氣井保護(hù)煤柱留設(shè)及其開(kāi)采可行性分析

祝凌甫,孫萬(wàn)明,劉 貴,張剛艷，王港盛

(1.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京100013)

隨著我國(guó)煤炭、油氣資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，煤炭資源與油氣資源開(kāi)采的沖突問(wèn)題日益突出，西部地區(qū)很多煤礦區(qū)地表分布若干新建、在產(chǎn)、廢棄的油氣井，引起煤礦生產(chǎn)安全、油氣井保護(hù)等諸多技術(shù)難題[1-3]。為了保護(hù)油氣井的安全，多采用留設(shè)保護(hù)煤柱的方法進(jìn)行保護(hù)，由于油氣井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與常規(guī)的房屋、道路等地表建(構(gòu))筑物有所不同，其油氣井本身占地面積小，自身抗變形能力較強(qiáng)，埋藏較深，其保護(hù)煤柱尺寸可考慮在常規(guī)方法留設(shè)范圍的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小[4]，因此有必要對(duì)其保護(hù)煤柱的開(kāi)采可行性進(jìn)行探討，從而利于煤炭資源的回收。

大梁灣煤礦目前準(zhǔn)備開(kāi)采區(qū)域內(nèi)分布有一眼編號(hào)為雙53氣井，其下方為邊角煤旺格維利連采工作面和30101綜采工作面。為保證氣井的安全使用，礦井首先根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》為氣井進(jìn)行了保護(hù)煤柱的留設(shè)，由于保護(hù)煤柱壓覆了下方2個(gè)工作面的資源，尤其煤柱留設(shè)將引起30101工作面開(kāi)采寬度縮短，嚴(yán)重影響工作面正常生產(chǎn)，為了進(jìn)一步減少氣井保護(hù)對(duì)煤炭開(kāi)采的影響，在氣井保護(hù)煤柱局部開(kāi)采情況下對(duì)氣井所受采動(dòng)影響進(jìn)行了分析，從而分析氣井保護(hù)煤柱開(kāi)采的可行性，為30101工作面的生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 礦井地質(zhì)特征、工作面和氣井概況

礦井主采3號(hào)煤層，厚度5.38～7.35m，根據(jù)礦井地層結(jié)構(gòu)資料，氣井所在位置地表標(biāo)高+1185m，煤層頂板標(biāo)高+1048m，覆巖總厚137m，其中上覆基巖厚約105m，以侏羅系粉砂巖、中(細(xì))粒砂巖、泥巖為主，多為孔隙式泥質(zhì)膠結(jié)，第四系松散層厚約32m；井田總體為單斜構(gòu)造，傾角小于1°，構(gòu)造簡(jiǎn)單。

連采工作面全長(zhǎng)1066.3m，采用旺格維利法開(kāi)采，采煤共布置39條支巷，采用后退式回采，每采4條支巷留8m煤柱；30101工作面與連采工作面相鄰，為一次采全高的綜采工作面，設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度1928m，寬度300m。

雙53井井深2890m，位于連采工作面范圍之上，距離30101工作面平面距離47m。氣井表層套管固井方式為無(wú)縫鋼管+水泥環(huán)，連接方式為絲扣連接，水泥環(huán)壁厚：30～50mm，部位：0～506.94m。氣層套管固井方式為無(wú)縫鋼管+水泥環(huán)，連接方式為絲扣連接，水泥環(huán)壁厚：30～50mm，部位：506.94～2888.47m。中間油管為2-7/8″無(wú)縫鋼管(N80，EUE)，連接方式為絲扣連接，采用懸吊式固定(井口(頸)固定，井身懸空)；油管內(nèi)徑62mm，外徑73mm。表1為氣井套管技術(shù)參數(shù)。圖1為氣井現(xiàn)場(chǎng)照片。

表1 氣井套管技術(shù)參數(shù)

圖1 氣井所在地房屋外觀及氣井孔口裝置

2 氣井保護(hù)煤柱的留設(shè)

2.1 煤柱留設(shè)參數(shù)

