煤炭地下气化(UCG)是一种将煤在地下煤层转化为CH₄、H₂、CO等可燃性气体的化学过程^[1-2]。与传统采煤方式相比，UCG可将煤中的碳元素固定在煤气中，而不以二氧化碳的形式排放到大气中，有助于减少温室气体排放、实现碳达峰和碳中和的目标；同时UCG产生的煤气可用于发电、供热等多种用途，有助于推动煤炭清洁高效利用、提高煤炭资源的综合利用价值^[3-4]。新疆作为我国的煤炭能源基地，煤炭预测资源量为2.19万亿t，占全国总量的40%，居全国首位，其中难开采的煤炭资源占比超过50%^[5]，基于煤炭资源丰富及部分煤炭难以开采的现状，新疆开展UCG显得尤为重要。

UCG作为一个包含热−流−固−化等多场耦合的化学反应过程，其影响因素大致包括以下几类：煤层资源条件、环境影响、技术要求、经济效益、安全保障等^[6-8]。在此基础上，国内外学者对不同地区的UCG可行性和地质选区做了大量研究。英国商贸与工业部^[9]、A. Khadse^[10]、V. Sarhosis^[11]等从煤层资源条件、核心技术、国家政策、环境影响、经济效益和公众舆论等角度分别对英国、印度、欧盟UCG可行性进行了论证；M. Niec等^[12]则系统总结了适宜波兰进行UCG的地质条件；同时国内学者刘淑琴等^[13]从资源条件出发，系统性阐述了国内进行UCG时的选址决策依据；其他学者^[14-16]分别立足于贵州六盘水煤田、准噶尔盆地东部含煤地层和江苏省朱寨井田，论证了该地区UCG的可行性，并在此基础上运用多种数学评价模型将全区按UCG潜力划分为有利区、较有利区和一般区。由此可见，UCG可行性评价是UCG工程的前期工作，是决定气化炉选址、气化工程顺利实施和经济效益好的重要前提。

新疆吐哈煤田煤炭资源丰富，煤变质程度较低、煤层埋深跨度大、地质构造简单，具有极大的UCG前景，但对于该盆地的地下气化可行性评价和气化炉选址研究几乎处于空白，由于各地区的地质条件与勘探资料不一，不能直接套用已有的UCG资源评价体系对吐哈煤田进行地下气化可行性评价。鉴于此，在前人已有的研究成果基础上，重点从煤岩煤质特征、煤层赋存特征、含水层特征、围岩特征、地质构造特征、有害元素特征、地质勘查程度等方面对研究区进行地质评价，深入探究其UCG的可行性；选取煤种、煤层埋深和煤炭储量等23个影响气化的地质指标，通过层次分析法、变异系数法和乘法集成法计算其综合权重，从而建立艾丁湖一区UCG资源评价体系；在评价体系的基础上运用加权求和法以及逼近于理想值的排序方法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)评价法对研究区进行UCG地质选层，以期指导新疆吐哈煤田煤炭资源的合理开发利用，为新疆乃至全国其他地区UCG前期地质评价与地质选层工作提供研究思路和方法。

1   地质概况

研究区地处吐哈盆地二级构造单元艾丁湖斜坡带中，西部总体为一向东南倾斜的单斜构造，中东部总体为一复式向斜构造^[17]，面积97.47 km²(图1)。研究区可采煤层赋存于侏罗系中统西山窑组(J₂x)和侏罗系下统八道湾组(J₁b)(图2)。其中西山窑组下段含可采煤层5层，自上而下编为6、7-1、7-1下、7-2、7-3号煤层；八道湾组上段含可采煤层7层，自上而下编为8上、8下、9、10-2、10-3、10-4、11号煤层。

图  1  吐哈盆地构造图(据刘洪林等^[18]修改)

Figure  1.  Structural map of the Turpan-Hami Basin (modified after Liu Honglin et al, 2010^[18])

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图  2  艾丁湖一区煤系地层综合柱状图

Figure  2.  Composite column of coal measure strata in the Aidinghu mining area

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2   研究区UCG地质评价

煤层地质评价结果是UCG选层选址建炉的重要依据，准确选址能保证气化过程的连续性、大大提高UCG的经济效益，但目前对于吐哈煤田艾丁湖矿区UCG地质评价体系的研究较少。基于艾丁湖一区煤炭勘探资料，在总结前人提出的UCG影响因素的基础上，从煤岩煤质特征、煤层赋存特征、含水层特征、围岩特征、地质构造特征、有害元素特征、地质勘查程度等7个方面对研究区已有的钻探、物探等地质资料进行了全面梳理，提炼出了23个地质评价指标，通过对其进行合理的数据统计分析和科学的定量化转化处理，全面总结艾丁湖一区的煤层和地层特性，探究艾丁湖一区UCG可行性。

2.1   煤岩煤质特征

1)煤种

煤种是影响UCG产出气成分的重要因素，同时也影响着产出气的热值大小。刘淑琴^[13,19]等从点火容易程度、气化速率、气化效率角度认为适宜进行UCG的煤种为褐煤、瘦煤和气肥煤；周贺^[20]则在调研国内成功的UCG实验和总结前人研究成果后，认为适宜进行UCG的煤种按先后顺序分别为：褐煤、长焰煤、瘦煤、气煤、肥煤等。艾丁湖一区各煤层的镜质体最大反射率R_max<0.5%(图3)，煤种主要是褐煤和长焰煤，适宜进行UCG。

图  3  艾丁湖一区各煤层煤类占比和热演化成熟度

Figure  3.  Proportions and thermal maturity of different types of coals in various coal seams in the Aidinghu mining area

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强黏结性煤在地下气化过程中会分泌胶质物质使煤渣黏结成块，影响气化煤层的渗流通道和导热性，对UCG产生副作用，因此，适宜进行UCG的煤类应为不黏结性煤或弱黏结性煤^[14,21]。艾丁湖一区各煤层平均黏结指数均为0，属于不黏结煤，均适宜进行UCG。同时煤的反应性(通常用煤对二氧化碳还原率α表示)也会影响气化过程中初始温度、耗氧量、煤气组成及气化效率等生产指标。

