CO2 storage potential of coal seam in Sanhejian closed coal mine
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摘要:
关闭煤矿煤层CO2地质封存是CO2封存的重要方式之一,也是短期内实现碳减排指标的有效手段之一。以江苏省徐州市三河尖关闭煤矿为例,分析了已采7号煤和9号煤的煤岩煤质特征,统计了剩余煤炭资源储量,运用模糊综合评价法,选取了稳定系数、上覆岩层性质、地质构造复杂程度、地下水指标、封存煤层压温比、封存煤层深厚比、封存煤层渗透率、采空塌陷程度和其他因素等9个主要影响因素指标对7号煤和9号煤封存CO2稳定性进行评价,建立关闭煤矿煤层CO2封存评价方法并评估CO2封存潜力。结果表明,三河尖关闭煤矿7号煤和9号煤剩余储量较大,CO2封存稳定性综合评价结果分别为86.209和87.698,评价等级均为较稳定,封存潜力较高。根据建立的关闭煤矿煤层CO2封存评价方法,计算获得三河尖关闭煤矿7号和9号煤层CO2理论封存量分别为207.6 Mt和80.9 Mt,并据此划分封存有利区为有利区、较有利区和不利区3个等级。研究可为关闭煤矿煤层CO2封存研究提供基础依据。
Abstract:Geological sequestration of CO2 in closed coal mines' coal seams is a significant method for CO2 sequestration and an effective strategy to achieve short-term carbon emission reduction goals. This study focuses on the Sanhejian coal mine in Xuzhou City, Jiangsu Province. The study scrutinizes the features of the coal rock and the quality of the mined No. 7 and No. 9 coal seams. Additionally, it calculates the remaining coal resource reserves. The study also applies the fuzzy comprehensive evaluation method to identify nine main influencing factors for the CO2 storage stability of the No. 7 and No. 9 coals. These factors include the stability factor, the nature of the overlying rock strata, the complexity of the geotectonic structure, the index of groundwater, the ratio of the sealed coal bed pressure to temperature, the ratio of the sealed coal bed depth to depth, the permeability of sealed coal beds, the degree of the hollowing-out collapse, and other relevant factors. We assessed the stability of CO2 storage in No. 7 and No. 9 coals based on key influencing elements. We developed a CO2 storage evaluation method to assess the CO2 storage capacity of coal seams in sealed coal mines. The findings indicate that the remaining reserves of No. 7 coal and No. 9 coal in the Sanhejian closed coal mine are substantial. The comprehensive evaluation results for CO2 storage stability are 86.209 and 87.698, respectively, indicating a higher level of stability and greater potential for storage. The CO2 storage capacity of the No. 7 and No. 9 coal seams in the closed coal mines of Sanhejian was determined using the established evaluation method. We calculated the theoretical storage capacity to be 207.6 Mt and 80.9 Mt, respectively. This led to the division of the storage area into three levels: favorable, more favorable, and unfavorable. The work can establish a fundamental foundation for investigating the storage of CO2 in coal seams within decommissioned coal mines.
