近年来，我国煤炭地下气化技术得到快速发展，稳定控制技术逐步突破[1-2]。然而，煤炭地下气化潜在的地下水污染风险，成为其走向工业化应用的技术瓶颈[3-4]。科学认识煤炭地下气化的地下水污染风险并进行全流程污染防治，对于煤炭地下气化技术的工业化示范及可持续发展具有重要意义[5]。

煤炭地下气化引起的地下水污染风险来自于气化过程中污染物随煤气的逸散，以及气化后污染物随地下水运移而发生的扩散与渗透迁移[6]。地下水污染风险在很大程度上取决于污染物从反应区向含水层迁移的通道赋存及发育的程度，如高温作用下围岩裂隙发育的变化和导通性、围岩的渗透性、气化盘区的地质构造与水文地质条件等[7-8]。与地面固定床气化类似，煤炭地下气化产生的有机污染物主要包括酚类、苯、多环芳烃及杂环化合物等，无机污染物则主要包括硫化氢、氨气以及重金属等有害微量元素等[9]。煤层和围岩的物理化学吸附作用可以有效阻止污染物的迁移距离和范围，隔水性良好的顶底板岩层可以将污染物封闭在燃空区内而不会对邻近的地下水体造成污染[10]。

污染物迁移研究主要依靠理论及模型预测，与现场试验差距较大。笔者针对我国首个钻孔式地下气化炉，进行了燃空区探测。在距主气化面径向不同距离的位置，采用直接钻探法进行探测，并对煤、岩、半焦、灰渣样品进行了取样，取样深度从煤层顶板延伸至煤层底板。对探测样品进行了浸出实验，依据浸出液中的污染物浓度，对照煤层水背景值，研究了典型气化污染指标的迁移范围及迁移特征，可望为煤炭地下气化的污染风险识别与防治提供科学依据。研究的特征污染物指标主要包括COD(反应总有机污染物)、挥发酚和氨氮。

1 气化区煤田水文地质条件概述

煤炭地下气化现场位于中国内蒙古乌兰察布玫瑰营煤田。试验区地貌形态以剥蚀的低山丘陵和堆积砂土地形为主。该区年平均降水量332.5 mm，年平均蒸发量1 889.9 mm。主要含隔水层分为4部分[11]:① 第四系松散孔隙潜水含水层，该位置含水层的水位深度小于5 m，水量随季节变化;② 新近系中新统隔水层，主要包括致密块状玄武岩、气孔状玄武岩砖和红色泥岩等;③ 新近系渐新统，主要包括上下两段，上段主要为砂岩泥岩等，下段为砂岩、泥岩、褐煤等，上下两段平均厚度分别为233.2,81.6 m，该区域为矿区的主要煤系地层，其中煤层厚度约为8.3 m，顶板为粉砂岩、泥岩隔水层，平均厚度35.9 m，顶板隔水层以上为粗砂、砾砂岩含水层，平均厚度约为37.4 m;④ 煤层的底部岩层有很好的隔水性能，钻孔未穿透该层。简易综合柱状如图1所示。

2 气化炉及气化试验描述

地下气化试验炉主体结构包括定向钻孔和垂直钻孔(图2)，定向钻孔主要作用为注入气化剂，包括空气、氧气及水蒸汽，垂直钻孔作为出气孔，将生产煤气排出。定向钻孔和垂直钻孔在煤层中通过靶点实现对接。同时沿气化通道布置两个垂直钻孔，其功能主要用于气化过程的监测取样，根据气化工作面的移动实现移动供风。地下气化试验从2007年10月开始，到2009年1月闭炉。期间主要开展了空气连续气化试验，掌握了以空气作为气化剂的气化规律。

3 探测钻探取样及浸出实验

3.1 探测钻探取样

气化炉闭炉6 a零7个月后，对气化炉进行钻孔探测，选择与气化通道垂直的气化面径向扩展方向进行探测，探测钻孔距离主气化通道的不同位置(4，17和27 m)，如图3所示。依据燃空区反演及氡气测量地球物理探测方法，1号探测钻孔位于气化区范围，2号探测钻孔可能位于气化面径向扩展的边缘区域，而3号探测钻孔理论上位于气化区之外，属未扰动区域。

