吐哈盆地大南湖矿区富油煤原位热解开发地质条件评价及有利区优选

赵伟; 车可心; 王文峰; 何鑫; 高湘泉; 吴键; 刘彪

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2600810

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (30) :13006-13019 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2600810

论文：石油、天然气工业

吐哈盆地大南湖矿区富油煤原位热解开发地质条件评价及有利区优选

赵伟 ¹ ,
车可心 ²^,^* ,
王文峰 ²^,³ ,
何鑫 ⁴ ,
高湘泉 ³ ,
吴键 ¹ ,
刘彪 ¹

作者信息 +

Evaluation of Geological Conditions and Optimization of Favorable Areas for in-situ Pyrolysis Development of Tar-rich Coal in the Dananhu Mining Area, Turpan-Hami Basin

ZHAO Wei ¹ ,
CHE Ke-xin ²^,^* ,
WANG Wen-feng ²^,³ ,
HE Xin ⁴ ,
GAO Xiang-quan ³ ,
WU Jian ¹ ,
LIU Biao ¹

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摘要

富油煤的原位热解是实现煤炭清洁高效利用的关键路径,科学的潜力评价与选址则是其工程化实施的前提与保障。以新疆吐哈盆地大南湖矿区F1南井田为研究区,从煤岩煤质特征、煤层赋存条件、围岩条件、封闭条件和环境地质条件5个维度进行了系统分析,运用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)和熵权法(entropy weight method,EWM)结合的组合赋权法以及模糊综合评价法,选取5个一级指标和13个二级指标,计算各指标的综合权重并进行定量评价,多角度探讨了研究区原位热解开发的可行性,构建了一套多标准的富油煤原位热解开发潜力评价模型,并应用于研究区15号煤层,优选了有利区。研究区大部分煤层已达富油煤标准(平均焦油产率大于7%),富油煤主要发育在含煤段中-上部。15号煤层为长焰煤,以中等水分含量、低灰分产率、高挥发分产率、低硫煤为特点,煤平均焦油产率达7.74%,整体属中厚-厚煤层,煤层结构简单,顶底板岩性致密,潜在环境风险较弱,综合地质条件为研究区内最适宜开展原位热解的层位。根据模型评价结果,将15号煤层原位热解开发有利性划分为3个等级,其中有利区主要集中在中北部,较有利区范围最广,分布于西南部和东部,不利区主要位于矿区南部。所构建的富油煤原位热解开采潜力评价模型,有效克服了单一赋权方法的主客观局限性问题,量化了复杂模糊的地质条件,为研究区富油煤资源开发利用提供了科学实用的决策依据,具有推广应用价值。

Abstract

In-situ pyrolysis of tar-rich coal is considered a key pathway for achieving clean and efficient coal utilization, for which scientific potential evaluation and site selection are essential prerequisites and guarantees for its engineering implementation. The No.15 coal seam in the F1 South Mine Field of the Dananhu Mining Area, Turpan-Hami Basin, Xinjiang, was selected as the research object. A systematic analysis was conducted from five dimensions, including coal petrology and quality characteristics, coal seam occurrence conditions, surrounding rock conditions, sealing conditions, and environmental geological conditions. By utilizing a combined weighting method that integrates the AHP (analytic hierarchy process) and the EWM (entropy weight method), along with a fuzzy comprehensive evaluation method, 5 first-level and 13 second-level indicators were established. The comprehensive weight of each indicator was calculated for quantitative evaluation, and the feasibility of in-situ pyrolysis development in the study area was explored from multiple perspectives. Consequently, a multi-criteria evaluation model for the in-situ pyrolysis development potential of tar-rich coal was constructed, and favorable zones were identified. Most of the coal seams in the study area were found to meet the standard for tar-rich coal (average tar yield >7%), with tar-rich coal primarily developed in the middle-upper sections of the coal-bearing sequence. The No.15 coal seam is mainly composed of long-flame coal, with an average tar yield of 7.74%. It is characterized by moderate moisture content, low ash yield, high volatile matter yield, and low sulfur content. Overall, it is identified as a medium-thick to thick coal seam with a simple structure. The roof and floor lithology is dense, and the potential environmental risk is relatively low, making its comprehensive geological conditions the most suitable stratum for in-situ pyrolysis within the study area. Based on the model evaluation results, the favorability for in-situ pyrolysis development of the No.15 coal seam was classified into three grades. The favorable zones are mainly concentrated in the central-northern part, the relatively favorable zones (covering the largest area) are distributed in the southwest and east, and the unfavorable zones are primarily located in the southern part of the mining area. The evaluation model for in-situ pyrolysis potential of tar-rich coal constructed in this study can effectively overcome the subjective and objective limitations of single weighting methods and quantify complex and ambiguous geological conditions. It can provide a scientific and practical decision-making basis for the development and utilization of tar-rich coal resources in the study area, and is considered to possess value for broader application.