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0. 引 言
煤炭作为我国主体能源的地位在短期内难以改变,但CO2排放已成为煤炭工业可持续发展面临的一大制约[1]。在“双碳”目标背景下,发展二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)技术既是保障能源安全的战略选择,也是构建生态文明和实现可持续发展的重要手段[2]。CO2主要地质封存体包括咸水层封存、枯竭油气藏封存、深部不可采煤层封存等。与等效体积的CH4气藏相比,煤层可以储存几倍CO2[3-5],具有较大内表面积、能吸附超临界CO2等显著优势。
除深部不可采煤层,一些具备条件的关闭煤矿残余煤炭也可以作为CO2封存的有效储层和载体。近几十年来,我国煤炭大量开采,许多矿区煤炭资源枯竭或接近枯竭,加之国家去产能结构性改革及环境保护力度加大,大量矿井被迫关闭,遗留和浪费了大量煤炭资源,若能作为CO2封存载体合理充分利用,将减少CO2排放和促进资源再利用。
煤层CO2封存潜力评价通过对目标煤层稳定性评价和CO2地质封存量计算,从地质、工程与经济角度为CO2地质封存选区的实施提供指导[6]。关闭煤矿煤层CO2封存潜力评价需要基于关闭煤矿煤层特征和封存储层条件建立相应的地质模型,计算煤层CO2理论封存量和有效封存量。因此,选取徐州三河尖关闭煤矿,采用模糊综合评价法,对已采7号煤和9号煤封存稳定性进行评价,建立评价方法并评估封存潜力,以期为关闭煤矿剩余煤炭CO2封存研究提供基础依据。
1. 地质背景
三河尖煤矿隶属于徐州矿务集团公司,始建于1979年12月15日,设计产能120万t/a,是国家“七五”重点工程之一。后因可采资源枯竭、开采难度大、经济效益差及去产能政策等因素影响,三河尖煤矿于2019年5月20日正式关闭停采[7]。
三河尖煤矿位于丰沛煤田西北隅,滕鱼背斜向西南延伸的倾伏部位[8]。受后期构造运动切割,形成了一套不完整的NE向次一级复背斜构造,以龙固背斜为主体向东西两翼又伴生次一级的向背斜构造及逆断层,逆断层(F2)未切割K~J新地层;后经燕山期剧烈构造运动,产生一系列较大张性断裂,切割K~J地层,破坏了龙固背斜的完整性,伴随有岩浆岩侵入[9]。矿区褶皱构造主要包括龙固背斜、张庄向斜、张庄背斜、三里庙向斜、西谢庄背斜、西谢庄向斜等[10]。矿区断层按展布方向可分为4组,EW向、NE向、NW向和NNE向。井田内落差10 m以上断层有52条,其中仅F2、F26为逆断层,其余50条均为正断层(图1)[11]。此外,井田内岩浆活动规律性较强,与断裂构造联系密切,张性断层可形成岩浆岩通道,压扭性断层则起到岩浆岩蔓延的屏障作用。岩浆岩多以岩床或岩墙产出,侵蚀7号煤层、9号煤层、17号煤层、21号煤层等。三河尖煤矿地层由老到新依次为奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系[11]。
2. 煤层、煤质与剩余煤炭资源
2.1 煤层特征
三河尖煤矿主要含煤地层为石炭−二叠系,共含上石炭统太原组、下二叠统山西组和下石盒子组三个含煤组,上石炭统太原组和下二叠统山西组含有可采煤层,共有可采煤层4层,自上而下分别为7、9、17和21号煤层(图2),下石盒子组仅见煤线[12]。其中太原组17号煤层受奥灰水威胁,21号煤层为高硫煤,均未进行开采,三河尖煤矿只开采了7号煤层和9号煤层。主要研究关闭煤矿采空区剩余煤炭封存潜力,选取山西组7号煤层和9号煤层为研究对象进行稳定性评价和封存潜力计算。
山西组为一套近海河湖、泥炭沼泽相沉积,是矿区最重要的含煤地层,厚62.76~131.16 m,平均厚度为116.20 m。主要由中砂岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及少量粗砂岩、含砾砂岩、杂色泥岩、薄~厚煤层组成,以中砂岩和细砂岩为主体。砂岩体在横向上成透镜体状,分布不稳定。山西组含煤2~3层,煤层厚度7.35 m,含煤系数6.32%,其中可采煤层2层(7、9号煤层),也是三河尖矿区主采煤层,位于山西组中下部,且具分叉、合并、冲刷变薄或完全被冲蚀等现象,可采煤层含煤系数3.86%[13]。
