉆進(jìn)施工進(jìn)氣孔和排氣孔、在實體煤層中點火和氣化通道的開拓。再如，緩傾斜煤層在氣化過程中難以剝落，影響滲流燃燒環(huán)境，CO2在一個反應(yīng)工作面無法被完全還原，水蒸氣難以被完全分解[15]。模型(4)和模型(5)可以理解為S 型隸屬函數(shù)，即模型表征的某個評價參數(shù)的數(shù)據(jù)序列為單調(diào)遞增或單調(diào)遞減，剩余地質(zhì)參數(shù)均適配模型(4)和模型(5)。例如，鉆井式UCG 爐構(gòu)建依賴于水平井，煤體強度影響到水平井眼煤壁的穩(wěn)定性，進(jìn)而決定了爐體構(gòu)建的成功與否；煤體強度一般用堅固性系數(shù)(f)表征，二者呈單調(diào)遞增關(guān)系。根據(jù)f可將井壁穩(wěn)定性指標(biāo)分為3 級：f＞1.5 的煤層賦值3，有利于井眼穩(wěn)定；介于1.5～0.8 的煤層賦值2，較有利于井眼穩(wěn)定；f＜0.8 的煤層賦值1，不利于井眼穩(wěn)定。再如，煤的受熱膨脹性影響氣化通道穩(wěn)定性，奧亞膨脹度越高，越不利于地下氣化過程的控制，與氣化有利程度之間體現(xiàn)為遞減關(guān)系[12]。

對于難以指標(biāo)化的評價參數(shù)，可采用定性分級定量賦值方法，實現(xiàn)定性指標(biāo)定量化輸入。勘查程度指示對UCG 地質(zhì)條件的控制程度，可將勘探＋詳查階段賦值為3，普查＋預(yù)查階段賦值為2，預(yù)測階段賦值為1。

3) 參數(shù)權(quán)重向量算法

某一參數(shù)的權(quán)重，是指該參數(shù)在同層次整體評價中的相對重要程度，傾向于某個參數(shù)在整體參數(shù)集中的貢獻(xiàn)度或重要性[19]。權(quán)重確定可采用諸多方法，如專家咨詢權(quán)數(shù)法(特爾斐法)、因子分析法、信息量權(quán)數(shù)法、獨立性權(quán)數(shù)法、主成分分析法、層次分析法(AHP 法)、優(yōu)序圖法、熵權(quán)法、標(biāo)準(zhǔn)離差法、CRITIC 法、非模糊數(shù)判斷矩陣法等[20-21]。

其中，層次分析法兼顧定性與定量分析，通過“兩兩判斷矩陣”把定性分析結(jié)果定量化，適合于地質(zhì)條件多數(shù)具有模糊性和確定性“雙重屬性”的特點，適合各種非確定性問題的解決，被化石能源地質(zhì)界廣泛采用。

20 世紀(jì)70 年代，美國數(shù)學(xué)家 Saaty 等率先在層次分析中引入九級比例標(biāo)度和兩兩判斷矩陣[22]。兩兩判斷實質(zhì)上是成對對比分析，引入1-9 比率標(biāo)度，將多參數(shù)定性比較轉(zhuǎn)化為定量分析(表3)。通過兩兩比較判斷，確定每一層次中各因素相對于上一層或最高層總目標(biāo)的相對重要性，并加以排序，從而判斷出系統(tǒng)主要風(fēng)險模式和風(fēng)險因素。

表3 兩兩判斷矩陣各標(biāo)度含義[22]Table 3 Meanings of scales of the pairwise comparison matrix[22]

逐一比較26 項地質(zhì)參數(shù)，且將每一個參數(shù)與各參數(shù)比較的結(jié)果排成一行，得到以下算法。

設(shè)參數(shù)ai/aj為aij，則aj/ai為aji，aji=1/aij。為此，兩兩判斷矩陣是一個方陣，也是一個正互反矩陣。

兩兩判斷矩陣求解權(quán)重方法諸多，本次研究采用特征向量法。在n階兩兩判斷矩陣A中，若存在常數(shù)λ及n維非零向量x，使得Ax=λx，則λ是矩陣A的特征值，x是A屬于特征值λ的特征向量。為此，求解矩陣A可以獲得最大特征根λmax及特征向量集ω。其中，特征向量集中的最大向量序列?max即為需求取的評價參數(shù)集特征向量。將?max歸一化處理，則獲得下一層評價參數(shù)相對于上層目標(biāo)的權(quán)重向量：