Graphical abstract

关键词

富油煤 / 原位热解 / 评价模型 / 组合赋权 / 模糊分析 / 有利区优选

Key words

oil-rich coal / in-situ pyrolysis / evaluation model / combined weighting / fuzzy analysis / favorable zone optimization

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赵伟, 车可心, 王文峰, 何鑫, 高湘泉, 吴键, 刘彪. 吐哈盆地大南湖矿区富油煤原位热解开发地质条件评价及有利区优选[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(30): 13006-13019 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2600810

ZHAO Wei, CHE Ke-xin, WANG Wen-feng, HE Xin, GAO Xiang-quan, WU Jian, LIU Biao. Evaluation of Geological Conditions and Optimization of Favorable Areas for in-situ Pyrolysis Development of Tar-rich Coal in the Dananhu Mining Area, Turpan-Hami Basin[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(30): 13006-13019 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2600810

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富油煤作为一种兼具煤、油、气三重属性的煤基油气资源,具有通过中低温热解产出油气的能力,其固态产物半焦还能作为焦煤与无烟煤的替代品^[1-4]。中国富油煤预测资源量超过5 500亿t,主要发育在新疆、陕西等西部地区,占探明煤炭资源储量的24.8%,开发潜力巨大^[5-7]。因此,推动富油煤的绿色开发与低碳利用,不仅是缓解油气供应压力的重要途径,也是实现煤炭资源清洁高效转化的关键方向。

适用于富油煤资源开发的热解技术主要有地面和原位热解两大类^[8]。相较于地面热解,地下原位热解在提高煤炭资源采出率、扩大深部煤层开发范围、降低地质风险和提升碳封存潜力等方面均有显著优势^[9-10],并且可与煤层气开采、煤炭地下气化等工艺协同实施,最大限度地开发深部煤炭资源,实现资源的高效精细利用^[11]。受限于热解机理多变、地质条件复杂和经济可行性模糊等多重因素,富油煤地下原位热解的研究仅有少数先导性试验^[12-14],目前难以实现大规模工业化利用。

基于此,构建一套科学、系统的富油煤原位热解开发潜力评价模型,圈定开发有利区段,从源头上为工程实施和经济效益提供保障,是推进原位热解产业化的重要基础。目前,富油煤原位热解开发评价研究处于起步阶段,李华兵等^[15]采用层次分析法,把资源赋存、煤层赋存、开发技术和社会环境作为主要指标,对神府矿区富油煤资源开发潜力进行评价。Jing等^[16]先通过多层次模糊数学评价模型,对条湖矿区富油煤原位开发有利区进行划分,再针对选区结果开展约束条件分析,建立一票否决指标体系,优选原位热解靶区。上述研究取得了一些有益成果,但其缺陷在于评价体系存在一定的主观性,权重分配不够科学全面,忽视了数据的客观内在规律。

新疆吐哈盆地大南湖矿区煤炭资源丰富,煤岩变质程度较低、地质构造简单,具有极大的富油煤开发利用前景,但该区地下原位热解技术的开发潜力不明,有利区优选几乎处于空白,煤中油气价值未得到充分利用。现有富油煤原位热解开发评价体系不成熟,且各地区的地质条件与勘探资料不一,不能直接套用已有的资源评价体系对大南湖矿区进行开发可行性评价。鉴于上述不足,现采用组合赋权法与模糊数学评价法,选取5个一级指标和13个二级指标,构建富油煤原位热解开发潜力评价模型,对研究区15号煤层开展多维度原位热解可行性分析,并进行有利区划分,为该区原位热解靶区优选、工程布局与开发决策提供科学依据,并为类似矿区富油煤原位开发评价提供方法参考。