7号煤层埋深标高−350~−1 300 m,走向为NE30°~60°,倾向NW30°~60°,倾角0°~24°。全矿区煤厚0~7.87 m,平均厚度2.56 m。煤层结构较为简单,一般无夹矸;少数点有一层夹矸,岩性为泥岩或粉砂岩。煤层直接顶板以粉砂岩(或泥岩)为主,中西部常被中砂岩和细砂岩代替;底板主要为粉砂岩,次为黏土岩或泥岩。7号煤层储量丰富,但煤层厚度变化较大,为较稳定的大部分可采的中厚煤层(表1)。
表 1 三河尖煤矿7和9号煤层特征Table 1. Characteristics of No. 7 and No. 9 coal seams of Sanhejian Coal Mine煤层 煤厚/m 控煤点数 见煤点数 可采点数 点可采系数 煤层结构 赋存面积/km2 可采面积/km2 面积可采系数/% 可采程度 稳定程度 7 0~7.87
2.56123 93 87 93.5% 简单 24.6 18.3 74.4 大部分可采 较稳定 9 0~5.50
1.93114 77 46 59.7% 复杂 17.2 11.7 68.0 大部分可采 较稳定 9号煤层埋深标高−400~−
1300 m,走向为NE30°~60°,倾向NW30°~60°,倾角0°~24°。9煤层全区煤厚0~5.50 m,平均厚1.93 m。煤层结构复杂,有夹矸。煤层顶板岩性以中粒、细粒砂岩为主,次为粉砂岩或粉细互层;直接底板以粉砂岩或黏土岩为多,向下发育细砂岩或粉细互层。9号煤层为大部分可采的较稳定煤层(表1)。2.2 煤岩与煤质特征
7和9号煤层均呈油脂光泽或弱玻璃光泽,颜色为黑色,条痕为棕黑色,条带状结构,不规则状断口,硬度为2~3。7号煤层煤岩类型以半亮型煤为主,其次是半暗型煤及暗淡型煤。由显微组分分析可知,7号煤层显微组分中有机质组分以镜质组为主,惰质组次之,壳质组最少(图3)。9号煤层煤岩类型以半亮型煤为主,其次是半暗型煤。显微组分以镜质组为主,惰质组次之,壳质组最少(图3)。此外,山西组煤层因受岩浆岩侵入影响而发生变质,形成大量天然焦,天然焦呈金属光泽~似金属光泽,颜色为钢灰色~灰黑色,比重较大,坚硬,参差状断口,有次生的方解石脉。
7号煤层总体属气煤,煤样属于低灰、高挥发分、特低磷、低硫煤。原煤水分Mad平均为1.87%;灰分Ad平均为15.69%,为低灰煤;挥发分Vdaf平均为37.25%,为高挥发分煤;全硫St.d平均为0.75%,为低硫煤;磷Pd含量介于0.007%~0.012%,为特低磷煤;原煤高位发热量平均为26.89 MJ/kg,为高发热量煤;低位发热量在平均为26.63 MJ/kg(表2)。
表 2 三河尖煤矿7和9号原煤煤质特征分析Table 2. Raw coal quality characteristics of Sanhejian Coal Mine No. 7 and No. 9煤层 Ma.d /% Ad /% Vdaf /% St.d /% Pd /% Qgr.d (MJ·kg−1) Qnet·d (MJ·kg−1) 7 0.60~3.89
1.879.03~39.15
15.699.72~42.40
37.800.23~1.52
0.750.007~0.012 0.0102 18.41~32.58
26.8914.53~32.26
26.639 0.36~4.45
2.046.54~44.83
17.2031.34~44.82
37.610.25~4.49
1.090.00031 16.15~32.02
27.0811.66~31.81
26.259号煤层总体属气煤,煤样属于低灰、高挥发分、特低磷、中硫煤。原煤水分Mad平均为2.04%;灰分Ad平均为17.20%,为低灰煤;挥发分Vdaf平均为37.61%,为高挥发分煤;全硫St.d平均为1.09%,为中硫煤;磷Pd含量约为0.000 31%,为特低磷煤;原煤高位发热量平均为27.08 MJ/kg,为高发热量煤;低位发热量平均为26.25 MJ/kg(表2)。
2.3 剩余煤炭资源
截至2019年闭坑停采,三河尖煤矿历年累计动用量为
6534.1 万t,其中采矿许可证范围外累计动用量为3851.2 万t,采矿许可证范围内累计动用量为2682.9 万t,包含采出量1619.2 万t和损失量1063.7 万t。煤矿采矿许可证内剩余煤炭资源储量合计9623.9 万t(图4,表3),剩余资源储量中断层保护煤柱、工业广场压煤、村庄压煤、边界煤柱(统称“非正常剩余量”)合计为3498.7 万t,占总剩余量的36.35%。正常剩余量为6125.2 万t,其中探明的气煤内蕴经济资源量(331)1777.6 万t,控制的气煤内蕴经济资源量(332)1262.3 万t,推断的气煤内蕴经济资源量(333)1759.8 万t,天然焦1325.5 万t,剩余煤炭资源储量大。表 3 三河尖煤矿7号煤和9号煤剩余煤炭资源储量表Table 3. Remaining coal resource reserves of No. 7 coal and No. 9 coal in Sanhejian Coal Mine煤层 水平 非正常剩余量/万t 正常剩余量/万t 总计/万t 331 332 333 天然焦 7 − 1000 m以浅1831.7 1578.4 398.5 1100.6 47.9 5069.5 − 1000 ~−1300 m— 101.8 10.6 — 9 − 1000 m以浅1667.0 199.2 515.3 648.6 1146.4 4554.4 − 1000 ~−1300 m— 246.7 — 131.2 总计 3498.7 1777.6 1262.3 1759.8 1325.5 9623.9 三河尖煤矿山西组正常剩余煤炭资源主要分布在三河尖煤矿南部及西北部区域,其中南部大部分煤炭资源储量位于−