探测过程描述如下:从地表经破碎区到煤层底板以下10 m进行了地质钻探，位于煤层以上50 m的直接顶板岩层开始取芯，每个钻孔的取芯总长度达60 m，包括煤层顶板岩样、煤层底板岩样、煤样、半焦、灰渣样品。钻探取出的探测孔样品，如图4所示。

对取芯获取的煤岩样品首先进行直观的观察与描述，之后选取代表性样品进行研究。分析样品的相对位置及编号，见表1。根据样品采集的直接观察及纵向位置，将1，2和3号探测孔样品人为划分成顶板区域、疑似燃空区和底板区域。顶板区域指气化煤层的直接顶板，是理论上受气化反应直接影响的岩层;疑似燃空区即初步断定是煤层所在的位置，发生气化反应的区域;底板区域是煤层下方紧邻的岩层，气化炉的直接底板，是理论上气化炉气化反应的下边界。

3.2 样品浸出实验

参照我国环境保护标准HJ/T299—2007《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》，对采集的燃空区样品，采用翻转振荡法进行浸出实验。由于气化后气化区水环境介质一般为中性或弱碱性，因此实验以去离子水作为浸提剂。实验步骤如下:

(1)样品含水率的测定。称取100 g样品置于具盖容器中，于105 ℃下烘干，恒重至两次称量值的误差小于±1%，计算1号，2号和3号探测孔样品含水率。

表1 探测孔分析样品相对位置及编号
Table 1 Position and number of the analysis samples

(2)样品的浸出实验。将煤、岩、渣样品破碎为能通过9 mm孔径筛的颗粒，称取100 g样品，置于2 L聚四氟乙烯(PTFE)提取瓶中。扣除含水率，按液固比为10∶1(L/kg)加入所需浸提剂的体积。固定在翻转式振荡器上，对浸提体系进行翻转震荡，调节转速为30±2 r/min，于23±2 ℃下振荡18±2 h。在振荡过程中有气体产生时，定时在通风橱中打开提取瓶，释放过度的压力。翻转式振荡器如图5所示，由美国Associated Design and Manufacturing公司生产，型号为3740-6BRE-IV，转速为30±2 r/min。

(3)浸出液的过滤。将得到的滤液用孔径为0.6 μm的微孔滤膜进行过滤，得到的滤液储存在低温环境下备用。

(4)特征污染物的检测。COD检测依据GB/T 11914—89 《水质化学需氧量的测定(重铬酸盐法)》;氨氮(以N计)依据HJ 536-2009《水杨酸分光光度法检测》;挥发酚的测定依据HJ 825-2017《流动注射-4-氨基安替比林分光光度法》。

4 特征污染物的迁移行为

4.1 气化工作面探测分析

对探测钻孔机械取出的燃空区物质及顶底板区域样品进行直观形貌观察，可用于辅助判断燃空区的形貌及地下气化炉的燃烧状况。对3个探测孔样品描述为如下，位于1号探测孔顶板区域岩层的原始结构已被破坏，并出现了坍塌现象;燃空区位置样品质地松软，符合高温气化后的混杂状态;底板区域的样品结构保持完整。2号探测孔顶板区域没有发现坍塌现象，煤层上半部分呈混杂状态，下半部分煤层结构保持完整，底板结构保持完好;3号探测孔的岩层和煤层呈现规则的结构，没有受到扰动。

气化面探测研究对不同煤岩样品进行了工业分析及矿物质组成表征[12]，发现在距离主气化通道径向扩展4 m左右的位置，即1号探测孔位置，煤样经历了1 100 ℃以上的高温反应，检测到高温特征矿物钙长石的生成，且气化灰渣的残炭含量约为10%，表明煤层气化较为完全，且高温气化区上方的覆盖岩层发生了松动与坍塌。距离主气化通道径向扩展17 m左右的煤层位置，即2号探测孔位置，煤层段上部煤层经历了870 ℃以上的高温热影响，残炭含量约为10%，发现了高温矿物鳞石英。下部煤层未受到高温扰动。该位置煤层经历了不同的温度环境，位于地下气化炉的气化边界区域，同时也是气化炉的传热边界区域。因此，该位置煤层顶板未发生变形。距离主气化通道径向扩展方向27 m处的煤层和岩层保持了原貌，该区域未受到热扰动。