1 研究区地质概况

大南湖矿区(图1)处于吐鲁番-哈密盆地南缘^[17][图1(a)],区域构造上属于吐哈盆地的次级构造单元大南湖坳陷,位于墩隆起之南,沙尔湖凹陷以东,总面积约240 km²,煤储量约101.4×10⁸ t,是中国重要的聚煤区之一^[18]。研究区为大南湖矿区F1南井田,区内为由侏罗系含煤地层组成的斜列式复式向斜褶皱,地表大部分为第四系冲积、洪积物覆盖,区内主要构造为南湖背斜、南湖向斜、南湖南背斜以及后生的F1正断层,整体构造复杂程度中等^[19]。据地表出露和已有钻孔揭露资料,区内发育的侏罗系地层主要为中侏罗统西山窑组和头屯河组,煤层主要赋存于侏罗系中统西山窑组中段(J₂x²),可采煤层为22层,煤层发育较稳定,整体结构简单,区域地层岩性柱状图如图1(c)所示。

2 样品及测试方法

系统采集新疆大南湖矿区F1南井田施工钻孔中西山窑组煤层样品,自上而下分别为2-4、2-3、2-2、2-1、2、3、5、8、11、12、15、16、18、19、21、22、25、26、27、28、29、30号煤,其中15号煤层为主要可采煤层,全区稳定分布,平均厚度6.14 m,在地层序列中尤为突出,为一个典型的标志层。收集的煤层样品立即装入密封袋,以减少污染和氧化。随后,将样品粉碎筛选不同类别用于不同测试分析,其中,工业分析采用国家标准《煤的工业分析方法》(GB/T 212—2008)进行测试,焦油产率依据《煤的格金低温干馏试验方法》(GB/T 1341—2007)进行测试。

3 富油煤赋存特征

3.1 煤质特征

研究区可采煤层的宏观煤岩组分以暗煤为主,含少量亮煤、丝炭;显微煤岩组成以镜质组为主,次为惰质组,壳质组少量。煤样工业分析结果表明(表1),大南湖F1南井田原煤总体水分较高,空气干燥基水分含量(M_ad)为3.41%~24.08%,平均含量为11.36%,各煤层之间水分相差不大。原煤灰分产率(A_d)为3.05%~30.81%,平均值为10.96%,总体以特低灰—低灰煤为主,局部出现中灰煤。原煤挥发分产率(V_daf)为26.71%~51.59%,平均值为41.25%,总体以高挥发分煤为主。原煤硫分含量(S_t,d)为0.07%~1.92%,平均值为0.38%,总体以特低硫煤为主。综上,大南湖F1南井田原煤为特低灰—低灰、高挥发分的特低硫煤。

3.2 焦油产率特征

研究区煤的格金低温干馏测试结果表明(表2),大南湖F1南井田各煤层的平均煤焦油产率为5.84%~7.83%,半焦产率为48.20%~77.00%,总水分产率为1.2%~12.9%,煤气及损失率主要分布在5.4%~18.40%。以焦油产率为分级标准,焦油产率≤ 7%为含油煤,位于7%~12%为富油煤,大于12%为高油煤。研究区可采煤层焦油产率变化范围在2.01%~20.85%,变化范围较大,但大部分煤层的平均焦油产率已达富油煤评级标准,富油与高油煤占比在60%以上,总体以富油煤为主(图2)。

垂向上,煤层自下而上焦油产率均值略有升高,富油煤发育煤层大部分处于含煤段的中-上部。15号煤层为全区稳定主采煤层,发育在含煤段中部,煤层焦油产率平均值为7.74%,富油煤样品占比达67%,是全区最具开发潜力的煤层。平面上,15号煤层中富油煤集中分布于矿区中北部以及西南部(图3)。5号和25号煤层分别为含煤段上、下部较稳定的主采煤层,煤厚平均值分别为4.96 m和5.44 m,煤类以长焰煤为主,煤层平均焦油产率分别为7.75%和7.77%,同样为富油煤发育的有利层段,但焦油产率变化范围波动较大,开发潜力逊于15号煤。

