我国深部煤炭资源的清洁高效利用对 缓解能源短缺、促进绿色能源转型具有十分 重要的意义。据统计，我国陆上埋深 1000- 3000 米的煤炭资源量达 3.77 万亿吨。然而， 随着埋深的增加，传统矿井开采技术面临着 一系列技术、安全和经济效益问题。煤炭地 下气化技术对解决以上问题具有很好的适用 性，近年来得到越来越多的关注。本文将对 该技术进行简要介绍，分析深部煤炭资源清 洁高效利用的机遇与挑战。
(一)煤炭地下气化技术概要及优势
煤炭地下气化技术采用输入管线将气化 剂(氧气 / 空气 / 富氧空气与水 / 水蒸气) 注入地下原位煤层，通过调整注入速度、气 化剂配比以及气化腔温度和压力，实现有控 制的燃烧和气化， 将煤炭转化为可燃气体(一 氧化碳、氢气、甲烷等)。示意图见图 1。
图 1 煤炭地下气化示意图
该技术是一种化学采煤技术，减少了将 深部原煤开采到地面的工艺环节，不仅可以 节省大量开采成本，还规避了相应的安全风 险。此外，以一氧化碳、氢气、甲烷为主的 清洁能源有助于实现能源转型，灰渣遗留在 地下可达到环境保护的效果。
(二)煤炭地下气化过程的关键问题
煤炭地下气化的空间可以划分为气化 腔、顶板岩层、底板岩层、煤层原煤、注入 井筒和生产井筒等 6 个子空间(图 2) 。目 前来讲，气化腔和顶板岩层中的问题最为复 杂和重要。
图 2 煤炭地下气化的关键问题
(1)气化腔中的关键问题
气化腔中的首要问题是化学反应问题， 对理清粗煤气组成和产量变化规律至关重 要。如图 3 所示，气化腔边壁、空腔以及底 部堆积物中均存在复杂的化学反应：空腔内的化学反应主要是流体的均相反应，以氧化 反应为主；气化腔边壁处化学反应主要包括 煤的热解反应、热解气与空腔内流体的均相 反应、煤与空腔内流体的非均相反应；底部 堆积物中化学反应与气化腔边壁处类似。
图 3 煤炭地下气化过程中化学反应
气化腔中的第二大关键问题是煤炭脱 落，对气化腔的形状及扩展速度影响极大。 气化腔边壁处煤炭脱落的原因主要有两个： 气化腔边壁处的化学反应会改变材料性质， 造成边壁损伤；气化过程所释放的热会导致 边壁材料发生膨胀，进而改变局部应力场分 布，当温度超过一定阈值时甚至会改变材料 性质，造成边壁损伤。如图 4 所示，边壁完 整性破坏会引起裂缝发育，当裂缝完成沟通 后即发生煤炭脱落。
图 4 气化腔边壁损伤和脱落示意图
气化腔中的第三大关键问题是热力学问 题，对确定不同区域的化学反应类型极其重 要。在流体高速流动和气化腔高温(一般超 过 1000 K) 影响下， 气化腔中的热传递具有 多样性，包括传导、对流和辐射，使得温度 场分布规律趋于复杂。
气化腔中的第四大关键问题是流体动力 学问题，流体流动是煤炭地下气化发生的根 本驱动力。气化腔中的流体流动非常复杂： 空腔中为自由流；边壁孔隙度和渗透率具有 强非均质性，流体流动呈现出非均匀介质渗 流特点；堆积体的孔隙和裂缝发育，流体流 动同样呈现出非均匀介质渗流特点。
(2)顶板岩层中的关键问题
顶板岩层中的关键问题是顶板完整性。 与气化腔边壁损伤类似，气化过程所释放的 热同样会对顶板造成损伤。此外，气化腔会 极大改变工区应力场。在两种因素的共同作 用下，顶板完整性可能会遭到破坏，发育裂 缝并发生弯曲和沉降。值得一提的是，顶板 完整性破坏可能会导致上部水层的地层水侵 入气化腔，水量过大时造成水淹，终止气化 过程。
(三)煤炭地下气化的挑战
煤炭地下气化过程极其复杂，涉及化学 反应动力学、材料力学、热力学、流体动力学， 给理论研究和现场应用带来一系列挑战。
(1) 深部煤炭地下气化的反应机理及主要影响因素尚不明确，亟需通过室内实验和 现场试验进行研究。目前，课题组在中石油 集团公司科技重大专项2019E-25的支持下， 研制了煤炭地下气化实验设备(图 5) ，对此进行攻关。
图 5 煤炭地下气化室内实验模拟装置
(2) 气化腔的演化叠加规律尚不明确， 亟需通过物理模拟和数值模拟进行研究。物 理模拟方面，煤炭地下气化所需高温高压条 件， 给实验装置的设计和研发带来巨大挑战， 目前相关技术仍属空白。数值模拟方面，现 有软件的数学模型对问题进行了简化，存在 很大局限性。
(3) 缺少准确高效的数值模拟软件。经 典的煤炭地下气化数值模拟软件包括利弗莫 尔实验室研发的 CAVSIM 和 UCG-SIM3D 软 件 以 及 加 拿 大 Computer Modelling Group 研发的数值模拟软件。然而，由于气 化机理认识不清、强非线性多物理场模型数 值求解难度大，以上软件的数学模型均存在 很大局限性。为推动数值模拟技术的发展， 需要借助实验方法针对具体研究问题建立多 场耦合数学模型，研制准确、稳定、高效的数值计算方法。
(4) 缺少有效的过程监测方法。与地面 煤制气不同，煤炭地下气化的气化炉(即气 化腔)安置在地层深部，给过程监测带来挑 战。为及时了解地层深部的反应速率和反应 程度，以便及时调整工艺方案，亟需结合工 艺流程、气化机理、多物理场特征，形成一 套行之有效的过程监测方法。课题组正依托 中石油集团公司科技重大专项 2019E-25， 对此进行攻关。
(5) 缺少有效的运行控制技术。气化炉 安置在地层深部，给过程监测带来挑战的同 时，还增加了运行控制的难度。如何合理调 整工艺参数以提高粗煤气的产量和热值，是 煤炭地下气化技术实现大规模商业化的关键 挑战。
(四)煤炭地下气化的机遇
(1) 煤炭地下气化的大规模商业化有助 于缓解能源短缺、加快能源转型，近年来该 技术得到越来越多的关注，中石油集团公司 已设立科技重大专项 2019E-25，给关键技 术和理论的突破带来机遇。
(2) 煤炭地下气化是新的技术创新和技 术储备点，相关技术的突破不仅能够推动煤 炭地下气化的发展，对于其他地下能源的高 效开发和利用同样具有十分重要的意义。
(3) 煤炭地下气化过程非常复杂且涉及 多个物理场，可以凝练出一系列科学问题，对多学科交叉提出重大需求，相关问题的解 决有助于推进多学科融合、推动科学发展。
(4) 近年来， 随着煤炭地下气化的快速 发展，气化腔二氧化碳埋存逐渐成为埋存研 究的热点， 有望形成新的二氧化碳埋存技术， 推动“双碳”目标实现。
刘曰武，研究员，中 国科学院流固耦合系统力 学重点实验室，主要研究 方向：渗流力学、岩土工程、 非常规能源开发。
李龙龙，副研究员， 中国科学院流固耦合系统 力学重点实验室，主要研 究方向：多孔介质渗流理 论与数值模拟、煤炭地下 气化、二氧化碳埋存。
丁玖阁，助理工程师，中国科学院流固耦合系统力学重点实验室，主要研究方向：非常规能源开发、煤炭地下气化。
