煤炭学报

作者：胡卓成, 姚军, 孙海, 李龙龙, 安国强, 武召辉, 闫霞,

关键词：煤炭地下气化, 多尺度, 关键物性, 多物理场耦合, 超高温高压高应力,

煤炭地下气化(Underground Coal Gasification, UCG)作为一种清洁高效的煤炭开发利用技术，具有广阔的应用前景。从多尺度视角出发，系统探讨了UCG技术的“五多”特性(多相、多组分、多物理场耦合、多尺度、多流动模态)及其研究进展。在分子(纳米级)尺度上，通过试验和分子动力学模拟方法，揭示了煤炭热解和气化过程中的反应路径及机理，明确了气化剂类型、煤阶、灰分等因素对反应速率和产物组成的影响。在孔隙(微米～厘米级)尺度下，研究了高温和气化反应对煤体孔隙结构和物性演化的影响，在煤炭被加热的过程中，骨架逐渐软化，裂缝不断发育，孔隙相互连接，挥发分和焦油逐渐析出，强度持续降低。实验室(米级)尺度的研究通过构建与原位UCG相似的物理化学环境，开展物理模拟试验，重现了气化过程中的关键现象，如温度场、压力场变化、气化腔结构和气体产物生成，研究表明运行压力、气化剂注入方式、煤阶等因素对合成气热值和组分有显著影响。在矿场(百米～千米级)尺度下，数值模拟方法成为优化UCG方案的重要工具，热−力耦合和热−流−固−化耦合的数值模拟研究揭示了气化过程中气化腔体的稳定性、岩层变形、特征场发展、气化腔拓展以及合成气生成与运移规律，为优化UCG工艺参数、提高气化效率和安全性提供了理论支持。然而，UCG技术仍面临诸多挑战，包括“多相”“多组分”反应和赋存机理复杂、“多物理场”耦合特征的演化规律不清晰以及“多尺度效应”和“多流动模态”的综合影响。未来的研究应进一步加强多尺度下的基础研究，加强对超高温、高压、高应力环境下的多相多组分流体生成与运移过程探索，发展跨尺度关联方法，完善多物理场耦合机制，充分考虑多流动模态影响，综合考虑气化期高效生产与闭井期污染防控全周期协同影响，以推动UCG技术的工业化应用和可持续发展。

来源：2025年第8期

《煤炭学报》期刊编辑部

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