4 富油煤原位热解地质条件分析

富油煤原位热解的理论与技术体系尚未完善,鉴于煤炭地下气化所采用的气化炉,在基本原理上与原位热解实验中的热解炉具有相似性,后续针对地质条件的分析及相关评价指标的建立,将适当参考其技术思路与评价方法。从生产效益、热解封闭稳定性、污染威胁等角度出发,提炼总结了5大类:煤岩煤质特征、煤层赋存条件、围岩条件、封闭条件和环境地质条件。选择全区稳定发育的主采煤层15号煤作为大南湖F1南井田富油煤原位热解重点研究层位,包含28个钻孔煤层样品,基本覆盖全区。

4.1 煤岩煤质特征

不同煤化程度的煤的热解产物中CO、H₂、CH₄等气体组分存在显著差异,进而影响合成气的产量及热值特性,低阶煤中褐煤和长焰煤更适宜开展原位热解项目,其次为瘦煤、气煤、肥煤、贫煤、无烟煤、焦煤^[11]。煤的工业组分(水分、灰分、挥发分)对煤炭热解的过程均有影响。原煤中水分过高,会导致热解过程中水分蒸发吸收热量,导致热解温度降低,进而对热解反应产生不利影响。灰分作为无机组分,不参与生油反应,其存在直接降低了单位体积煤层中有机质的含量,相当于降低了干酪根的富集度,并且灰分过高会导致热解反应生成的大量粉尘状残留物,使热解工作面扩展受阻,降低地下原位热解效率^[20]。煤中挥发分有助于煤热解过程中有机质的热裂解和缩聚反应,通常煤挥发分越高,热解性能越好^[21-22]。煤中硫在热解过程中会生成SO₂和H₂S等含硫气体,在加剧设备腐蚀的同时,还会扩散至含水层或大气中,造成环境污染,因此低硫煤层更有利于煤原位热解开发^[23-24]。

研究区15号煤层主要发育长焰煤,是最有利于煤炭地下气化的煤种之一。15号煤水分含量介于6.57%~22.60%,平均为13.11%,其中矿区中部水分含量较低,更利于原位热解开发,西南部及东部水分含量相对偏高[图4(a)]。灰分产率介于3.65%~25.43%,变化幅度较大,平均为10.45%,低灰煤主要集中于矿区靠近F1断层的西南部及矿区东部[图4(b)]。挥发分含量介于34.47%~45.86%,平均为41.50%,整体上高挥发分煤分布面积较大,主要位于矿区西部及中部[图4(c)]。硫分含量介于0.09%~1.79%,平均为0.39%,低硫煤全区覆盖较广,大部分分布于矿区北部及东部[图4(d)]。

4.2 煤层赋存条件

煤层厚度和埋深会影响煤气热值、焦油产率和资源采出率,也决定了地下热解密闭性、工程施工难度与经济成本等^[25]。煤层埋深较浅,热解密闭性差,且上覆岩层垮落后易与地表沟通,存在产出流体泄漏风险;埋深过深则会增添施工难度^[26]。煤层厚度较大也会导致燃空区上覆岩层的垮落范围增大,安全性较低,增加了工程建设成本,降低了经济性^[27-28]。

研究区15号煤层厚度为1.32~15.19 m,平均为6.32 m,属于中厚-厚煤层,平面分布上,靠近F1断层西南部及矿区中部煤层厚度适中,更适宜开展原位热解[图5(a)]。15号煤层埋深为72.74~580.55 m,平均为401.78 m,自矿区东北部到西南部逐渐降低[图5(b)]。

煤层结构简单通常更有利于原位热解工程实施。研究区15号煤层含夹矸0~2层,其中无夹矸(0层)占比71%,含1层夹矸占比18%,含2层夹矸占比11%,主体属较简单结构,有利于富油煤原位热解工艺的开展。

4.3 围岩条件

在煤炭地下气化工程中,为保障气化炉的密闭性、控制地表沉降和地下污染等因素,通常选用泥岩或泥质砂岩作为盖层,该原则同样适用于原位热解开发过程^[29]。研究区15号煤层顶底板包括砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩和泥岩,大部以砂质泥岩为主,少部分煤层顶底板为细-粉砂岩,局部存在泥岩底板。