4.2 1号探测孔污染物的分布

选取3个常量特征污染指标作为研究对象。酚类是气化过程产生的典型污染物，具有较高的水溶性及迁移倾向;煤气中含氮污染物主要是以氨(NH3)或HCN的形式存在，其中NH3具有较高的水溶性，在浸出液中以氨氮指标进行量化;COD作为化学需氧量，可以反应大多数易氧化有机物的含量。通过将浸出液中挥发酚、氨氮和COD含量与气化前煤层水的背景值进行对比分析，研究特征污染物的迁移范围。

1号探测孔样品浸出液的挥发酚、氨氮和COD纵向质量浓度分布如图6所示。

可以看出(图6(a))，1号探测孔煤层层位上部的灰渣样品(1-21)挥发酚浸出质量浓度最高，达到煤层水背景值的6倍。其次为顶板层位1-13和1-14样品，其浸出液的挥发酚质量浓度也高于煤层水背景值，之后沿顶板向上，挥发酚质量浓度逐渐降低至背景值以下，表明挥发酚发生了由气化区向煤层顶板的扩散迁移，垂直向上的最大迁移距离约为5 m。煤层内下部样品的挥发酚浸出质量浓度均较低，表明气化灰渣中残留的挥发酚量极少。此外，底板岩样浸出液的挥发酚质量浓度极低，反映其向底板岩层渗透迁移倾向极低。煤炭地下气化过程中，随着气化工作面的扩展，燃空区范围不断扩大，煤层顶板在热作用下发育裂隙甚至产生冒落[13]，为气态污染物的垂直向上迁移提供了通道。而受热影响较小的底板岩层几乎不产生裂隙，因此在气化后6 a内残留污染物向下渗透引起的迁移极小，未能检测到。

由图6(b)可以看出，位于1号探测孔的煤层层位上部的样品浸出液中氨氮质量浓度都高于煤层水背景值，其中靠近煤层顶板的灰渣样品(1-21)的浸出液氨氮质量浓度是煤层水背景值的3倍，而下部样品和底板样品浸出液中氨氮含量极低，说明氨气也发生了从煤层向顶板迁移的现象。样品浸出液中氨氮质量浓度沿顶板岩层向上逐渐升高，氨在岩层内的最大迁移距离达18 m。相比较而言，挥发酚迁移距离较小，这是由于岩石对有机物包括挥发酚具有较强的吸附作用，导致其迁移距离较小[14]。底板岩样氨氮浸出质量浓度较低，反映了氨氮向底板岩石渗透迁移的倾向极低。

针对该气化试验区，王连国等[15-16]通过相似材料模拟实验、数值模拟分别对常温及高温下的覆岩运动及裂隙发育规律进行了研究。结果表明，煤炭地下气化开采过程，不论是常温还是高温下的覆岩运动规律，都与常规采煤时顶板运动规律相似。上覆岩层“三带”发育特征为:(采宽达100 m时)垮落带最大垮落高度为11～13 m，约为采高的2倍。裂隙带发育不对称，高温气化区附近裂隙发育高度比较高，整个裂隙带的最大发育高度达到 28 m，接近燃烧煤层厚度的5倍左右。

依据本次钻孔探测的结果，采宽按34 m计，煤层上方顶板岩层松动延伸至20 m左右。而数值模拟显示，当气化采煤宽度为34 m时，煤层顶板出现较大离层并初次垮落，垮落带高度为7 m，裂隙发育至煤层顶板上方15 m。1号探测孔位于核心燃烧区，挥发酚和氨氮的迁移特征表明，二者主要沿煤层顶板垮落带及裂隙带向上垂直迁移，挥发酚的迁移距离接近顶板垮落高度，而氨气的迁移距离接近顶板裂隙发育高度。由于气体迁移主要发生在气化过程中，因此间接推断，污染物的迁移主要发生在气化过程中。

顶板泥岩及底板泥岩浸出液的COD值较高，而燃空区样品的COD值均较小，这主要是由于根据岩样组成分析，部分岩样中含有少量的含铁矿物[12]，导致岩样浸出液中溶解有微量的二价铁，它能够被重铬酸钾氧化，导致测定的COD值显著升高。因此COD值不能够代表有机物的浸出量及浸出趋势，其变化仅作为参考。