在兩兩判斷矩陣構(gòu)建過程中，受控于評價者經(jīng)驗及地質(zhì)條件復(fù)雜性，某些相對重要的成對參數(shù)賦值往往存在誤差，導(dǎo)致判斷矩陣的特征值產(chǎn)生偏差。為此，需要基于最大特征根λmax，對兩兩判斷矩陣的客觀性進(jìn)行一致性檢驗。

首先，計算一致性指標(biāo)CI：CI=(λmax-n)/(n-1)

然后，查表獲得對應(yīng)n個評價參數(shù)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，計算一致性比例CR(CI/RI)。如果CR＜0.1，則認(rèn)為兩兩判斷矩陣及求得的權(quán)重向量具有滿足要求的一致性，可以接受。據(jù)此，筆者梳理出貴州西部部分礦區(qū)地質(zhì)參數(shù)權(quán)重(表4)。

表4 貴州西部威舍區(qū)某礦27 號煤層地質(zhì)參數(shù)Table 4 Geological parameters of the No.27 coal seam in a mine in Weishe Town,western Guizhou

4) 參數(shù)權(quán)重積算法

權(quán)重積(WPx)系指某個評價參數(shù)的相對權(quán)重(Wij)與其指標(biāo)分級賦值(Xi)的乘積，用來綜合表征信息采集點某參數(shù)相對于其他同層參數(shù)在共同上層目標(biāo)中的相對貢獻(xiàn)：

特定信息采集點同層次所有評價參數(shù)或?qū)?yīng)上層目標(biāo)域評價參數(shù)的權(quán)重積之和，則為權(quán)重積和Wp，用以比較某信息采集點與其他信息采集點UCG 地質(zhì)條件適應(yīng)程度，表征該信息采集點在所有信息點中的排序：

以往地質(zhì)參數(shù)排序研究中，采用的方法或人為主觀性較強，如主觀判斷法、專家打分法等；或算法過于繁雜，如方差法、Ward 法、模糊數(shù)學(xué)法等。與此相比，本次研究提出并建立的權(quán)重積方法具有兩方面優(yōu)越之處：其一，計算簡便易行，利用Excel 電子表格簡單設(shè)置就可形成計算模板，不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型輸入或軟件處理；其二，權(quán)重與分級賦值乘積放大了各評價參數(shù)或評價對象之間排序數(shù)值的客觀差異，對綜合貢獻(xiàn)度或地質(zhì)條件適應(yīng)程度的識別度更高。

根據(jù)以上算法，筆者團(tuán)隊統(tǒng)計整理了貴州地區(qū)歷年來煤炭勘查資料，對研究區(qū)內(nèi)主要煤田427 個主要勘查區(qū)的各可采煤層數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理匯總，如研究區(qū)某礦27 號煤層(表4)。

2 敏感性地質(zhì)因素的關(guān)聯(lián)特征

UCG 地質(zhì)參數(shù)集作為一個系統(tǒng)，包括多個地質(zhì)因素，可能在UCG 過程中相互作用，進(jìn)而共同約束UCG行為，這種相互作用的實質(zhì)就是地質(zhì)因素關(guān)聯(lián)性。關(guān)聯(lián)特點主要體現(xiàn)在關(guān)系趨勢和關(guān)聯(lián)程度兩個方面，可以采用合適的數(shù)學(xué)模型挖掘其中的關(guān)聯(lián)敏感信息，即關(guān)聯(lián)挖掘，最基本的數(shù)學(xué)方法就是相關(guān)性分析。相關(guān)性分析可采用多種具體方法，常用的方法一般是Pearson 雙變量相關(guān)性分析。