参照顶底板岩石渗透性等力学要素^[30],将研究区15号煤层顶底板岩性分为5大类并赋分,石灰岩和泥岩为5,砂质泥岩和粉砂岩为4,细砂岩为3,中砂岩为2,粗砂岩和砾岩为1。图6可见,砂质泥岩和粉砂岩顶板主要分布在矿区西南部和东部,泥岩底板分布于矿区西南部和中部,矿区整体顶底板岩性致密,具有良好的隔水性和封盖能力,西部的围岩条件更优。

4.4 环境条件

原位热解工程的环境风险主要涉及空气、地表沉降和地下水污染三大环境问题^[31]。其中,地下水污染与煤中有害元素的赋存及富集程度息息相关,有害元素受热析出,发生形态转化,通过地层裂隙孔隙、钻孔和监测孔等通道进入地下水系统。在煤热解过程中,F会以HF等形式释放到气相中^[32],As的释放行为与其赋存形态紧密相关,与黄铁矿结合的砷在热解时更易挥发释放,还可能产生剧毒As₂O₃^[33-34],Cl主要以有机氯化合物、HCl等形式迁移到焦油及其产物中^[35]。以上有害元素的迁移和释放不仅会污染热解气和焦油,降低产品品质,同时加剧设备腐蚀,影响生产安全,还会通过地下水等途径造成区域性污染,生态风险高,极大增加后续净化成本^[36]。

15号煤层F含量介于15.00~117.00 μg/g,平均为44.1 μg/g,整体上含量相对较低,平面上,自北向南煤中F含量逐渐减少,靠近F1断层的矿区东北部F含量相对较高[图7(a)]。煤中As含量介于1~4 μg/g,平均为2.07 μg/g,平面分布上,自东向西As含量逐渐减少[图7(b)]。煤中Cl含量在0.046%~0.51%,平均含量为0.26%,整体以中-高氯煤为主,平面上Cl含量自东向西呈增大趋势[图7(c)]。

5 多层次评价体系建立

富油煤原位热解有利区的选取,是一项涉及多层次、多目标的复杂综合评估。由于地质条件复杂多样,仅依靠简单模型难以实现定量化与精确化的开发潜力评价。为此,构建了基于组合赋权和模糊分析结合的富油煤原位热解开发潜力评价模型,并甄选了开发有利区。评价流程主要包括评价指标选取,确定指标综合权重,划分指标分级界定值,指标值转化隶属度,计算综合评价系数,如图8所示。

5.1 评价指标选取

从原位热解开发过程的效率、封闭稳定性、污染威胁等角度出发,参考前人研究成果^[12,21,26]并结合新疆大南湖矿区煤层赋存的地质特征及煤层储层特点等,提炼总结出了5个一级指标(煤岩煤质、煤层赋存、围岩、封闭、环境)、13个二级指标作为评价富油煤原位热解开发适宜性的关键地质指标,建立了评价体系,具体如表3所示。煤岩煤质和煤层赋存条件指标影响原位热解开发过程稳定性,围岩和封闭条件指标影响热解封闭性,而环境地质条件主要评价分析潜在环境威胁。

5.2 基于AHP-EWM的组合赋权法

权重系数体现了各指标对原位热解的影响程度及其在评价体系中的相对作用。层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)作为一种广泛使用且易于操作的主观赋权方法,其权重确定主要依据专家经验,容易因个体偏好而影响权重的公正性,导致评价结论与实际情况存在出入^[37]。熵权法(entropy weight method,EWM)虽通过数据客观推算权重,但结果受限于样本数据分布,难以准确反映某些关键参数的实际重要性^[38]。因此,采用AHP与EWM结合的组合赋权方法,综合主客观信息,最终获取更为合理可靠的权重分配。

5.2.1 层次分析法(AHP)

通过对影响研究区15号煤层富油煤原位热解地质条件的分析,依据专家经验,采用Saaty1~9标度法^[39]对影响富油煤原位热解的同层级指标进行评分,进而构建判断矩阵A,计算出各指标的主观权重W_d,最后进行一致性检验(表4)。AHP具体步骤如下。