2)煤质

煤的工业组分对UCG过程的影响较为复杂。当煤中水分含量较低时，可以作为UCG的反应物参与还原区的反应，促进煤炭气化反应的正向进行，但过高的水分含量在蒸发时会吸收一定的热量，进而抑制反应的进行；当煤中灰分较低时，其所含的金属元素对气化反应有一定的催化作用，但过高的灰分会减少气化剂与煤的接触面积，不利于反应进行；而挥发分决定了煤炭气化的产出物和热值，煤的挥发分产率越高，对UCG越有利^[22-24]。国内外学者对UCG煤中水分质量分数、灰分质量分数的上限界定范围分别为15%~20%、20%~30%^[16,25-26]。

艾丁湖一区各煤层均属于中水分、高挥发分煤，其中6号、7-1下、8上、10-4号煤层为特低灰分煤，其他煤层为低灰分煤(表1)。研究区各煤层的水分和灰分质量分数、挥发分产率的最大值均在UCG界定范围内，适宜进行UCG。

表  1  艾丁湖一区各煤层煤质特征与赋存特征数据汇总

Table  1.  Data summary of coal quality characteristics and occurrence characteristics of each coal seam in Aidinghu mining area

煤层	水分/%	灰分/%	挥发分%	硫分/%	煤厚/m	煤厚变异 系数/%	煤层埋深/m	煤层 倾角/(°)	倾角变异 系数/%	夹矸 层数	夹矸 系数/%
6号	$\dfrac{3.56 \sim 18.27}{10.96} $	$\dfrac{4.93 \sim 19.807}{8.77} $	$\dfrac{43.62 \sim 49.74}{46.32} $	$\dfrac{0.30 \sim 2.66}{0.84} $	$\dfrac{0.97 \sim 24.83}{17.79} $	41.22	$\dfrac{96.14 \sim 584.09}{286.39} $	$\dfrac{7 \sim 69}{15.61} $	69.48	$\dfrac{0 \sim 5}{1.67} $	4.00
7-1号	$\dfrac{5.84 \sim 18.82}{11.49} $	$\dfrac{6.65 \sim 21.48}{10.66} $	$\dfrac{39.86 \sim 47.98}{45.93} $	$\dfrac{0.35 \sim 4.20}{1.22} $	$\dfrac{2.18 \sim 14.72}{7.65} $	38.52	$\dfrac{73.06 \sim 609.15}{277.33} $	$\dfrac{8 \sim 70}{14.16} $	54.94	$\dfrac{0 \sim 7}{3.47} $	17.80
7-1下	$\dfrac{6.23 \sim 19.50}{10.51} $	$\dfrac{6.01 \sim 19.31}{9.39} $	$\dfrac{43.64 \sim 49.29}{45.78} $	$\dfrac{0.68 \sim 2.45}{1.14} $	$\dfrac{0.50 \sim 4.18}{1.76} $	48.83	$\dfrac{100.34 \sim 323.58}{224.91} $	$\dfrac{10 \sim 22}{13.48} $	18.83	$\dfrac{0 \sim 2}{0.53} $	9.40
7-2号	$\dfrac{5.35 \sim 17.88}{10.19} $	$\dfrac{6.87 \sim 26.91}{11.61} $	$\dfrac{44.03 \sim 49.22}{46.03} $	$\dfrac{0.49 \sim 2.65}{1.15} $	$\dfrac{0.28 \sim 2.43}{1.21} $	45.26	$\dfrac{94.60 \sim 566.27}{259.38} $	$\dfrac{8 \sim 21}{12.83} $	22.63	$\dfrac{0 \sim 1}{0.14} $	2.70
7-3号	$\dfrac{4.07 \sim 15.62}{10.67} $	$\dfrac{6.21 \sim 39.47}{11.42} $	$\dfrac{43.89 \sim 51.36}{46.14} $	$\dfrac{0.32 \sim 1.54}{0.87} $	$\dfrac{0.85 \sim 2.34}{1.29} $	26.50	$\dfrac{112.50 \sim 514.45}{315.34} $	$\dfrac{5 \sim 68}{13.69} $	71.52	$\dfrac{0 \sim 1}{0.02} $	0.74
8上	$\dfrac{4.56 \sim 16.03}{10.04} $	$\dfrac{5.63 \sim 17.92}{9.45} $	$\dfrac{43.68 \sim 48.76}{46.01} $	$\dfrac{0.15 \sim 3.33}{0.66} $	$\dfrac{0.87 \sim 4.88}{3.07} $	17.43	$\dfrac{307.60 \sim 852.09}{513.58} $	$\dfrac{6 \sim 54}{12.68} $	65.58	$\dfrac{0 \sim 2}{0.23} $	1.90
8下	$\dfrac{3.51 \sim 17.59}{10.37} $	$\dfrac{5.84 \sim 30.27}{10.83} $	$\dfrac{43.34 \sim 51.80}{46.50} $	$\dfrac{0.17 \sim 3.58}{0.65} $	$\dfrac{1.30 \sim 9.76}{6.10} $	44.10	$\dfrac{121.61 \sim 881.28}{419.82} $	$\dfrac{6 \sim 47}{12.83} $	42.93	$\dfrac{0 \sim 2}{0.45} $	2.20
9号	$\dfrac{4.99 \sim 13.44}{9.15} $	$\dfrac{6.03 \sim 28.57}{13.62} $	$\dfrac{45.20 \sim 51.52}{48.10} $	$\dfrac{0.22 \sim 1.62}{0.65} $	$\dfrac{0.82 \sim 1.89}{1.29} $	23.51	$\dfrac{142.03 \sim 801.9}{405.17} $	$\dfrac{6 \sim 45}{13.10} $	53.27	$\dfrac{0 \sim 1}{0.13} $	4.20
10-2号	$\dfrac{3.93 \sim 15.13}{8.78} $	$\dfrac{5.15 \sim 27.58}{10.98} $	$\dfrac{44.42 \sim 51.53}{48.24} $	$\dfrac{0.15 \sim 1.27}{0.48} $	$\dfrac{0.60 \sim 1.68}{1.02} $	98.41	$\dfrac{226.45 \sim 839.00}{490.19} $	$\dfrac{5 \sim 19}{11.24} $	31.06	$\dfrac{0 \sim 2}{0.06} $	2.20
10-3号	$\dfrac{3.53 \sim 13.35}{8.57} $	$\dfrac{6.09 \sim 29.90}{11.35} $	$\dfrac{44.83 \sim 52.42}{48.38} $	$\dfrac{0.14 \sim 1.42}{0.47} $	$\dfrac{0.72 \sim 4.21}{1.53} $	44.01	$\dfrac{237.07 \sim 878.98}{491.43} $	$\dfrac{5 \sim 39}{11.68} $	45.58	$\dfrac{0 \sim 4}{0.63} $	31.70
10-4号	$\dfrac{2.64 \sim 16.59}{8.77} $	$\dfrac{4.69 \sim 20.63}{9.30} $	$\dfrac{41.51 \sim 53.47}{47.74} $	$\dfrac{0.15 \sim 1.82}{0.55} $	$\dfrac{2.54 \sim 28.91}{10.87} $	25.78	$\dfrac{173.25 \sim 1031.73}{532.28} $	$\dfrac{5 \sim 25}{11.58} $	31.49	$\dfrac{0 \sim 8}{0.53} $	4.10
11号	$\dfrac{5.96 \sim 14.58}{8.64} $	$\dfrac{6.11 \sim 21.09}{10.23} $	$\dfrac{46.28 \sim 53.14}{48.84} $	$\dfrac{0.21 \sim 2.59}{0.57} $	$\dfrac{0.92 \sim 3.28}{1.48} $	38.76	$\dfrac{227.17 \sim 904.54}{506.88} $	$\dfrac{5 \sim 21}{12.43} $	27.64	$\dfrac{0 \sim 1}{0.15} $	3.40
注：$ \dfrac{最小值 \sim 最大值}{平均值} $，其他同。