2.1 UCG 地質(zhì)因素關(guān)聯(lián)特點

Pearson 雙變量分析結(jié)果顯示，UCG 評價條件與頂層目標(biāo)之間具有如下總體關(guān)聯(lián)特點(表5)。

表5 貴州省UCG“四性”指標(biāo)與總目標(biāo)相關(guān)性Table 5 Correlations between four indices and the overall objective for UCG in Guizhou Province

第一，“四性”指標(biāo)權(quán)重積與頂層權(quán)重積之間，均在置信度99%水平顯著相關(guān)。其中，相關(guān)性最高的為建爐可行性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.925；其次為過程易控性，相關(guān)系數(shù)為0.476。相關(guān)系數(shù)越大，代表其與綜合評價結(jié)果之間的總體關(guān)聯(lián)性越強，即“四性”指標(biāo)對UCG 總體地質(zhì)可行性的敏感性從強到弱排序依次為建爐可行性、過程易控性、氣化安全性、開發(fā)經(jīng)濟(jì)性。

第二，上述兩兩因素相關(guān)性分析結(jié)果的地質(zhì)意義表現(xiàn)在兩個方面。一是條件權(quán)重設(shè)置的必然結(jié)果，上述敏感性排序與“四性”指標(biāo)權(quán)重大小(表4)順序盡管有所出入，但總體趨勢一致，反映分析算法體系中對“四性”指標(biāo)權(quán)重的設(shè)計總體合理。二是反映了“四性”指標(biāo)對UCG 評價目標(biāo)的實際敏感性，歸一化算法體系中建爐可行性相對權(quán)重(0.332 0)實際上小于過程易控性(0.415 2)，而評價結(jié)果的相關(guān)系數(shù)卻與之相反，說明在貴州省實際地質(zhì)條件背景下，UCG 可行性對建爐可行性最為敏感，UCG 項目成功與否的關(guān)鍵地質(zhì)因素在于建爐可行性，包括煤體結(jié)構(gòu)和煤層厚度兩個具體因素。這一地質(zhì)認(rèn)識至關(guān)重要，后續(xù)實踐中應(yīng)高度重視。

第三，“四性”指標(biāo)權(quán)重積之間總體上不具有關(guān)聯(lián)性。分析雙變量分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)建爐可行性、過程易控性、氣化安全性、開發(fā)經(jīng)濟(jì)性權(quán)重積兩兩之間相關(guān)系數(shù)極小，表明“四性”指標(biāo)互不敏感，相互之間基本上沒有關(guān)聯(lián)性，總體上屬于獨立地質(zhì)因素，這與算法體系參數(shù)權(quán)重設(shè)計一致。

以構(gòu)造單元為基本單位，就“四性”指標(biāo)與總目標(biāo)權(quán)重積之間關(guān)系開展回歸分析(圖1)，進(jìn)一步考察UCG地質(zhì)因素之間的關(guān)聯(lián)特征。

圖1 UCG 頂層權(quán)重積與“四性”指標(biāo)權(quán)重積交匯圖Fig.1 Cross plots showing the correlations between the top-level weight product and the weight products of four indices for UCG

第一，總目標(biāo)頂層權(quán)重積分別與“四性”指標(biāo)權(quán)重積總體均呈正相關(guān)關(guān)系(圖1)，說明統(tǒng)計的地質(zhì)參數(shù)具有較強的適配性。但不同條件權(quán)重積與頂層權(quán)重積的相關(guān)系數(shù)差異明顯，同樣指示UCG 總目標(biāo)對不同地質(zhì)參數(shù)的敏感性有所差異。建爐可行性、過程易控性、氣化安全性、開發(fā)經(jīng)濟(jì)性對總目標(biāo)頂層權(quán)重積的相關(guān)系數(shù)(R2)依次減小，表明總目標(biāo)對“四性”指標(biāo)地質(zhì)因素的敏感性依次變?nèi)酢＜矗琔CG 可行性對建爐可行性的依賴性最強，過程易控性次之，其他兩個條件對總目標(biāo)的離散性相對較大，敏感性降低。