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》，氣井煤柱留設(shè)采取垂直剖面法，需要確定的主要參數(shù)為氣井受護(hù)范圍和煤層覆巖移動(dòng)角。

受護(hù)范圍包括受護(hù)邊界和圍護(hù)帶寬度。氣井井口房屋邊界即為受護(hù)邊界。圍護(hù)帶寬度根據(jù)建(構(gòu))筑物保護(hù)等級(jí)確定，氣井保護(hù)等級(jí)按I級(jí)考慮，其圍護(hù)帶寬度取20m。

移動(dòng)角包括走向移動(dòng)角δ、下山移動(dòng)角β、上山移動(dòng)角γ、松散層移動(dòng)角φ。由于煤層傾角較小，氣井煤柱留設(shè)按水平煤層考慮，水平煤層只需確定走向移動(dòng)角δ和松散層移動(dòng)角φ。由于礦區(qū)缺乏實(shí)測(cè)資料，采用類(lèi)比法，由煤層覆巖巖性、厚度及其膠結(jié)程度、井田構(gòu)造特征看，煤層覆巖類(lèi)型為中硬偏軟巖層，按中硬覆巖類(lèi)型進(jìn)行移動(dòng)角取值，移動(dòng)角取值分別為：第四系松散層移動(dòng)角φ=45°，基巖走向移動(dòng)角δ=70°。

2.2 氣井保護(hù)煤柱劃定

根據(jù)氣井所在位置煤層上覆基巖和第四系松散層厚度、移動(dòng)角取值、圍護(hù)帶寬度，可計(jì)算得到氣井受護(hù)邊界外側(cè)保護(hù)煤柱寬度為：20+32×cot45°+105×cot70°=90m。由此劃定了氣井的保護(hù)煤柱范圍，如圖2所示。

圖2 氣井保護(hù)煤柱平面

3 氣井保護(hù)煤柱開(kāi)采可行性分析

氣井保護(hù)煤柱占據(jù)了正下方的連采工作面和30101綜采工作面部分資源，連采工作面在氣井保護(hù)煤柱范圍內(nèi)不予開(kāi)采，而綜采面開(kāi)采寬度的變化導(dǎo)致的設(shè)備搬家等工序復(fù)雜，對(duì)正常生產(chǎn)影響嚴(yán)重。為此，特對(duì)30101綜采工作面在氣井保護(hù)煤柱范圍內(nèi)的區(qū)域采用限厚開(kāi)采的可行性進(jìn)行探討。按綜采支架的最低工作高度確定限厚開(kāi)采區(qū)域的采高為4.0m，連采工作面和30101工作面在氣井保護(hù)煤柱之外的區(qū)域均正常開(kāi)采，如圖2所示。

3.1 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)

采用概率積分法進(jìn)行地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)參數(shù)與上覆巖層巖性、地質(zhì)開(kāi)采技術(shù)條件有關(guān)，礦井沒(méi)有地表巖移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此參考類(lèi)似地質(zhì)采礦條件礦區(qū)的實(shí)測(cè)成果以及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》附表3-1中的參考值，確定的工作面地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)如下：

下沉系數(shù)：η=0.7 (30101綜采工作面)

η=0.1 (連采工作面)

主要影響角正切： tanβ=2.0

水平移動(dòng)系數(shù)：b=0.3

開(kāi)采影響傳播角：θ=90°-0.6α(α為煤層傾角)

拐點(diǎn)偏移距：S=0

3.2 氣井地表及圍巖變形預(yù)計(jì)結(jié)果

采用概率積分法和上述預(yù)計(jì)參數(shù)，對(duì)保護(hù)煤柱局部開(kāi)采引起的氣井地表發(fā)生的移動(dòng)變形進(jìn)行了預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)得到的地表下沉、水平變形、傾斜分布情況分別見(jiàn)圖3～圖5，氣井井口位置的移動(dòng)變形值見(jiàn)表2，氣井井口地表下沉量為137mm，水平移動(dòng)量為213mm，水平拉伸變形為12.6mm/m，傾斜變形為10.0mm/m。