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3)硫分

煤中的硫元素在气化过程中会经还原反应生成硫化氢，不仅会对地下气化设备造成腐蚀，也会对环境造成极大污染。由于目前脱硫技术相对较成熟，各国对煤中硫的质量分数阈值要求也不尽相同，总体而言，适宜进行UCG的煤中硫含量上限界定范围为2%~4%^[25-26]。艾丁湖一区各煤层中全硫质量分数除7-1号煤层最大值>4%，其余煤层最大值均在界定范围之内(表1)，适宜进行UCG。

2.2   煤层赋存特征

1)煤层厚度

不同的UCG工艺产出气热值与煤层厚度的关系不尽相同。刘淑琴等^[13]认为适宜气化的煤层厚度应在4 m以上；周贺^[20]在统计多种UCG工艺产出气热值与煤层厚度关系后，认为4.5 m左右的煤层最适于UCG，当煤层厚度增大时，产出气热值反而降低；D. U. Vyas等^[26]认为适宜褐煤和亚烟煤的气化厚度应为2.0~15 m。艾丁湖一区各煤层可采厚度为0.28~28.91 m，各层平均煤厚为1.02~17.79 m，表明该区煤层可采厚度变化范围较大。煤层厚度的变化会影响气化过程的稳定性，为了更加直观体现艾丁湖一区各煤层厚度的稳定性，引入煤厚变异系数η来评价煤厚的变化程度，该值越小，说明煤层厚度变化越小，对UCG越有利。煤厚变异系数η的计算公式如下：

研究区煤厚变异系数为17.43%~98.41%，大多数煤层$\eta $≤40%，表明该区煤厚变化较小(表1)，适宜进行UCG。

2)煤层埋深

当气化炉所处煤层埋深较深时，气化炉的密闭性较好，气化过程产生的热量不易向外扩散，但同时也会大幅增加气化炉的施工难度和维修成本；反之气化炉容易通过地层裂隙沟通地表，造成气化产物的泄漏^[27-28]。目前如英国、德国、法国、比利时、美国等欧美国家UCG实验埋深主要集中在500~1000 m^[29-30]，而国内学者对该深度的界定范围则扩大到了100~2 000 m^{[16,27-28,31]}。

艾丁湖一区煤层埋深最深为1031.73 m(10-4号)，最浅为73.06 m(7-1号)，各煤层的平均埋深在224.91~532.28 m(表1)，属于中、浅埋深煤层，绝大多数煤层均适宜进行UCG。

3)煤层倾角

煤层倾角适中，不仅有利于UCG产出气热值的稳定，还可以预防气化过后的污染物随地下水向四周扩散造成的环境污染。适用于不同气化工艺的最佳煤层倾角不同，空气气化工艺最佳倾角为35°，富氧水蒸气气化工艺最佳倾角为53°^[20]；国外将0°~70°、倾角变化小于2°作为UCG的理想地质特征^[26,32]；秦勇等^[31]则认为倾角在25°~60°更有利于UCG工作面的控制；Xin Lin等^[33]在成功完成倾角65°~70°极倾斜煤层地下气化实验后认为煤层越陡、地下气化效果越好。同时，煤层倾角的变化也直接影响到气化炉的建造位置及走向，也是UCG工程地质评价时需着重考虑因素。采用煤层倾角和倾角变异系数来表征煤层构造复杂程度。其中倾角变异系数Φ的计算公式如下：