第二，總目標(biāo)對地質(zhì)因素的敏感性實際上具有非線性特點，影響因素較為復(fù)雜。分析不同數(shù)學(xué)模型擬合結(jié)果，發(fā)現(xiàn)非線性的冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)對總目標(biāo)與“四性”指標(biāo)之間的擬合精度更高，說明二者之間最佳關(guān)系并非線性模式。其中，總目標(biāo)與建爐可行性之間呈指數(shù)關(guān)系，而總目標(biāo)與其他3 個條件之間為冪指數(shù)關(guān)系(圖1)。由此揭示，建爐可行性對UCG 可行性的影響最強，UCG地質(zhì)選區(qū)需要高度重視對建爐可行性的地質(zhì)調(diào)查。

2.2 UCG 地質(zhì)參數(shù)與評價條件關(guān)聯(lián)特點

總目標(biāo)由“四性”指標(biāo)共同構(gòu)成，受26 項地質(zhì)參數(shù)控制。為了查清地質(zhì)參數(shù)與“四性”指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)特點，采用Pearson 相關(guān)性分析方法，利用SPSS 軟件建立26 項地質(zhì)參數(shù)與各目標(biāo)“權(quán)重積和”指標(biāo)相關(guān)性模型(表6)。

表6 UCG 地質(zhì)參數(shù)與控制條件相關(guān)性Table 6 Correlations between geological parameters and controlling conditions for UCG

Pearson 雙變量分析結(jié)果顯示，地質(zhì)參數(shù)與UCG控制條件之間總體關(guān)聯(lián)特點如下(表6)。

第一，地質(zhì)參數(shù)與“四性”指標(biāo)權(quán)重積之間，存在大量參數(shù)置信度99%水平顯著相關(guān)。其中，煤的堅固性系數(shù)與建爐可行性相關(guān)性最高，其次為煤層厚度。與過程易控性相關(guān)性最高的為斷層指數(shù)，其次為夾矸厚度系數(shù)與煤厚變異系數(shù)。與氣化安全性相關(guān)性最高的為氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其次為斷距。與開發(fā)經(jīng)濟(jì)性相關(guān)性最高的為干燥基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其次為高位發(fā)熱量。與總目標(biāo)相關(guān)性最高的為煤的堅固性系數(shù)；其次為煤的奧亞膨脹度與煤黏結(jié)指數(shù)。

第二，相關(guān)系數(shù)越大，代表其與評價結(jié)果之間的總體關(guān)聯(lián)性越強，即各地質(zhì)參數(shù)與各控制條件對UCG 總體地質(zhì)可行性的敏感性越高。建爐可行性地質(zhì)參數(shù)敏感性排序依次為煤的堅固性系數(shù)、煤層厚度；過程易控性地質(zhì)參數(shù)敏感性排序依次為斷層指數(shù)、夾矸厚度系數(shù)、煤厚變異系數(shù)等；氣化安全性地質(zhì)參數(shù)敏感性排序依次為氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)、斷距、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)等；開發(fā)經(jīng)濟(jì)性地質(zhì)參數(shù)敏感性排序依次為干燥基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、高位發(fā)熱量、勘查程度等。

第三，上述分析結(jié)果反映了地質(zhì)參數(shù)對UCG 可行性的實際敏感性，算法體系中只有煤的堅固性系數(shù)對總目標(biāo)影響大，說明在貴州省實際地質(zhì)條件背景下，UCG可行性對煤的堅固性系數(shù)最為敏感，與之前論述的結(jié)論一致，UCG 項目成功與否的關(guān)鍵地質(zhì)因素在于建爐可行性。三是由于煤的奧亞膨脹度、黏結(jié)指數(shù)、上覆含水層距離等為一票否決指標(biāo)，不符合的煤層優(yōu)先考慮并排除，并未參與后續(xù)評價，導(dǎo)致各地質(zhì)參數(shù)與各目標(biāo)相關(guān)性并不大，但其對評價總目標(biāo)影響亦偏大，總體上也反映出了這幾項指標(biāo)的重要性。

第四，與各地質(zhì)參數(shù)總體上相關(guān)性大的主要是其歸屬的條件，表明各地質(zhì)參數(shù)分類合理。但部分地質(zhì)參數(shù)與其他條件之間也存在顯著相關(guān)性。煤的奧亞膨脹度、黏結(jié)指數(shù)、含水層鉆孔單位涌水量、干燥基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、高位發(fā)熱量等地質(zhì)參數(shù)與其他條件間存在低相關(guān)系數(shù)水平上的顯著相關(guān)，說明這些地質(zhì)參數(shù)與其他條件之間存在一定程度的關(guān)聯(lián)，并非獨立于所歸屬的條件。