1000 ~−1300 m区域,深部煤层开采安全管控难度大,西北部煤炭资源储量受构造及煤层分叉变薄、缺失等影响分布不连续,工作面布置困难。因此,三河尖煤矿虽然仍赋存大量剩余煤炭资源,但可回收剩余量几近枯竭。加之三河尖煤矿剩余煤炭资源赋存较深,可考虑进行CO2封存。3. 煤层封存CO2稳定性评价
3.1 主要评价因素
影响煤层CO2封存稳定性的因素十分复杂,借鉴国内外CO2-ECBM和煤矿采空区稳定性评价研究确定煤层封存CO2主要影响因素[14-26]:
1)稳定系数指标(U1):稳定系数指标动态反映了采空塌陷区的稳定程度,系数值越大,表明稳定程度越高。
2)上覆岩层性质指标(U2):煤层上覆岩层是否具有封盖作用,会影响煤层中封存CO2的稳定性,上覆岩层越致密,封盖性越好,一般泥岩封盖性优于灰岩,优于砂岩。
3)地质构造复杂程度(U3):煤层中发育较多断层或断层强度较大时,CO2可能从断层泄露,会增大煤层封存CO2的不稳定性风险。断层密度(V1)可直观反映断层的多少,断层强度指数(V2)可较客观反映区段内地质构造复杂程度。
4)地下水指标(U4):酸性较强的地下水会腐蚀煤层及其围岩,CO2泄露风险将会增大;碱性较强的地下水会与CO2发生反应。酸性或碱性过强的地下水都会对煤层中封存的CO2稳定性造成负面影响。
5)封存煤层压温比(U5):若煤层的储存压力越大,则煤层中可以封存CO2总量越大,且煤层中封存的CO2将会更加稳定;若煤层地温越低,则煤层中封存CO2相态越稳定。因此,煤层封存CO2的稳定性与煤层的压温比为正比关系。
6)封存煤层深厚比(U6):煤层封存CO2深度通常在300~
1000 m,而某些不稳定煤层中,CO2有效封存深度甚至要超过1000 m,随封存深度增加,稳定性越强。若进行封存CO2的煤层越厚,其中CO2的运移空间体积则越大,封存CO2的稳定性就越好。7)封存煤层渗透率(U7):煤层渗透率是CO2能否在煤层中良好运移的重要影响因素,若煤层渗透率较差,则CO2需要一定强度的运移动力才能运移。
8)采空塌陷程度指标(U8):采空塌陷程度与最大下沉值、采厚和煤层倾角相关,当评价时最大下沉值与采动时最大下沉值相同时,采空塌陷程度指标实质就是下沉系数。
9)其他因素(U9)。其他因素指标主要是指难以量化的但对沉陷区稳定性产生影响的指标,包括采空区类型(V5)、地震及其他震动(V6)。
发生地震将对封存CO2的煤层产生不利影响,地震会改变封存煤层的应力平衡,CO2将脱离煤层吸附;地震级数与烈度越大,对封存煤层的不利影响越大。
综合考虑确定稳定系数指标(U1)、上覆岩层性质指标(U2)、地质构造复杂程度(U3)、地下水指标(U4)、封存煤层压温比(U5)、封存煤层深厚比(U6)、封存煤层渗透率(U7)、采空塌陷程度指标(U8)、其他因素(U9)等9个影响因素为一级指标和断层密度(V1)、断层强度指数(V2)、酸性地下水指标(V3)、碱性地下水指标(V4)、采空区类型(V5)、地震及其他震动(V6)等6个影响因素为二级指标。
3.2 评价因素分级
考虑到影响因素的复杂性,在文献调研基础上[14-26],将影响煤层CO2封存稳定性的9项因素量化分级为4个等级(表4)。
指标 稳定 较稳定 较不稳定 不稳定 稳定性系数指标U1 4 2.43 1 0.40 上覆岩层性质U2 2 1.20 0.75 0.50 地质构造复杂程度U3 断层密度V1 <1.0 1.0~1.3 1.3~1.8 >1.8 断层强度指数V2 <100 100~200 200~250 >250 地下水指标U4 酸性地下水指标V3(pH值) 6 4 3 1 碱性地下水指标V4(pH值) 7 8 9 11 封存煤层压温比U5(MPa·℃−1) 0.32 0.24 0.15 0.10 封存煤层深厚比U6 400 300 125 50 渗透率U7/10−15m2 1 3 5 6 采空塌陷程度指标U8 0.94 0.70 0.40 0.10 其他因素U9 采空区类型V5 煤柱支撑法采空区 自然垮落法采空区 充填法采空区 充填法采空区 地震及其他震动V6 无 无 轻微 严重 3.3 因素隶属度函数构建
根据隶属度函数构造原则和以上各因素指标的评价分级数据特征,参考李柏年等[24-29]的研究,构建了影响煤层CO2封存稳定性各因素的隶属函数。
稳定性系数指标U1、上覆岩层性质U2、酸性地下水指标V3、碱性地下水指标V4、封存煤层压温比U5、封存煤层深厚比U6、渗透率U7、采空塌陷程度指标U8的隶属函数采用梯形分布构建。
分为4个等级的梯形分布基本表达式为