艾丁湖一区各煤层倾角属于缓倾斜煤层；倾角变异系数为18.83%~71.52%，表明该区煤层倾角变化较缓，适宜UCG(表1)。

4)夹矸

煤层中的夹矸不仅会降低煤炭气化的热效率，也会影响煤炭气化过程的连续性。因此在煤层厚度不变的情况下，夹矸层数越少，夹矸厚度越薄，对煤炭气化越有利^[34-35]。刘淑琴等^[36]认为UCG时单层夹矸层的厚度不能超过0.2 m，夹矸系数(夹矸总厚度与煤层厚度之比)不应超过25%；D. U. Vyas等^[26]认为对于2~15 m的气化煤层，不能出现厚度超过1 m的单层夹矸，总夹矸率应低于20%。艾丁湖一区各煤层的夹矸层数最小值均为0，这说明各煤层均存在简单结构的区域；而夹矸层数最大值变化范围则较大，但平均为0.02~3.47；绝大多数煤层夹矸系数低于20%，表明该区煤层适宜进行UCG(表1)。

5)煤炭储量

充足的煤炭储量是煤炭气化取得良好经济效益的前提。Yang Dongmin等^[32]认为可进行煤炭气化项目的煤炭资源量应超过350万t、生产年限超过20 a；B. Bielowicz等^[25]认为满足一个煤炭气化工程的煤炭储量应该大于500万t。艾丁湖一区各煤层煤炭储量完全满足UCG工程的需求(表2)。

表  2  艾丁湖一区各煤层煤炭储量

Table  2.  Coal reserves in various coal seams in the Aidinghu mining area

煤层编号	煤炭储量/万t		煤层编号	煤炭储量/万t
6	153 744		8下	54 207
7-1	60 628		9	9 389
7-1下	2 563		10-2	2 248
7-2	3 862		10-3	8 487
7-3	3 754		10-4	132 531
8上	24 922		11	9 058

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2.3   含水层距离与围岩特征

1)含水层距离

气化煤层与其顶底板含水层之间保持适宜距离可以防止地下水涌入气化炉造成煤炭气化的中断，也可以在一定程度上阻碍气化后的灰渣中富含的无机盐、有机物和重金属等污染物通过导水裂隙带污染下游含水层，还可以减少因气化煤层与含水层距离过近导致加热地下水而损失的热量^[31,36-37]。D. U. Vyas等^[26]认为气化煤层距上覆含水层的最近距离应大于31 m，Yang Dongmin等^[32]则认为该距离应扩大到100 m以上；李文军等^[38]通过数值模拟研究发现煤炭气化产生的热量传递最远距离在35 m左右；而赵明东等^[39]认为气化工作面对其顶板的直线影响距离为20 m。艾丁湖一区只有部分煤层距顶底板含水层距离满足30 m这一安全距离要求，因此在后续的UCG地质选层过程中，需重点关注这一地质特征(表3)。

表  3  艾丁湖一区各煤层距顶底板含水层距离及岩性指数

Table  3.  Lithology indices and distances to aquifers on roofs and floors for various coal seams in the Aidinghu mining area

煤层	距顶板 含水层/m	距底板 含水层/m	顶板岩性 指数	底板岩性 指数
6号	33.43	6.09	2.70	3.11
7-1号	14.05	8.99	3.23	3.02
7-1下	17.08	8.83	3.12	2.71
7-2号	2.46	1.08	2.87	2.87
7-3号	10.82	25.79	2.74	2.85
8上	51.47	6.20	2.74	2.89
8下	30.49	5.75	2.46	2.67
9号	3.36	9.67	2.52	2.95
10-2号	10.59	2.47	2.97	3.23
10-3号	19.38	5.48	3.24	3.21
10-4号	19.12	18.82	3.06	3.09
11号	17.68	15.56	3.10	3.05

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2)围岩特征

气化煤层的围岩是影响气化炉密闭性和地表沉降的关键因素，而围岩的封闭效果和承载效果取决于围岩的渗透性和强度。刘淑琴等^[13]认为气化区的煤层与其围岩的气测渗透率之比应大于10；赵岳等^[16]认为以泥岩为气化煤层的顶底板岩层最有利于UCG，砂质泥岩和粉砂岩次之。艾丁湖一区各煤层顶底板岩性以泥岩、粉砂岩、细砂岩为主(图4)，为了更直观对比各煤层顶底板岩性对UCG的影响程度，根据渗透性的不同将艾丁湖一区煤层顶底板岩性分为四大类并赋值：泥岩(赋值4)，粉砂岩(赋值3)，细砂岩和中砂岩(赋值2)、粗砂岩和砂砾岩(赋值1)。利用数学公式对艾丁湖一区各煤层顶底板岩性进行了定量化转化，在下式中，ρ为定量转化后的岩性指数，该值越大，越有利UCG。

图  4  艾丁湖一区各煤层顶底板岩性占比

Figure  4.  Proportions of lithologies on roofs and floors of various coal seams in the Aidinghu mining ara

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艾丁湖一区各煤层顶板与底板岩性指数相差不大，表明该区顶底板岩性组成相似，适宜进行UCG(表3)。

2.4   地质构造特征与地质勘查程度

1)地质构造特征

影响UCG的地质构造类型包括断层、褶皱、陷落柱以及岩浆侵入^[16,40]等。研究区内褶皱不发育，也无陷落柱和岩浆侵入，因此以断层发育程度(断层特征)代替地质构造特征。

在UCG过程中断层会破坏煤层连续性或连通含水层导致气化过程中断，同时还可能会导致气化产物泄漏从而降低煤炭气化效益，因此在进行气化炉的地质选层时，应当尽量避开断层发育的区域。刘淑琴等^[13,41]认为气化炉所处煤层不应存在断距大于一半平均煤厚的断层，同时气化炉与断层的安全距离在50~250 m。