3 關(guān)鍵敏感性地質(zhì)因素識別

聚類分析可將UCG 地質(zhì)大數(shù)據(jù)劃分為多個組(簇)，通過復(fù)雜數(shù)據(jù)建模而獲得屬性相似或相關(guān)的若干個簇，從而突出某些地質(zhì)因素的特殊性。主成分分析是一種降維分析方法，通過模型處理將復(fù)雜的UCG 地質(zhì)因素重新組合成一組相互獨立的綜合變量，以突出主要地質(zhì)敏感性因素。本次研究采用這兩種數(shù)理分析方法，進(jìn)一步考察UCG 可行性地質(zhì)控制的一般性和特殊性，明確主控地質(zhì)因素特征和作用。

3.1 UCG 地質(zhì)控制復(fù)雜性與特殊性

聚類分析是利用層次法創(chuàng)建一個層次以分解給定的數(shù)據(jù)集，采用自底向上的策略，將每一個對象作為一個類，然后根據(jù)距離度量相似性，將距離最近的兩類合并成一個新類，再次計算新類與其他類的類間距離，不斷迭代，直到所有的對象都并為一類。本次基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析基于SPSS 27.0 軟件的系統(tǒng)聚類分析模塊，采用歐氏距離計算個體元素間的距離。聚類分析結(jié)果顯示，研究區(qū)26 個地質(zhì)參數(shù)在相似距離10 水平上分成相似性更為接近的3 簇(圖2)。

圖2 UCG 地質(zhì)參數(shù)聚類樹狀圖Fig.2 Cluster dendrogram of geological parameters for UCG

第一簇(Ⅰ)包括5 個地質(zhì)參數(shù)，橫跨4 個“四性”指標(biāo)。以相似距離5 為界，進(jìn)一步區(qū)分出簇內(nèi)更為相似的3 個亞簇。第一亞簇(ⅠA)包括煤對CO2反應(yīng)性、上覆50 m 范圍煤層累厚2 個參數(shù)，涉及開發(fā)安全性和過程易控性；第二亞簇(ⅠB)涵蓋2 個參數(shù)，分別為煤層厚度、直接頂穩(wěn)定性，涉及建爐可行性、氣化安全性；第三亞簇(ⅠC)只有煤厚變異系數(shù)，屬于過程易控性。

第二簇(Ⅱ)只有煤的堅固性系數(shù)1 個參數(shù)，再次指示煤體結(jié)構(gòu)對建爐可行性具有關(guān)鍵性影響及獨立性。

第三簇(Ⅲ)地質(zhì)參數(shù)最多，達(dá)11 個，涉及3 個“四性”指標(biāo)。以相似距離5 為界，該簇進(jìn)一步分為5 個亞簇。第一亞簇(ⅢA)包括4 個地質(zhì)參數(shù)，分別是褶曲指數(shù)、斷層指數(shù)、斷距和干燥基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，前3 個參數(shù)同屬構(gòu)造要素范疇，涉及過程易控性和氣化安全性兩個條件，后一參數(shù)屬于開發(fā)經(jīng)濟(jì)性。第二亞簇(ⅢB)由磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、高位發(fā)熱量、全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)、煤層傾角4個地質(zhì)參數(shù)構(gòu)成，前3 個參數(shù)屬于煤質(zhì)范疇，涉及氣化安全性和開發(fā)經(jīng)濟(jì)性；后一參數(shù)屬于構(gòu)造要素范疇。第三亞簇(ⅢC)、第四亞簇(ⅢD)、第五亞簇(ⅢE)分別只有1 個地質(zhì)參數(shù)，依次對應(yīng)夾矸厚度指數(shù)、煤熱穩(wěn)定性和氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分屬過程易控性、氣化安全性，但三者之間內(nèi)在聯(lián)系值得后續(xù)研究工作中進(jìn)一步探討。