$$Z_1=\left\{\begin{array}{cc} 1, & x \leqslant y_1 \\ \dfrac{y_2-x}{y_2-y_1}, & y_1< x \leqslant y_2 \\ 0, & x>y_2 \end{array}\right. $$ (1) $$ Z_2=\left\{\begin{array}{lc} 0, & x \leqslant y_1 \\ \dfrac{x-y_1}{y_2-y_1}, & y_1< x \leqslant y_2 \\ \dfrac{y_3-x}{y_3-y_2}, & y_2< x \leqslant y_3 \\ 0, & x>y_3 \end{array}\right. $$ (2) $$ Z_3=\left\{\begin{array}{lc} 0, & x \leqslant y_2 \\ \dfrac{x-y_2}{y_3-y_2}, & y_2< x \leqslant y_3 \\ \dfrac{y_4-x}{y_4-y_3}, & y_3< x \leqslant y_4 \\ 0, & x>y_4 \end{array}\right.$$ (3) $$ Z_4=\left\{\begin{array}{lc} 0, & x \leqslant y_3 \\ \dfrac{x-y_3}{y_4-y_3}, & y_3< x \leqslant y_4 \\ 1, & x>y_4 \end{array}\right. $$ (4) 断层密度V1和断层强度指数V2的隶度函数采用正态分布函数作为基础来构造,其隶属函数主要有偏小型V1、中间型V2、偏大型V3三种。
$$ {{{V}}}_{1}=\left\{\begin{array}{l}1,\;{x}_{i} < \stackrel-{x}\\ \exp\left\{-{\left[\left({x}_{i}-\stackrel-{x}\right)/\sigma \right]}^{2}\right\},\;{x}_{i} > \stackrel-{x}\end{array}\right. $$ (5) $$ {{{V}}}_{2}=\exp\left\{-{\left[\left({x}_{i}-\stackrel-{x}\right)/\sigma \right]}^{2}\right\},\;{x}_{i}\in R $$ (6) $$ {{{V}}}_{3}=\left\{\begin{array}{l}1,\;{x}_{i} > \stackrel-{x}\\ \exp\left\{-{\left[\left({x}_{i}-\stackrel-{x}\right)/\sigma \right]}^{2}\right\},\;{x}_{i} < \stackrel-{x}\end{array}\right. $$ (7) 式中:$ {x}_{i} $为对应的因素指标在第i个单元的测量值;$ \stackrel{-}{x} $为$ {x}_{i} $的平均值;$ \sigma $为$ {x}_{i} $的标准差。
采空区类型V5和地震及其他震动V6只能定性描述,无法量化,采用面积元法来确定其隶属度函数。
$$ {{{V}}}_{x}=\left\{\begin{array}{c}0\\ \dfrac{{S}_{{\rm{t}}}}{S}\\ 1\end{array}\right. $$ (8) 式中:S为实际规划的CO2封存场地面积;St为指标在CO2封存场地中所占的面积。
3.4 稳定性评价
3.4.1 计算权重
建立影响煤层CO2封存稳定性的各一级因素的比较判断矩阵见表5。
表 5 影响三河尖煤矿7号煤和9号煤CO2封存稳定性的各一级因素的比较判断矩阵Table 5. Comparative judgment matrix of first-level factors affecting the CO2 storage stability of No. 7 coal and No. 9 coal in Sanhejian Coal Mine指标 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 指标 U1 1 3 2 7 5 4 6 3 2 U2 1/3 1 1/2 4 3 2 5 2 1 U3 1/2 2 1 6 4 3 5 3 2 U4 1/7 1/4 1/6 1 1/3 1/4 1/2 1/4 1/5 U5 1/5 1/3 1/4 3 1 2 3 1/3 1/2 U6 1/4 1/2 1/3 4 1/2 1 3 1/2 1 U7 1/6 1/5 1/5 2 1/3 1/3 1 1/3 1/2 U8 1/3 1/2 1/3 4 3 2 3 1 1 U9 1/2 1 1/2 5 2 1 2 1 1 一级因素地质构造下的二级因素指标断层密度和断层强度的比较判断矩阵见表6。一级因素地下水指标下的二级因素指标酸性地下水数值和碱性地下水数值的比较判断矩阵见表7。一级因素其他因素下的二级因素指标采空区类型和地震及其他震动的比较判断矩阵见表8。