艾丁湖一区存在3条逆断层，其断距、倾角与延展长度不同，切割的煤层也各有差别，为了更直观对比断层大小对UCG的影响，便于地质选层的展开，将断层这一定性地质因素进行定量化转化。具体转化过程如下：(1) 将断距≥10 m的断层、断距<10 m的断层以及隐伏式小型断层分别赋值3分、2分和1分，赋值越大，对UCG越不利；(2) 从地质勘探报告中统计各类断层切割的煤层数量；(3) 某一煤层的各类断层数量与上述赋值(3、2、1)乘积的总和即为该煤层的断层综合指数，断层综合指数越小，对UCG越有利。艾丁湖一区各煤层的断层数量少、断层综合指数小，适宜进行UCG(表4)。

表  4  艾丁湖一区各煤层断层数量和断层综合指数

Table  4.  Number and comprehensive indices of faults in various coal seams in the Aidinghu mining area

煤层	断距≥10 m条数	断距<10 m条数	隐伏小断层条数	综合指数		煤层	断距≥10 m条数	断距<10 m条数	隐伏小断层条数	综合指数
6号	1	0	0	3		8下	1	1	1	6
7-1号	1	0	0	3		9号	1	1	1	6
7-1下	1	0	0	3		10-2号	1	1	1	6
7-2号	1	0	0	3		10-3号	1	1	1	6
7-3号	1	0	0	3		10-4号	1	1	1	6
8上	1	1	1	6		11号	1	1	1	6

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2)地质勘查程度

勘查程度越高，可参考的地质数据越多，评价结果更具合理性与科学性。目前我国将地质勘查程度分为预查、普查、详查和勘探4个级别，勘探属于最高级别。对4个级别的勘查程度分别赋值1~4分，为类似地质条件地下气化区域选层提供依据。

2.5   有害元素特征

在UCG结束后，地下水会流入燃空区浸出煤灰并带到煤层深部，煤灰中的有害元素，会造成地下水的无机污染，并可能会影响到当地的生活用水和农业用水^[24,36]。在水动力作用下，地下水的污染问题无法避免，需要在气化炉选址时尽量避免有害元素含量较高的煤层。艾丁湖一区煤层中的有害元素种类主要为氟、砷、氯、磷；其含量分别为54.04~73.96 μg/g、1.77~12.19 μg/g、0.024%~0.056%、0.008 1%~0.032%(图5)。煤中有害元素含量总体较低，适宜UCG。

图  5  艾丁湖一区各煤层有害元素含量

Figure  5.  Contents of hazardous elements in various coal seams in the Aidinghu mining area

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3   多层次评价体系建立

建立系统、客观的UCG资源评价体系是对研究区进行UCG地质选层的基础。影响UCG的地质因素种类繁多，而不同的地质因素对UCG的影响程度不一，因此在进行评价体系构建之前，应合理地确定各评价指标的权重。笔者将煤岩煤质特征、煤层赋存特征、含水层特征、围岩特征、地质构造特征、有害元素特征、地质勘查程度等作为一级指标层，所包含的煤种、煤层埋深和煤炭储量等23个评价指标作为二级指标层，在遵循评价主观性和数据客观性的两大原则基础上，分别利用层次分析法(AHP)、变异系数法和乘法集成法计算出评价指标的主观权重、客观权重以及综合权重，构建研究区地质评价体系。

需要说明的是，由于各煤层平均黏结指数相等且均为0，对评价结果不产生贡献，本次不列入二级指标。国内对于适宜进行UCG的α值和所对应的温度值均存在不同意见，且相关研究较少，为了避免争议，本次也不列入二级指标。

3.1   主观权重计算

层次分析法是目前使用范围最广的一种确定主观权重的方法，它是由专家对模型中各层次指标的重要性给予标度，最后通过矩阵运算得到各层次指标的权重^[42]。利用该方法计算指标主观权重主要步骤如下：(1)参考前人对UCG研究中的指标重要程度，结合艾丁湖一区实际情况，对每一层指标进行两两对比，采用1~9标度法进行量化(表5)，构建判断矩阵(表6)；(2)计算判断矩阵的特征向量和最大特征值，将特征向量进行归一化处理得到各级指标的层内主观权重，最大特征值用于一致性检验(表7)；(3) 将二级指标的层内相对权重乘以其对应一级指标的层内相对权重，得到各二级指标对于评价模型的最终主观权重(表8)。

表  5  1~9标度法

Table  5.  Scale method 1‒9

标度	含义(2个指标相比−横向指标/纵向指标)
1	具有相同重要性
3	前者比后者稍重要
5	前者比后者明显重要
7	前者比后者强烈重要
9	前者比后者极端重要
2、4、6、8	上述相邻判断的中间值
倒数	上述判断重要性的倒数

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3.2   客观权重计算

变异系数法是确定客观权重的常用方法之一，它能根据各评价指标当前值与目标值的变异程度来对各指标进行赋权，客观性强且容易操作。利用变异系数法计算各二级指标客观权重的步骤如下：

(1)计算第$ i $项二级指标原始数据的均值与方差。选取的二级指标中，既有定量指标也有定性指标；定量指标包括水分含量、灰分产率、煤层厚度、埋深、含水层距离、有害元素含量等15个地质因素，其原始数据可以直接统计得到；定性指标包括煤种、夹矸系数、煤厚变异系数、倾角变异系数、顶底板岩性指数、断层综合指数、勘查程度等8个地质因素，其中煤种数据用R_max代替，其他7个地质因素已在前文中进行了定量化转化。

表  6  艾丁湖一区UCG一级评价指标判别矩阵和特征向量

Table  6.  Discriminant matrix and characteristic vectors of first-level evaluation indices of UCG in the Aidinghu mining area

一级指标	煤层赋存特征	煤岩煤质特征	含水层距离	地质构造特征	有害元素特征	围岩特征	勘查程度	特征向量
煤层赋存特征	1	2	3	3	3	3	3	2.420
煤岩煤质特征	1/2	1	2	2	3	3	3	1.768
含水层距离	1/3	1/2	1	2	2	2	3	1.219
地质构造特征	1/3	1/2	1/2	1	2	2	3	1.000
有害元素特征	1/3	1/3	1/2	1/2	1	2	2	0.731
围岩特征	1/3	1/3	1/2	1/2	1/2	1	2	0.599
勘查程度	1/3	1/3	1/3	1/3	1/2	1/2	1	0.438