(1)$\mathrm{A}=[{\mathit{a}}_{\mathit{i}\mathit{j}}{]}_{\mathit{n}\times \mathit{n}}=\left[\begin{array}{llll}{\mathit{a}}_{11}& {\mathit{a}}_{12}& \dots & {\mathit{a}}_{1\mathit{n}}\\ {\mathit{a}}_{21}& {\mathit{a}}_{22}& \dots & {\mathit{a}}_{2\mathit{n}}\\ \mathit{︙}& \mathit{︙}& \mathrm{ }& \mathit{︙}\\ {\mathit{a}}_{\mathit{n}1}& {\mathit{a}}_{\mathit{n}2}& \dots & {\mathit{a}}_{\mathit{n}\mathit{n}}\end{array}\right],{\mathit{a}}_{\mathit{i}\mathit{j}}>0$

式(1)中:n为评价指标数量;a_ij为矩阵A中第i行,第j列的元素,用来表示评价指标a_i和a_j之间的相对重要性。

建立判断矩阵A后,通过和积法计算各评价指标主观权重W_d。

(2)$\mathrm{b}\mathit{\text{'}}{\mathrm{ }}_{\mathit{i}\mathit{j}}=\frac{{\mathit{a}}_{\mathit{i}\mathit{j}}}{\stackrel{\mathit{n}}{\sum _{\mathit{i}=1}}{\mathit{a}}_{\mathit{i}\mathit{j}}}$

(3)${\mathit{W}}_{\mathrm{d}}=\frac{\stackrel{\mathit{n}}{\sum _{\mathit{j}=1}}\mathit{b}\mathit{\text{'}}{\mathrm{ }}_{\mathit{i}\mathit{j}}}{\mathit{n}}$

(4)${\mathit{\lambda }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\frac{1}{\mathit{n}}\stackrel{\mathit{n}}{\sum _{\mathit{i}=1}}\frac{(\mathit{A}{\mathit{W}}_{{}_{\mathrm{A}}}{)}_{\mathit{i}}}{{\mathit{W}}_{\mathrm{d}}}$

式中:b'_ij为矩阵每列元素值归一化后的值;λ_max为判断矩阵A的最大特征值;W_A为判断矩阵A对应的权重。

为了验证结果的合理性,需要对计算结果进行一致性检验,来评估重要性判断的逻辑一致性。

(5)$\mathrm{C}\mathrm{I}=\frac{{\mathit{\lambda }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-\mathit{n}}{\mathit{n}-1}$

(6)CR=$\frac{\mathrm{C}\mathrm{I}}{\mathrm{R}\mathrm{I}}$

式中:CI为一致性指标;RI为随机一致性指标;CR为一致性比率。

计算结果CR<0.1时,认为判断矩阵的一致性是可以接受的;否则,需要重新调整矩阵元素直至满足一致性要求。

5.2.2 熵权法(EWM)

采用熵权法(entropy weight method,EWM)确定各个二级指标的客观权重W_f,此方法以数据分布的集中程度判断数据的重要性高低,从而避免因决策者主观经验或偏好而产生权重偏差,是一种基于数据内在规律的客观赋权方法。所选取的二级指标中,既有定量指标也有定性指标;定量指标包括M_ad、A_d、V_daf、硫分含量、煤层厚度、埋深等11个地质因素,其原始数据可以直接从大南湖F1南井田矿区煤炭勘探报告中统计计算得到;定性指标为顶板岩性和底板岩性,已在4.3节中完成了定量化转化。EWM具体步骤如下。

由于每列指标类别不同,需对原始矩阵B进行归一化处理以消除其影响。根据指标对评价目标的作用方向(正向、负向、区间型指标),分别采用不同的归一化公式。

(7)$\mathrm{B}=({\mathit{b}}_{\mathit{i}\mathit{j}}{)}_{\mathit{m}\times \mathit{n}}=\left[\begin{array}{llll}{\mathit{b}}_{11}& {\mathit{b}}_{12}& \dots & {\mathit{b}}_{1\mathit{n}}\\ {\mathit{b}}_{21}& {\mathit{b}}_{22}& \dots & {\mathit{b}}_{2\mathit{n}}\\ \mathit{︙}& \mathit{︙}& \mathrm{ }& \mathit{︙}\\ {\mathit{b}}_{\mathit{m}1}& {\mathit{b}}_{\mathit{m}2}& \dots & {\mathit{b}}_{\mathit{m}\mathit{n}}\end{array}\right]$