表 6 地质构造复杂程度二级指标比较判断矩阵Table 6. Comparative judgment matrix of secondary indicators of geological structure complexity地质构造复杂程度U3 V1 V2 V1 1 3 V2 1/3 1 表 7 地下水指标二级指标比较判断矩阵Table 7. Comparative judgment matrix of secondary indicators of groundwater indicators地下水指标U4 V3 V4 V3 1 1/5 V4 1/5 1 表 8 其他因素二级指标比较判断矩阵Table 8. Comparative judgment matrix of secondary of other factors其他因素U9 V5 V6 V5 1 2 V6 1/2 1 经计算,地质构造复杂程度、地下水指标和其他因素的二级指标最大特征根λmax均为2。影响煤层CO2封存稳定性的9个一级因素指标的比较判断矩阵的λmax=9.433。经过一致性检验,$ \mathrm{C}\mathrm{R}=\mathrm{C}\mathrm{I}/\mathrm{R}\mathrm{I}= 0.037 < 0.1 $,因此认为判断矩阵一致性较好。
最大特征值对应的特征向量即为各评价因子的权重,一级因素U1~U9的权重向量为[0.272,0.130,0.203,0.025,0.062,0.069,0.035,0.101,0.103],二级指标地质构造的权重向量为[0.750,0.250],地下水指标的权重向量为[0.833,0.167],其他因素的权重向量为[0.667,0.333]。
3.4.2 综合评判
根据三河尖关闭煤矿地质资料,结合各因素的隶属函数,可以计算得出影响三河尖关闭煤矿7和9号煤层CO2封存稳定性的各因素的隶属度(表9)。
表 9 7号煤和9号煤CO2封存稳定性因素隶属度Table 9. Degree of membership of CO2 storage stability factors for No. 7 coal and No. 9 coal指标 7号煤 9号煤· 稳定 较稳定 较不稳定 不稳定 稳定 较稳定 较不稳定 不稳定 U1 0 0.392 0.608 0 0 0.748 0.252 0 U2 0.4 0.6 0 0 0.3 0.5 0.2 0 U3 V1 1 0 0 0 1 0 0 0 V2 0 1 0 0 0 1 0 0 U4 V3 1 0 0 0 1 0 0 0 V4 0 1 0 0 0 1 0 0 U5 1 0 0 0 1 0 0 0 U6 0 0.792 0.208 0 0.497 0.503 0 0 U7 0 0.85 0.15 0 0 0.85 0.15 0 U8 1 0 0 0 1 0 0 0 U9 V5 0.8 0.2 0 0 0.8 0.2 0 0 V6 0 1 0 0 0 1 0 0 确定各因素指标的权重值和隶属度后,对三河尖关闭煤矿7和9号煤层CO2封存稳定性进行综合性评价,计算结果见表10。
表 10 综合性评价结果Table 10. Comprehensive evaluation results煤层 稳定 较稳定 较不稳定 不稳定 7 0.3984 0.4166 0.1850 0 9 0.4195 0.4807 0.0998 0 三河尖关闭煤矿7煤稳定性综合评价结果为[
0.3984 ,0.4166 ,0.1850 ,0][95,85,70,30]T=86.209;9煤稳定性评价综合评价结果为[0.4195 ,0.4807 ,0.0998 ,0][95,85,70,30]T=87.698。7、9号煤层CO2封存稳定性等级均为较稳定,可以进行封存CO2。4. CO2封存潜力估算
4.1 关闭煤矿煤层CO2封存量计算方法
在充分考虑到我国沉积盆地的复杂性、CO2地质储存研究现状等因素的基础上,郭建强等[30]借鉴碳封存领导人论坛和国内外开展的CO2地质储存相关研究成果,将我国CO2地质储存潜力与适宜性评价工作划分为区域级、盆地级、目标区级、场地级和灌注级5个阶段[30-33]。三河尖关闭煤矿评价区域属于场地级,7号煤和9号煤剩余煤炭资源储量合计
9623.9 万t,煤层结构简单,均较稳定。采用煤层CO2理论封存量计算模型计算煤层CO2封存潜力[34-38]。煤层CO2理论封存量:
$$ {M}_{{\rm{t}}}=A\times H\times {\rho }_{{\rm{c}}}\times {G}_{{\rm{c}}}\times {\rho }_{{{\rm{CO}}}_{2}}\times E\times (1-{f}_{{\rm{a}}}-{f}_{{\rm{m}}}) $$ (9) 式中:Mt为单位质量煤层CO2的封存量,t;A为研究区封存面积,km2;H为煤层平均厚度,m;ρc为煤的视密度,t/m3;Gc为每单位质量煤炭可吸附CO2体积量,m3/t;${\rho _{{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}} $为标准压力和温度条件下的CO2密度,取${\rho _{{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}} $=0.448 t/m3,E为封存系数,采用美国能源部在预测美国地质封存量时的推荐值为0.3;fa和fm分别为煤的灰分和水分质量分数。