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表  7  一级指标主观权重一致性检验结果

Table  7.  Consistency test results of subjective weights of first-level evaluation indices

最大特征根	CI值	RI值	CR值	一致性检验结果
7.279	0.049	1.341	0.037	通过

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(2)计算第$ i $项二级指标的变异系数：

(3)计算第$ i $项二级指标的客观权重：

计算得到的各二级指标客观权重见表9。

表  8  艾丁湖一区UCG一二级评价指标主观权重

Table  8.  Subjective weights of first- and second-level evaluation indices of UCG in the Aidinghu mining area

一级指标层 (权重)	二级指标层	层内权重	主观权重
煤岩煤质特征 (0.216 3)	煤种	0.324 2	0.070 1
	水分质量分数/%	0.106 9	0.023 1
	灰分质量分数/%	0.141 1	0.030 5
	挥发分产率/%	0.213 9	0.046 3
	硫分质量分数/%	0.213 9	0.046 3
煤层赋存特征 (0.296 0)	煤层厚度/m	0.257 8	0.076 3
	煤层埋深/m	0.186 5	0.055 2
	煤层倾角/(°)	0.149 1	0.044 1
	夹矸系数/%	0.064 0	0.018 9
	夹矸层数	0.080 0	0.023 7
	煤厚变异系数/%	0.094 0	0.027 8
	倾角变异系数/%	0.049 4	0.014 5
	煤层储量/万t	0.119 2	0.035 3
含水层特征 (0.149 1)	距顶板含水层距离/m	0.516 2	0.077 0
	距底板含水层距离/m	0.483 8	0.072 1
围岩特征 (0.073 3)	顶板岩性	0.516 2	0.037 8
	底板岩性	0.483 8	0.035 5
有害元素特征 (0.089 4)	氟/(μg.g−1)	0.250 0	0.022 4
	砷/(μg.g−1)	0.250 0	0.022 4
	氯质量分数/%	0.250 0	0.022 4
	磷质量分数/%	0.250 0	0.022 4
地质构造特征(0.122 3)	断层综合指数	1.000 0	0.122 3
勘查程度 (0.053 6)	地质勘查程度	1.000 0	0.053 6

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表  9  艾丁湖一区UCG二级评价指标客观权重及综合权重

Table  9.  Objective and comprehensive weights of second-level evaluation indices of UCG in the Aidinghu mining area

二级指标	客观 权重	综合 权重		二级指标	客观 权重	综合 权重
煤种	0.0131	0.0216		倾角变异系数/%	0.0371	0.0128
水分质量 分数/%	0.0092	0.0050		煤层储量/万t	0.1219	0.1011
灰分质量 分数/%	0.0112	0.0080		距顶板含水层 距离/m	0.0769	0.1391
挥发分产率%	0.0022	0.0025		距底板含水层 距离/m	0.0697	0.1182
硫分质量 分数%	0.0327	0.0356		顶板岩性	0.0081	0.0072
煤层厚度/m	0.1020	0.1829		底板岩性	0.0054	0.0045
煤层埋深/m	0.0260	0.0337		氟/(μg.g−1)	0.0066	0.0034
煤层倾角/(°)	0.0084	0.0087		砷/(μg.g−1)	0.0711	0.0373
夹矸系数/%	0.1153	0.0513		氯质量分数/%	0.0254	0.0133
夹矸层数	0.1327	0.0739		磷质量分数/%	0.0507	0.0267
煤厚变异 系数/%	0.0452	0.0295		断层综合指数	0.0291	0.0837
				地质勘查程度	0	0

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3.3   综合权重计算

主观赋权是决策者根据实际问题的需要和以往经验确定各指标的重要程度，不会出现指标权重计算结果与其实际重要程度相悖的情况，但缺点在于主观性过强，容易忽视数据本身提供的信息；客观赋权是通过指标数据差异反映权重的变动，其缺点在于可能计算得到的权重与实际情况相悖。而乘法集成法综合了主观赋权和客观赋权的优缺点，计算得到的各二级指标综合权重更加科学合理。其计算方法如下：

计算得到的各二级指标主客观综合权重见表9。

3.4   UCG资源评价体系建立

参考周贺^[40]总结国内外学者研究成果建立的UCG地质选区选址评价指标体系基础上，对选取的23个评价指标进行了4类分级，构建了艾丁湖一区UCG地质选层资源评价体系(表10)。其中，二级指标的等级划分与区间取值主要以目前UCG技术理论为基础，与国内外已有的UCG实验成果和文献中的分级标准相对应，部分文献中未提及的指标则根据国家相关标准或行业标准并结合本研究区的实际地质特征和煤层特点加以确定。

表  10  艾丁湖一区UCG地质选层资源评价体系

Table  10.  Resource evaluation system for selecting geological layers for UCG in the Aidinghu mining area