式(7)中:m为评价钻孔的数量。

(1)正向指标。

(8)$\mathit{b}\mathit{\text{'}}{\mathrm{ }}_{\mathit{i}\mathit{j}}=\frac{{\mathit{b}}_{\mathit{i}\mathit{j}}-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}{\mathit{b}}_{\mathit{j}}}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}{\mathit{b}}_{\mathit{j}}-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}{\mathit{b}}_{\mathit{j}}}$

(2)负向指标。

(9)$\mathit{b}\mathit{\text{'}}{\mathrm{ }}_{\mathit{i}\mathit{j}}=\frac{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}{\mathit{b}}_{\mathit{j}}-{\mathit{b}}_{\mathit{i}\mathit{j}}}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}{\mathit{b}}_{\mathit{j}}-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}{\mathit{b}}_{\mathit{j}}}$

(3)区间型指标。

(10)$\mathit{M}=\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}(\mathit{x}-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}{\mathit{b}}_{\mathit{j}},\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}{\mathit{b}}_{\mathit{j}}-\mathit{y})$

(11)$\mathit{b}\mathit{\text{'}}{\mathrm{ }}_{\mathit{i}\mathit{j}}=\left\{\begin{array}{ll}1-\frac{\mathit{x}-{\mathit{b}}_{\mathit{i}\mathit{j}}}{\mathit{M}},& {\mathit{b}}_{\mathit{i}\mathit{j}}<\mathit{x}\\ 1,& \mathit{x}\le {\mathit{b}}_{\mathit{i}\mathit{j}}\le \mathit{y}\\ 1-\frac{{\mathit{b}}_{\mathit{i}\mathit{j}}-\mathit{y}}{\mathit{M}},& {\mathit{b}}_{\mathit{i}\mathit{j}}>\mathit{y}\end{array}\right.$

参考标准化后的矩阵B',计算各个评价指标的熵权值e_j和客观权重W_f。

(12)$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{p}}_{\mathit{i}\mathit{j}}=\frac{\mathrm{b}\mathit{\text{'}}{\mathrm{ }}_{\mathit{i}\mathit{j}}}{\stackrel{\mathit{m}}{\sum _{\mathit{i}=1}}\mathit{b}\mathit{\text{'}}{\mathrm{ }}_{\mathit{i}\mathit{j}}}\\ {\mathit{e}}_{\mathit{j}}=-\mathit{k}\stackrel{\mathit{m}}{\sum _{\mathit{i}=1}}{\mathit{p}}_{\mathit{i}\mathit{j}}\mathrm{l}\mathrm{n}{\mathit{p}}_{\mathit{i}\mathit{j}}\\ {\mathit{W}}_{\mathrm{f}}=\frac{1-{\mathit{e}}_{\mathrm{j}}}{\stackrel{\mathit{n}}{\sum _{\mathit{j}=1}}(1-{\mathit{e}}_{\mathrm{j}})}\end{array}\right.$

式(12)中:p_ij为第i行、第j列的元素值在该列总值中所占比例;k为归一化常数,k=1/lnm。

5.2.3 组合赋权法

采用乘法集合法计算各指标综合权重W_c。计算结果如表5所示。

(13)${\mathit{W}}_{\mathrm{c}}=\frac{{\mathit{W}}_{\mathrm{d}}{\mathit{W}}_{\mathrm{f}}}{\stackrel{\mathit{n}}{\sum _{\mathit{i}=1}}{\mathit{W}}_{\mathrm{d}}{\mathit{W}}_{\mathrm{f}}}$

5.3 确定评价指标隶属度函数

模糊综合评价法依托模糊数学理论框架,定量评价多种因素制约的对象,该方法依据不同隶属函数,计算评价对象的各等级隶属度,最终进行综合评价^[40-41]。选用模糊数学中的梯形隶属函数,根据各二级指标对富油煤原位热解作用机制的差异,将指标划分为成本型、中间型和效益型3类,评价等级分为有利区、较有利区和不利区3个级别,每类指标分别对应3种不同的隶属函(数表6),利用隶属函数处理对应的评价指标参数,将指标属性值转化为[0,1]区间内的隶属度。根据研究区原位热解开发潜力评价体系,划定了不同指标的合理取值范围,明确了各等级的分级界定值,如表7所示。