4.2 封存潜力结果与封存有利区
依据工程现场和实验室测试方法获得参数(表11),计算三河尖关闭煤矿煤层CO2理论封存量和有效封存量。通过煤层CO2理论封存量和有效封存量计算模型计算煤层CO2封存潜力,计算7和9号煤层理论封存量分别为207.6、80.9 Mt。
表 11 三河尖关闭煤矿7号煤和9号煤主要参数Table 11. Main parameters of No. 7 coal and No. 9 coal in Sanhejian Coal Mine煤层 7号 9号 面积/km2 24.6 17.2 煤层结构 简单 复杂 稳定程度 较稳定 较稳定 煤厚/m 2.56 1.93 煤阶 气煤 气煤 视密度/(t·m−3) 1.37 1.34 每单位质量煤炭可吸附CO2体积/(mL·g−1) 28.52 16.75 超临界CO2密度/(t·m−3) 0.488 0.488 灰分平均质量分数/% 15.69 17.20 水分平均质量分数/% 1.87 2.04 理论封存量/Mt 207.6 80.9 依据评价结果和封存潜力计算结果综合考虑煤层埋深、厚度及地质构造等条件将三河尖关闭煤矿剩余煤炭划分封存有利区,封存有利区分为有利区、较有利区和不利区3个等级(图5)。
5. 结 论
1)三河尖煤矿采空区剩余煤炭资源储量合计
9623.9 万t,其中以煤层划分7号煤5069.5 万t,9号煤4554.4 万t;以剩余类型划分非正常剩余量为3498.7 万t,正常剩余量为6125.2 万t。2)采用模糊综合评价法对三河尖关闭煤矿7号煤和9号煤CO2稳定性进行评价,建立评价指标体系,包含9个一级指标和6个二级指标,综合评价结果为三河尖关闭煤矿7号煤和9号煤CO2封存稳定性等级均为较稳定,可以进行封存CO2。
3)确定了三河尖关闭煤矿煤层CO2封存的评价方法及参数,计算出三河尖关闭煤矿7和9号煤层CO2理论封存量分别为207.6、80.9 Mt,并划分三河尖关闭煤矿剩余煤炭封存有利区。
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表 1 三河尖煤矿7和9号煤层特征
Table 1 Characteristics of No. 7 and No. 9 coal seams of Sanhejian Coal Mine
煤层 煤厚/m 控煤点数 见煤点数 可采点数 点可采系数 煤层结构 赋存面积/km2 可采面积/km2 面积可采系数/% 可采程度 稳定程度 7 0~7.87
2.56123 93 87 93.5% 简单 24.6 18.3 74.4 大部分可采 较稳定 9 0~5.50
1.93114 77 46 59.7% 复杂 17.2 11.7 68.0 大部分可采 较稳定 表 2 三河尖煤矿7和9号原煤煤质特征分析
Table 2 Raw coal quality characteristics of Sanhejian Coal Mine No. 7 and No. 9
煤层 Ma.d /% Ad /% Vdaf /% St.d /% Pd /% Qgr.d (MJ·kg−1) Qnet·d (MJ·kg−1) 7 0.60~3.89
1.879.03~39.15
15.699.72~42.40
37.800.23~1.52
0.750.007~0.012 0.0102 18.41~32.58
26.8914.53~32.26
26.639 0.36~4.45
2.046.54~44.83
17.2031.34~44.82
37.610.25~4.49
1.090.00031 16.15~32.02
27.0811.66~31.81
26.25表 3 三河尖煤矿7号煤和9号煤剩余煤炭资源储量表
Table 3 Remaining coal resource reserves of No. 7 coal and No. 9 coal in Sanhejian Coal Mine
煤层 水平 非正常剩余量/万t 正常剩余量/万t 总计/万t 331 332 333 天然焦 7 − 1000 m以浅1831.7 1578.4 398.5 1100.6 47.9 5069.5 − 1000 ~−1300 m— 101.8 10.6 — 9 − 1000 m以浅1667.0 199.2 515.3 648.6 1146.4 4554.4 − 1000 ~−1300 m— 246.7 — 131.2 总计 3498.7 1777.6 1262.3 1759.8 1325.5 9623.9 表 4 三河尖煤层CO2封存稳定性影响因素量化分级表[14-26]
Table 4 Quantitative grading table of factors influencing CO2 storage stability in Sanhejian Coal Seam[14-26]