一级指标层	二级指标层	综合权重	分类评价级别
			优	良		中	差
煤层赋存特征	煤层厚度/m	0.1829	>1~2	>2~5		>5~15	>15，≤1
	煤层储量/万t	0.1011	>100000	>50000~100000		>10000~50000	≤10000
	夹矸层数	0.0739	0~1	>1~3		>3~4	>4
	夹矸系数/%	0.0513	≤20	>20~30		>30~60	>60
	煤层埋深/m	0.0337	>500~1000	>100~500		>1000~2000	≤100，>2000
	煤厚变异系数/%	0.0295	≤70	>70~80		>80~90	>90
	倾角变异系数/%	0.0128	≤20	>20~40		>40~60	>60
	煤层倾角/(°)	0.0087	>35~53	>53~70		>12~35	≤12，>70
煤岩煤质特征	硫分/%	0.0356	0~1	>1~2		>2~3	>3
	煤种	0.0216	褐煤，长焰煤	瘦煤，气煤		肥煤，贫煤	无烟煤，焦煤
	灰分质量分数/%	0.0080	≤10	>10~20		>20~30	>30
	水分质量分数/%	0.0050	≤15	>15~35		>35~55	>55
	挥发分产率/%	0.0024	>37	>37~20		>20~10	<10
含水层距离	距顶板含水层距离/m	0.1391	>100	>50~100		>30~50	≤30
	距底板含水层距离/m	0.1182	>50	>35~50		>15~35	≤15
地质构造特征	断层综合指数	0.0837	≤1	>1~3		>3~6	>6
有害元素特征	砷/(μg.g−1)	0.0373	≤4	>4~25		>25~50	>50
	磷质量分数/%	0.0266	≤0.01	>0.01~0.05		>0.05~0.1	>0.10
	氯质量分数/%	0.0133	≤0.05	>0.05~0.15		>0.15~0.30	>0.30
	氟/(μg.g−1)	0.0034	≤100	>100~200		>200~300	>300
围岩特征	顶板岩性	0.0072	泥岩	粉砂岩		细砂岩，中砂岩	粗砂岩，砂砾岩
	底板岩性	0.0045	泥岩	粉砂岩		细砂岩，中砂岩	粗砂岩，砂砾岩
勘查程度	地质勘查程度	0	勘查	详查		普查	预查

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表10同样适用于其他地区UCG前期的资源评价与地质选层工作，但由于不同的煤层与地质特征，需在此基础会上删减或增加一些评价指标；在确定客观权重和主观权重时，需根据评价指标的实际值重新进行计算，同时一些二级指标的分级值需根据研究区实际情况重新拟定。

4   研究区UCG地质选层

UCG工程的首要任务是确定气化炉址，而气化炉又应该布置在有利煤层中，因此对艾丁湖一区进行有利煤层优选是后续在该区开展UCG的前期工作^[20]。选取加权求和法和优劣解法(TOPSIS法)分别对艾丁湖一区的可采煤层进行综合评价，最终优选出适宜研究区UCG的最有利煤层。

4.1   加权求和法

基于构建的资源评价体系，将艾丁湖一区各煤层在23个二级指标的得分(指标评价级别为优、良、中、差，分别得分4、3、2、1；其中顶底板岩性、断层综合指数和地质勘查程度使用2.3和2.4节中定量化转化得到的数据)和其对应的二级指标综合权重进行加权求和(下式)，可得到研究区各煤层的总得分，并进行排序，最终优选出艾丁湖一区UCG的有利煤层，见表11。

表  11  艾丁湖一区加权求和法各煤层得分及排序

Table  11.  Weighted sum method-derived scores and their sorting for various coal seams in the Aidinghu mining area

煤层	一级指标得分							综合得分	排序
	煤层赋存特征	煤岩煤质特征	含水层距离	地质构造特征	有害元素特征	围岩特征	勘察程度
6号	1.1751	0.2904	0.3964	0.2510	0.3230	0.0336	0	2.4695	10
7-1	1.1958	0.2468	0.2573	0.2510	0.2856	0.0370	0	2.2735	12
7-1下	1.5328	0.2549	0.2573	0.2510	0.2856	0.0348	0	2.6164	5
7-2号	1.5200	0.2468	0.2573	0.2510	0.2856	0.0338	0	2.5945	7
7-3号	1.4945	0.2824	0.3755	0.2510	0.2856	0.0327	0	2.7217	3
8上	1.4464	0.2904	0.5355	0.1674	0.3230	0.0329	0	2.7955	1
8下	1.3436	0.2824	0.3964	0.1674	0.2856	0.0299	0	2.5052	9
9号	1.5073	0.2824	0.2573	0.1674	0.2963	0.0316	0	2.5422	8
10-2号	1.5999	0.2824	0.2573	0.1674	0.2963	0.0361	0	2.6393	4
10-3号	1.3960	0.2824	0.2573	0.1674	0.3230	0.0379	0	2.4639	11
10-4号	1.4825	0.2549	0.3755	0.1674	0.2830	0.0361	0	2.5992	6
11号	1.5538	0.2824	0.3755	0.1674	0.3230	0.0362	0	2.7382	2

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4.2   TOPSIS法

TOPSIS法是一种常用的组内综合评价方法，能充分利用原始数据信息精确地反映出各评价对象之间的优劣。基本原理为基于归一化后的原始数据矩阵，采用余弦法找出有限方案中的最优解和最劣解，然后通过计算各评价对象与最优解、最劣解的距离来进行排序，若某评价对象最靠近最优解同时又最远离最劣解，则为最好。该方法对数据分布及样本含量没有严格限制，计算过程简单易行，适宜于UCG地质选层初始阶段。

步骤1：构造二级指标初始数值矩阵

设所有评价煤层为集合U={u₁,u₂,···,u₁₂}，这时集合U中每个评价煤层u_i($ i $=1,2,···,12)的23个二级指标构成的向量为

步骤2：构造二级指标标准化矩阵

设初始矩阵A=(a_ij)_12×23，标准化矩阵H=(h_ij)_12×23，

其中：

步骤3：构造二级指标加权规范矩阵

设利用乘法集成法计算的综合权重向量为M=[m₁,m₂,···,m₂₃]，加权规范矩阵K=(k_ij)_12×23，则

步骤4：确定最优解和最劣解

最优解k⁺和最劣解k⁻分别由K矩阵中每列的最大值和最小值构成：

步骤5：计算各目标值与理想值的欧氏距离

各评价煤层u_i到最优解和最劣解的距离分别为：

步骤6：计算各评价煤层的综合评价指数

计算各评价煤层与最优方案的接近程度R_i：

R_i值越大，表示该煤层u_i愈佳。

利用TOPSIS法计算得到的艾丁湖一区各煤层到最优解和最劣解的欧氏距离${V}_{i}^+ $、${V}_{i}^- $以及综合评价指数R_i，最终排序见表12。