6 富油煤原位热解地质选区综合评价结果

基于上述组合赋权和模糊分析的结果,对应各评价指标综合权重计算出不同钻孔的综合评价系数U(0<U<1),将每一区块各评价指标的综合权重系数与隶属度数值相乘,其乘积的和即为该区块综合评价系数,U越大表明其可行性越高。

根据U值将大南湖F1南井田矿区富油煤原位热解开发选址划分为3类,即U≥0.7为有利区,0.5≤U<0.7为较有利区,U<0.5为不利区,划分结果见图9。研究区15号煤层富油煤原位热解开发的有利区块主要富集于矿区中部,该区域煤层焦油产率普遍高于7.00%,综合地质与资源条件表明,其为全区最具原位热解开发潜力的优势区域。较有利区块覆盖矿区大部分位置,包含矿区西南部及东部区域;不利区主要集中于矿区南部,面积相对较小。综上,富油煤原位热解开发“有利”与“较有利”等级覆盖研究区范围较广,这表明大南湖F1南井田15号煤层整体具备优越的地质条件与资源禀赋,适宜推进富油煤原位热解工程的先导性试验与系统开发,展现出良好的工业化应用前景。

然而,富油煤原位热解这一变革性技术开发应用带来的环境风险需要引起重视。富油煤热解过程产生的重金属和多环芳烃(如蒽油、萘油)等有机、无机污染物会在浓度差、压力差作用下沿着天然裂隙或人工压裂裂缝进行迁移扩散,污染附近含水层^[43]。热解油气在采收过程中会向上渗透、泄漏至上覆岩层或地表,也会使得热解作业区出现水污染。此外,热解结束后,地下残渣中的Pb、Hg等微量元素也可能诱发二次污染^[44]。基于上述环境问题,所提出富油煤原位热解“技术优化”与“污染管控”的一体化动态优化方案建议,包含发展裂隙封堵技术^[45]、多维度监测污染物影响范围与迁移速度^[46]、研究残留污染物的固化稳定技术等,推动富油煤原位热解技术向清洁低碳化方向发展。

总体而言,所构建的“层次分析-熵权-模糊数学”多参量耦合评价模型,能够在复杂地质决策过程中实现主观经验与客观信息、定性分析与定量计算的结合,可靠性更强,为新疆类似矿区富油煤原位热解技术的工程选址提供了普适性方法论框架。通过这一可复制、可调参的评价体系,能够将矿区的地质数据,快速转化为指导工程部署的开发潜力分级图,显著提升靶区优选效率,降低勘探决策风险,最终为新疆规模化、工程化的富油煤原位热解产业落地,提供兼具科学与工程实用性的关键技术支撑。

7 结论

(1)大南湖矿区F1南井田整体为特低灰-低灰、高挥发分的特低硫煤,且区内富油煤发育程度较高,大部分煤层的平均焦油产率达富油煤品级。垂向上,煤层自下而上焦油产率均值略有升高,富油煤主要赋存于含煤段中上部。其中,15号煤层全区稳定分布,平均焦油产率高达7.74%、富油煤在平面上于中北部及西南部集中展布(占比约67%),整体属中厚-厚煤层,煤层结构简单,煤体结构较完整,顶底板岩性致密,潜在环境风险较弱,综合地质条件具备富油煤原位热解开发潜力。

(2)综合考量了产油效率、封闭稳定性、安全性、经济可行性及生态环保性等因素,选取煤岩煤质特征、煤层赋存条件、围岩条件、封闭条件及环境条件5个维度,细化了13个亚类地质指标,采用模糊综合评价法和AHP-EMW组合赋权法分别作为综合评价方法和权重计算方法,在此基础上构建了适用于研究区富油煤原位热解开发的多层次综合评价体系,从而实现有利区的科学划分。

(3)大南湖F1南井田15号煤层整体具备良好的富油煤原位热解开发前景,共划分了3个级别,开发有利区主要集中在矿区中部,较有利区块覆盖面积较大,分布于矿区西南部及东部,矿区南部为不利开发区。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金(42472236)

国家自然科学基金(42572208)

新疆维吾尔自治区自然科学基金重点项目(2025D01D14)

神华地质勘察有限责任公司校企合作项目(GSKJ-22-57)

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Received	Published	Revised
2026-02-06	2026-10-28	2026-04-07
Online Date
2026-11-10

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