4.3 2号探测孔污染物分布

2号探测孔样品浸出液的挥发酚、氨氮和COD纵向质量浓度分布如图7，8所示。

2号探测孔煤岩样浸出液中挥发酚和氨氮含量均小于气化前煤层水的背景值，表明污染物没有向顶板迁移。结合气化面扩展探测研究结果，2号探测孔附近煤层仅有煤层的上半部分受到了热作用，而煤层顶板未受到热的扰动，没有形成污染物迁移的通道。

2号探测孔煤岩样品浸出液的COD值整体偏高，2-21样品浸出液COD质量浓度高达257 mg/L，其余样品均在40～100 mg/L内。这也是由于含铁矿物的干扰引起。

4.4 3号探测孔污染物分布

3号探测孔样品浸出液的挥发酚、氨氮和COD纵向质量浓度分布如图9所示。

3号探测孔煤岩样浸出液中挥发酚和氨氮的质量浓度均小于气化前煤层水的背景值，没有发现污染物的迁移。结合地球物理探测结果，3号探测孔位于气化面扩展范围之外，煤层未受到扰动，即3号探测孔位置没有污染物的生成。气化区域产生的污染物也没有迁移到距离主气化通道27 m的位置。煤层及顶底板样品浸出液的COD值显著高于煤层水背景值，表现出异常现象，这也证明了煤岩中无机矿物溶出对COD值的影响。

4.5 污染物迁移综合描述

将3个探测孔的污染物质量浓度分布结果，结合气化面径向扩展探测结果，绘制了燃空区探测综合描述图，如图10所示。

综合气化面扩展探测研究结果，在主气化通道径向扩展范围4 m左右，顶板岩层样品浸出液中氨氮含量的最大值为2.22 mg/L，挥发酚含量的最大值为0.086 mg/L，均超出了气化前煤层水背景值。探测结果表明污染物在煤层顶板内发生了垂直向上的迁移，挥发酚的迁移距离约为5 m，氨的迁移距离约为18 m。煤层底板样品浸出液中未检测到污染物，反映了污染物由煤层向底板的渗透迁移极其缓慢。

在主气化通道燃烧面径向扩展范围17 m左右，位于气化炉的传热边界区域，仅有煤层的上半部分受到了热作用。煤层顶板受到热的扰动较小，没有形成污染物迁移的通道，挥发酚和氨氮的含量均小于气化前煤层水的背景值，即污染物没有向燃空区以外的区域迁移。

在距离主气化通道的27 m范围以内，煤层未受到扰动，没有发现污染物迁移到此位置的迹象。

由此可见，污染物的迁移主要取决于气化过程中热作用下煤层顶板的裂隙发育规律，与气化面的扩展(气化采煤的宽度)、煤层性质以及煤层顶板的岩石性质密切相关。因此气化煤田的科学选址及水文地质条件评价是煤炭地下气化地下水污染防治的重要环节。

5 结 论

(1)在中心气化区内，特征污染物挥发酚及氨气在煤层顶板内发生了垂直向上的迁移，二者主要沿煤层顶板冒落带及裂隙带向上迁移，挥发酚的迁移距离接近顶板冒落高度，而氨气的迁移距离接近顶板裂隙发育高度。污染物的迁移主要发生在气化过程中。污染物向底板岩层渗透迁移的倾向极低。

(2)在气化边界，煤层顶板受到的热扰动较小，没有形成污染物迁移通道，污染物没有向围岩发生迁移。气化区之外，距离主气化通道27 m位置，没有发现污染物在煤层内的迁移。

(3)气化煤田的科学选址是煤炭地下气化地下水污染防治的重要环节。

参考文献(References) :

[1] 陈峰,潘霞,庞旭林.新奥无井式煤炭地下气化试验进展及产业化规划[J].煤炭科学技术,2013,41(5):19-22.

CHEN Feng,PAN Xia,PANG Xulin.Progress and industriali-zation plan of ENN’s no mine shaft type underground coal gasi-fication[J].Coal Science and Technology,2013,41(5):19-22.