表  12  艾丁湖一区TOPSIS法地质选层数据汇总

Table  12.  Data summary of TOPSIS method-derived geological layer selection in the Aidinghu mining area

煤层	最优解距离${V}_{i}^+ $	最劣解距离${V}_{i}^- $	综合评价指数Ri	最终排序
6号	0.61681138	0.64307422	0.51042271	8
7-1号	0.64522675	0.50634477	0.43969893	12
7-1下	0.57989744	0.66280586	0.53335809	4
7-2号	0.71348485	0.64339617	0.47417287	11
7-3号	0.58486588	0.74888948	0.56148939	3
8上	0.54879925	0.72359780	0.56868868	1
8下	0.55544832	0.59358104	0.51659345	7
9号	0.65426838	0.63739744	0.49346931	10
10-2号	0.63838906	0.69216380	0.52020767	6
10-3号	0.63270955	0.63524441	0.50099959	9
10-4号	0.55740965	0.62809071	0.52981064	5
11号	0.54226776	0.70358994	0.56474342	2

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4.3   结果分析

加权求和法和TOPSIS法对艾丁湖一区UCG优选的有利煤层前3位完全一致，均为8上>11号>7-3号煤层；其余可采煤层也基本相差不大，这进一步说明了本次地质选层结果的可靠性。因此适合艾丁湖一区进行UCG的煤层为8上、11号和7-3号煤层，其中8上煤层是最有利煤层。

在煤岩煤质特征和煤层赋存特征方面，8上煤层主要以长焰煤为主，水分平均质量分数(10.04%)、灰分平均质量分数(9.45%)、硫分平均质量分数(0.66%)相对较低，挥发分产率(46.01%)中等；煤厚均值(3.07 m)中等，属稳定中厚煤层；平均夹矸层数(0.23)和夹矸系数(1.90%)均相对较小，煤层结构简单；煤层倾角(12.68°)和倾角变异系数(65.58%)中等，煤层构造相对简单；煤层平均埋深513.58 m，煤炭储量24922万t，较其他煤层更加适宜进行UCG。

在含水层距离和围岩特征方面，8上煤层在所有参与评价的煤层中，距顶板含水层平均51.47 m，距底板含水层也比较适中；同时其顶底板均以泥岩、粉砂岩和细砂岩为主，符合UCG要求。

在其他方面，切割8上煤层的较大断层、中等断层，隐伏式小型断层各有1条，综合断层指数中等，断层复杂程度属于较简单；同时煤层中有害元素(氟、砷、氯、磷)含量也相对较低，均在评价规范允许范围内。总的来看，相较于其他煤层，8上煤层的总体资源条件较好，是艾丁湖一区适宜进行UCG的最有利煤层。

5   结 论

(1)建立了吐哈煤田艾丁湖一区UCG地质选层资源评价体系。分别利用改进的层次分析法(AHP)、变异系数法和乘法集成法计算了煤种、煤层埋深和煤炭储量等23个参与研究区UCG地质评价指标的主观权重、客观权重和综合权重，确定了其对UCG的影响程度，并结合艾丁湖一区实际地质特征对地质评价指标进行了优、良、中、差分级以及特征值的选取。

(2)通过加权求和法与TOPSIS法对艾丁湖一区进行了UCG的地质选层，两种方法选层结果的前三位完全相同，皆为8上号煤>11号煤>7-3号煤，确定研究区8上号煤层是进行UCG的最优目标煤层。

(3)该评价体系对新疆其他地区UCG地质评价与地质选层提供思路。未来将在此次地质选层结果的基础上，分区块进一步精细化优选出艾丁湖一区UCG的有利区以及气化炉址，并结合UCG实际工程的反馈不断完善地质评价体系，为新疆UCG可行性理论与实践的进一步发展奠定基础。

符号注释：

$ {a}_{ij} $为指各煤层23个二级评价指标的原始统计值或定量化转化值；a_1,1···a_1,23为指评价煤层1包含的23个二级指标初始值；a_12,1···a_12,23为指评价煤层12包含的23个二级指标初始值；A为由所有评价煤层包含的二级指标初始值所构成的矩阵集合；$ {b}_{i} $为第$ i $项二级指标的客观权重；$ {D}_{i} $为$ i $第项二级指标的变异系数；$ {E}_{i} $为某煤层顶底板第$ i $类岩石所赋予的分值；$ {f}_{i} $为第$ i $项二级指标的主观权重；h为第i个评价煤层中第j个二级指标初始值(a_ij)经标准化转化后的数值；k_ij为第i个评价煤层中第j个标准值(h_ij)经加权规范转化后的加权数值；$ {m}_{j} $为综合权重向量M中的各个元素；$ \bar {M} $为平均煤层厚度，m；$ {M}_{i} $为每个见煤点的实测厚度，m；n为参与计算的见煤点个数；N为某煤层顶底板的岩性组成种类；$ {P}_{i} $为艾丁湖一区各煤层在23个二级指标的评级得分；$ {Q}_{i} $为某煤层顶底板第$ i $类岩石所占的比例，%；R_i为第$ i $个评价煤层的综合评价指数；S为煤层厚度标准差，m；$ {S}_{\theta } $为煤层倾角的标准差，(°)；$ {S}_{i}^{2} $为第$ i $项二级指标的方差；$ {S}_{i} $为第$ i $项二级指标的标准差；$ {V}_{i}^{+} $和$ {V}_{i}^{-} $分别为第$ i $个评价煤层到最优解和最劣解的欧氏距离；$ {W}_{i} $为第$ i $项二级指标的综合权重；$ \bar {X}_i $为第$ i $项二级指标的平均值；SUM_1-12为艾丁湖一区各煤层综合得分；η为煤厚变异系数，%；Φ为煤层倾角变异系数，%；$ \bar {\theta } $为煤层的平均倾角，(°)；$ {\theta }_{i} $为见煤点i的煤层倾角，(°)。