第四簇(Ⅳ)地質(zhì)參數(shù)同樣多達(dá)9 個，同樣涉及3 個“四性”指標(biāo)。以相似距離5 為基準(zhǔn)，該簇進(jìn)一步分為2 個亞簇。第一亞簇(ⅣA)包括8 個參數(shù)，分別為煤灰熔點、砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、原始煤炭資源、煤層埋深、煤的奧亞膨脹度、上覆含水層距離、勘查程度和含水層鉆孔單位涌水量，前3 個參數(shù)關(guān)系相對密切，后5 個參數(shù)距離相對較遠(yuǎn)，參數(shù)之間地質(zhì)成因關(guān)聯(lián)性不明。第二亞簇(ⅣB)僅有1 個地質(zhì)參數(shù)，為煤的黏結(jié)指數(shù)。可以看出，煤的奧亞膨脹度和黏結(jié)指數(shù)盡管有一定距離，但同屬一簇，與煤層埋深、灰熔點共同約束著氣化通道連通性；上覆含水層與含水層鉆孔單位涌水量共屬一個亞簇，影響到氣化生產(chǎn)安全性；原始煤炭資源量和勘查程度關(guān)聯(lián)性強，是約束開發(fā)經(jīng)濟(jì)性的重要地質(zhì)因素。

聚類分析結(jié)果解釋的某些地質(zhì)現(xiàn)象所隱含的內(nèi)在原因或UCG 行為關(guān)聯(lián)機(jī)理具有探討價值。例如，褶曲指數(shù)、斷層指數(shù)、斷距與煤的干燥基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)，煤層傾角與磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、高位發(fā)熱量和全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生關(guān)聯(lián)，即構(gòu)造變動因素影響到煤質(zhì)特征，內(nèi)在原因如何解釋，是否是貴州省乃至強烈構(gòu)造變形地區(qū)地質(zhì)條件的特殊性？又如，膨脹性、黏結(jié)指數(shù)分屬兩個亞簇，相互之間存在一段距離，是否對氣化通道連通性的影響存在差異，如何進(jìn)一步識別可能存在的差異？再如，磷、氟、砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與發(fā)熱量、膨脹性、黏結(jié)性等因素存在關(guān)聯(lián)，指示煤變質(zhì)作用影響到有害元素含量，煤中相當(dāng)一部分有害物質(zhì)是否可能來源于后生作用過程？重要的是，這些地質(zhì)現(xiàn)象在UCG 地質(zhì)條件評價與預(yù)測中可能具有的意義或價值，值得今后探討。

3.2 UCG 可行性主控地質(zhì)因素

主成分分析是在損失很少信息的前提下將n維特征映射到k維上，這k維是全新的正交特征，也被稱為主成分，是將多個變量通過線性變換以選出較少個數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法。第1 主成分即為方差最大的線性組合(Y1)，第2 主成分則是方差次大的線性組合(Y2)，并且Y1與Y2不相關(guān)，即協(xié)方差Cov(Y1,Y2)=0，同理依次可以得到所有主成分的線性組合表達(dá)式[23]。

主成分分析的作用，是濾除重復(fù)的(關(guān)系緊密的)變量，建立盡可能少的相互獨立新變量，同時這些新變量能夠盡可能保持原有的信息。因而，進(jìn)行主成分分析能夠有效篩選出對總體評價成果影響最大的主要獨立因素。

本次基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析基于SPSS 27.0 軟件因子分析模塊，KMO 和Bartlett 球檢驗均顯示數(shù)據(jù)適合作因子分析。一般來說，主成分解釋成果表(表7)中初始特征根＞1.0 的因素為主成分。由此判斷，本研究UCG 敏感性地質(zhì)參數(shù)中主成分有11 個，其對總目標(biāo)的累計影響程度為60.330%(表7)。

表7 UCG 地質(zhì)因素主成分解釋成果Table 7 Principal component analysis results of geological parameters for UCG