[2] 刘淑琴,陈峰,庞旭林,等.煤炭地下气化反应过程分析及稳定控制工艺[J].煤炭科学技术,2015,43(1):125-128.

LIU Shuqin,CHEN Feng,PANG Xulin,et al.Analysis on reac-tion process of underground coal gasification and stable control technique[J].Coal Science and Technology,2015,43(1):125-128.

[3] KAPUSTA K, K,WIATOWSKI M,et al.Environmental aspects of a field-scale underground coal gasification trial in a shallow coal seam at the Experimental Mine Barbara in Poland[J].Fuel,2013,113(2):196-208.

[4] DONG Donglin,ZHAO Mingdong,Lin Gang,et al.Optimization of water pumping and injection for underground coal gasification in the Meiguiying mine,China[J].Mine Water & the Environment,2016,35(3):1-7.

[5] AKBARZADEH H,CHALATURNYK R J.Structural changes in coal at elevated temperature pertinent to underground coal gasification:A review[J].International Journal of Coal Geology,2014,131:126-146.

[6] XU B,CHEN L,XING B,et al.The environmental effect of underground coal gasification semi-coke on confined ground-water[J].Environmental Progress & Sustainable Energy,2016,35(6):1584-1589.

[7] LUDWIK-PARDAA M, K.Underground coal gasification (UCG):An analysis of gas diffusion and sorption phenomena[J].Fuel,2015,150:48-54.

[8] SOUKUP K,HEJTMNEK V, P,et al.Modeling of contaminant migration through porous media after underground coal gasification in shallow coal seam[J].Fuel Processing Technology,2015,140:188-197.

[9] STRUGAA-WILCZEK A, K.Leaching behaviour of metals from post-underground coal gasification cavity residues in water differing in mineralization[J].Fuel,2016,173:106-114.

[10] 刘淑琴,周蓉,潘佳,等.煤炭地下气化选址决策及地下水污染防控[J].煤炭科学技术,2013,41(5):23-27.

LIU Shuqin,ZHOU Rong,PAN Jia,et al.Location selection and groundwater pollution prevention & controlRegarding under-ground coal gasification[J].Coal Science and Technology,2013,41(5):23-27.

[11] 刘淑琴,董贵明,杨国勇,等.煤炭地下气化酚污染迁移数值模拟[J].煤炭学报,2011,36(5):796-801.

LIU Shuqin,DOND Guiming,YANG Guoyong,et al.Numerical simulation of phenol migration for underground coal gasification[J].Journal of China Society,2011,36(5):796-801.

[12] 刘淑琴,牛茂斐,闫艳,等.煤炭地下气化气化工作面径向扩展探测研究[J].煤炭学报,2018,43(7):2044-2051.

LIU Shuqin,NIU Maofei,YAN Yan,Exploration of radial ex-pansion of the gasification face from underground coal gasifica-tion[J].Journal of China Society,2018,43(7):2044-2051.

[13] WANG Z,LIANG J,SHI L,et al.Expansion of three reaction zones during underground coal gasification with free and percolation channels[J].Fuel,2017,190:435-443.

[14] 邓云鹏,孙红艳,李金刚,等.煤炭地下气化区围岩介质对挥发酚的吸附作用研究[J].煤炭科学技术,2014,42(3):113-116.

DENG Yunpeng,SUN Hongyan,LI Jingang,et al.Study on adsorption ability of volatile phenols in underground coal gasifica-tion surrounding strata[J].Coal Science and Technology,2014,42(3):113-116.

[15] 唐芙蓉,王连国,贺岩,等.煤炭地下气化场覆岩运动规律的数值模拟研究[J].煤炭工程,2013,45(5):79-82.

TANG Furong,WANG Lianguo,HE Yan,et al.Study on numerical simulation of overburden strata movement law above underground coal gasification filed[J].Coal Engineering,2013,45(5):79-82.

[16] 陆银龙,王连国,唐芙蓉,等.煤炭地下气化过程中温度-应力耦合作用下燃空区覆岩裂隙演化规律[J].煤炭学报,2012,37(8):1292-1298.

LU Yinlong,WANG Lianguo,TANG Furong,et al.Fracture evolution of overlying strata over combustion cavity under ther-malmechanical interaction during underground coal gasification[J].Journal of China Coal Society,2012,37(8):1292-1298.