指标 稳定 较稳定 较不稳定 不稳定 稳定性系数指标U1 4 2.43 1 0.40 上覆岩层性质U2 2 1.20 0.75 0.50 地质构造复杂程度U3 断层密度V1 <1.0 1.0~1.3 1.3~1.8 >1.8 断层强度指数V2 <100 100~200 200~250 >250 地下水指标U4 酸性地下水指标V3(pH值) 6 4 3 1 碱性地下水指标V4(pH值) 7 8 9 11 封存煤层压温比U5(MPa·℃−1) 0.32 0.24 0.15 0.10 封存煤层深厚比U6 400 300 125 50 渗透率U7/10−15m2 1 3 5 6 采空塌陷程度指标U8 0.94 0.70 0.40 0.10 其他因素U9 采空区类型V5 煤柱支撑法采空区 自然垮落法采空区 充填法采空区 充填法采空区 地震及其他震动V6 无 无 轻微 严重 表 5 影响三河尖煤矿7号煤和9号煤CO2封存稳定性的各一级因素的比较判断矩阵
Table 5 Comparative judgment matrix of first-level factors affecting the CO2 storage stability of No. 7 coal and No. 9 coal in Sanhejian Coal Mine
指标 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 指标 U1 1 3 2 7 5 4 6 3 2 U2 1/3 1 1/2 4 3 2 5 2 1 U3 1/2 2 1 6 4 3 5 3 2 U4 1/7 1/4 1/6 1 1/3 1/4 1/2 1/4 1/5 U5 1/5 1/3 1/4 3 1 2 3 1/3 1/2 U6 1/4 1/2 1/3 4 1/2 1 3 1/2 1 U7 1/6 1/5 1/5 2 1/3 1/3 1 1/3 1/2 U8 1/3 1/2 1/3 4 3 2 3 1 1 U9 1/2 1 1/2 5 2 1 2 1 1 表 6 地质构造复杂程度二级指标比较判断矩阵
Table 6 Comparative judgment matrix of secondary indicators of geological structure complexity
地质构造复杂程度U3 V1 V2 V1 1 3 V2 1/3 1 表 7 地下水指标二级指标比较判断矩阵
Table 7 Comparative judgment matrix of secondary indicators of groundwater indicators
地下水指标U4 V3 V4 V3 1 1/5 V4 1/5 1 表 8 其他因素二级指标比较判断矩阵
Table 8 Comparative judgment matrix of secondary of other factors
其他因素U9 V5 V6 V5 1 2 V6 1/2 1 表 9 7号煤和9号煤CO2封存稳定性因素隶属度
Table 9 Degree of membership of CO2 storage stability factors for No. 7 coal and No. 9 coal
指标 7号煤 9号煤· 稳定 较稳定 较不稳定 不稳定 稳定 较稳定 较不稳定 不稳定 U1 0 0.392 0.608 0 0 0.748 0.252 0 U2 0.4 0.6 0 0 0.3 0.5 0.2 0 U3 V1 1 0 0 0 1 0 0 0 V2 0 1 0 0 0 1 0 0 U4 V3 1 0 0 0 1 0 0 0 V4 0 1 0 0 0 1 0 0 U5 1 0 0 0 1 0 0 0 U6 0 0.792 0.208 0 0.497 0.503 0 0 U7 0 0.85 0.15 0 0 0.85 0.15 0 U8 1 0 0 0 1 0 0 0 U9 V5 0.8 0.2 0 0 0.8 0.2 0 0 V6 0 1 0 0 0 1 0 0 表 10 综合性评价结果
Table 10 Comprehensive evaluation results
煤层 稳定 较稳定 较不稳定 不稳定 7 0.3984 0.4166 0.1850 0 9 0.4195 0.4807 0.0998 0 表 11 三河尖关闭煤矿7号煤和9号煤主要参数
Table 11 Main parameters of No. 7 coal and No. 9 coal in Sanhejian Coal Mine
煤层 7号 9号 面积/km2 24.6 17.2 煤层结构 简单 复杂 稳定程度 较稳定 较稳定 煤厚/m 2.56 1.93 煤阶 气煤 气煤 视密度/(t·m−3) 1.37 1.34 每单位质量煤炭可吸附CO2体积/(mL·g−1) 28.52 16.75 超临界CO2密度/(t·m−3) 0.488 0.488 灰分平均质量分数/% 15.69 17.20 水分平均质量分数/% 1.87 2.04 理论封存量/Mt 207.6 80.9 -
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