旋轉(zhuǎn)因子載荷系數(shù)反映每個變量在因子上的重要程度，由此確定各個變量對因子的重要性(表8)。其中，旋轉(zhuǎn)載荷因子絕對值表示與該因子平均水平的相對差距，正數(shù)表示平均水平以上，負(fù)數(shù)表示平均水平以下。分析11 個主成分旋轉(zhuǎn)載荷因子矩陣(表8)，對主成分影響最大的地質(zhì)參數(shù)分別為：煤的奧亞膨脹度和黏結(jié)指數(shù)F1；灰分干燥基質(zhì)量分?jǐn)?shù)和高位發(fā)熱量F2；含水層鉆孔單位涌水量F3；煤的堅固性系數(shù)F4；氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)F5；煤層埋深和勘查程度F6；上覆含水層距F7 離；直接頂穩(wěn)定性F8；煤厚變異系數(shù)F9；褶曲指數(shù)F10；煤層全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)F11。

表8 UCG 地質(zhì)因素主成分旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 8 Principal-component rotated factor matrix of geological parameters for UCG

根據(jù)主成分分析，所有地質(zhì)參數(shù)中對UCG 總目標(biāo)貢獻(xiàn)最大的為堅固性系數(shù)；同時，在11 個主成分旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)序列中，除了堅固性系數(shù)之外，另有煤的奧亞膨脹度、煤層埋深、灰熔點、煤厚變異系數(shù)、褶曲指數(shù)等5 個地質(zhì)參數(shù)作為主成分載荷因子系數(shù)最大值排位前11(表8)。為此，以堅固性系數(shù)作為最大值的主成分(F4)為基準(zhǔn)，選擇奧亞膨脹度、煤層埋深、煤厚變異系數(shù)、褶曲指數(shù)最大值所在的主成分F1、F6、F9 和F10，繪制UCG 地質(zhì)參數(shù)旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)空間分布交匯圖(圖3)，為深化認(rèn)識UCG 可行性主控地質(zhì)因素提供進(jìn)一步依據(jù)。

圖3 UCG 地質(zhì)參數(shù)旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)空間分布交匯圖Fig.3 Cross plots showing the spatial distributions of rotated factor loading coefficients of geological parameters for UCG

由圖3 可知，地質(zhì)參數(shù)旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)分布十分離散，分區(qū)規(guī)律不甚明顯，指示全省UCG 地質(zhì)條件總體上變化極大，地質(zhì)影響因素十分復(fù)雜，總體表現(xiàn)在兩方面分布特點：

第一，獨立分布的地質(zhì)參數(shù)離散性均較大，且出現(xiàn)兩種情形。一是部分地質(zhì)參數(shù)沿F4 主成分軸正方向上、下兩側(cè)分布，具有較高-高F4 影響、低Fx(F1、F6、F9、F10)影響的基本特點，包括煤的堅固性系數(shù)、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、煤對CO2反應(yīng)性3 個地質(zhì)參數(shù)，這是F1、F6、F9、F10 這4 個主成分旋轉(zhuǎn)載荷因子的共同規(guī)律。二是部分地質(zhì)參數(shù)沿Fx主成分軸左、右兩側(cè)分布，特點是對Fx影響較高-高、對F4 影響較低，但不同主成分交匯下的地質(zhì)參數(shù)有所變化，奧亞膨脹度、黏結(jié)指數(shù)和煤炭原始資源量沿F1 主成分軸分布，煤層埋深、勘查程度和砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿F6 主成分軸分布，煤厚變異系數(shù)、斷層指數(shù)沿F9 主成分軸分布，而沿F10 主成分軸分布的是褶曲指數(shù)和斷層指數(shù)。

第二，除上述之外的其他地質(zhì)參數(shù)，旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)在兩個空間區(qū)域分布相對集中。一是地質(zhì)參數(shù)沿F4 主成分軸負(fù)方向上、下兩側(cè)分布，對F4 影響相對較高，對Fx的影響很低，包括斷距、煤層厚度、上覆50 m范圍煤層累厚、夾矸厚度系數(shù)4 個參數(shù)，這是4 種交匯情況的共同特征。二是交匯原點周邊，大多數(shù)地質(zhì)參數(shù)分布在這一區(qū)域，體現(xiàn)了主成分旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)的平均情況，說明這些地質(zhì)參數(shù)對UCG 可行性的影響不甚敏感。

綜合分析主成分分析中特征根、旋轉(zhuǎn)載荷因子系數(shù)兩種方法提取結(jié)果，將兩種方法都有體現(xiàn)的地質(zhì)參數(shù)視為主控因素，獲得貴州省UCG 可行性主控因素的相關(guān)認(rèn)識(表9)。主控地質(zhì)因素9 個，分別是煤的堅固性系數(shù)、煤層厚度、煤厚變異系數(shù)、夾矸厚度系數(shù)、褶曲指數(shù)、斷層指數(shù)、煤層埋深、奧亞膨脹度和黏結(jié)指數(shù)，涉及煤層、構(gòu)造、煤質(zhì)3 類地質(zhì)要素，體現(xiàn)在建爐可行性、過程易控性兩個方面。此外，斷距、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著影響到氣化安全性，煤對CO2反應(yīng)性、煤炭原始資源量、勘查程度、上覆煤層厚度是開發(fā)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵控制因素。

表9 貴州省UCG 可行性主控地質(zhì)因素提取結(jié)果Table 9 Extraction results of dominant geological parameters for UCG feasibility in Guizhou Province

4 結(jié)論

a.建爐可行性2 個地質(zhì)參數(shù)(煤的堅固性系數(shù)和煤層厚度)關(guān)聯(lián)性極強；過程易控性、氣化安全性、開發(fā)經(jīng)濟(jì)性地質(zhì)參數(shù)關(guān)聯(lián)性則相對較低。這與貴州構(gòu)造發(fā)育的復(fù)雜特征關(guān)系密切相關(guān)，構(gòu)造變形強烈極易導(dǎo)致構(gòu)造煤發(fā)育，進(jìn)而降低煤體強度，在當(dāng)前工藝技術(shù)水平下，氣化爐構(gòu)建難度極大；同時，會導(dǎo)致煤厚變化頻繁，影響氣化通道穩(wěn)定性；斷層發(fā)育也會導(dǎo)致氣化爐密封性差，降低氣化安全性。

b.“四性”指標(biāo)與總目標(biāo)的關(guān)聯(lián)特征明顯，對UCG總體地質(zhì)可行性的敏感性排序依次為建爐可行性、過程易控性、氣化安全性、開發(fā)經(jīng)濟(jì)性。所有地質(zhì)參數(shù)中對UCG 評價總目標(biāo)貢獻(xiàn)最大的為煤的堅固性系數(shù)。此外，主控地質(zhì)因素還有8 個，分別是煤層厚度、煤厚變異系數(shù)、夾矸厚度系數(shù)、褶皺系數(shù)、斷層指數(shù)、煤層埋深、奧亞膨脹度和黏結(jié)指數(shù)，涉及煤層、構(gòu)造、煤質(zhì)3 類地質(zhì)要素，體現(xiàn)在建爐可行性、過程易控性2 個方面。

c.在貴州省實際地質(zhì)條件背景下，UCG 可行性對煤的堅固性系數(shù)最為敏感，UCG 項目成功與否的關(guān)鍵在于建爐可行性，后期氣化爐選址應(yīng)高度重視構(gòu)造發(fā)育特征及其對煤層條件的影響。

d.目前來說，國內(nèi)暫未出臺UCG 相關(guān)規(guī)范，缺少統(tǒng)一的UCG 選址評價準(zhǔn)則。雖然本次采集的數(shù)據(jù)樣本均來源于貴州省內(nèi)，而主成分分析的結(jié)果可能隨地區(qū)地質(zhì)條件不同而變化，但實際上多數(shù)地質(zhì)因素與“四性”指標(biāo)均有關(guān)聯(lián)，且地質(zhì)參數(shù)之間存在一定程度的聯(lián)系乃至重疊，以“四性”認(rèn)識為基礎(chǔ)建立統(tǒng)一的UCG 地質(zhì)風(fēng)險評價準(zhǔn)則或?qū)⒊蔀榭赡埽渲杏忠圆煌刭|(zhì)條件下各類地質(zhì)參數(shù)權(quán)重的確定最難統(tǒng)一，亟待進(jìn)一步研究完善。

符號注釋：

Md為日消耗煤量，t；t為氣化時間，d；a為煤量采出率校正因子。