圖3 氣井及周邊地表下沉等值線

圖4 氣井及周邊地表水平變形等值線

位置下沉w/mm水平移動(dòng)/mm水平變形/(mm·m-1)傾斜變形/(mm·m-1)氣井井口13721312.610.0

煤層覆巖下沉過(guò)程中，覆巖不同層位發(fā)生的豎向的拉伸或壓縮變形對(duì)氣井套管及內(nèi)部管道也將造成一定影響，為此，采用概率積分法分析了氣井圍巖由地表至煤層不同深度處發(fā)生的豎向變形，如圖6所示。氣井淺部圍巖豎向變形以壓縮變形為主，全部開(kāi)采和限厚開(kāi)采最大壓縮變形分別為-3.1mm/m，-2.3mm/m，埋深50m以下氣井圍巖豎向變形以拉伸變形為主，且量值隨著埋深增加而增大，埋深50～120m范圍內(nèi)豎向拉伸變形均小于2.0mm/m，埋深120～140m范圍內(nèi)豎向拉伸變形顯著增大且集中，在埋設(shè)約135m處豎向拉伸變形最大，分別達(dá)46.0mm/m，44.6mm/m，此處位于煤層上部約10m。由氣井圍巖豎向變形分布情況看，氣井在煤層上部5～20m范圍內(nèi)均承受?chē)鷰r發(fā)生的較為集中、量值較大的豎向拉伸變形的影響。

圖6 氣井套管?chē)鷰r隨深度豎向變形分布

3.3 氣井受采動(dòng)影響分析

當(dāng)氣井留設(shè)非全尺寸保護(hù)煤柱時(shí)，煤層開(kāi)采引起煤層覆巖向采空區(qū)一側(cè)移動(dòng)和變形的同時(shí)，氣井從煤層上部某個(gè)層位開(kāi)始由下而上受到煤層覆巖移動(dòng)的影響，氣井井壁、套管、內(nèi)部輸氣管道均隨之向采空區(qū)一側(cè)發(fā)生移動(dòng)和變形，井口地表將發(fā)生一定的下沉、平移甚至裂縫等變形，氣井井壁及管道發(fā)生彎曲等變形。

當(dāng)保護(hù)煤柱較小時(shí)，煤層覆巖垮落帶或裂縫帶可能波及氣井井壁，造成井壁較為嚴(yán)重的破壞，對(duì)氣井套管、輸氣管道的影響也較為嚴(yán)重；隨著保護(hù)煤柱尺寸的加大，煤層覆巖破壞區(qū)將波及不到氣井井壁，此時(shí)氣井井壁主要承受彎曲下沉帶巖層相對(duì)連續(xù)的移動(dòng)變形的影響。由于不同深度、不同巖層巖性及完整性情況下井壁套管的受力和變形不同，套管不同位置可能發(fā)生彎曲、縮頸、破裂等不同形式的變形或破壞，而內(nèi)部的輸氣管道在套管的保護(hù)作用下發(fā)生的變形或破壞程度可能有所降低[5-7]。

氣井井口距離30101工作面開(kāi)采邊界47m，根據(jù)覆巖破壞規(guī)律，頂板垮落帶、裂縫帶向采空區(qū)外側(cè)發(fā)育的空間有限，按照裂采比為20、導(dǎo)水裂縫角74°計(jì)算，覆巖破壞采空區(qū)外側(cè)邊界距開(kāi)采邊界的距離約為23m，由此認(rèn)為30101工作面在限厚開(kāi)采條件下覆巖垮落帶和裂縫帶尚未波及氣井井壁；根據(jù)移動(dòng)角計(jì)算氣井上部約50m的井壁將受到覆巖彎曲下沉帶的影響，局部層位可能發(fā)生裂隙、裂縫，氣井套管與井壁也可能發(fā)生局部的裂隙，易形成不同層位含水層間的導(dǎo)水通道。由預(yù)計(jì)的井口水平變形值看，地表將發(fā)生明顯的裂縫破壞，井口套管與井壁之間也將產(chǎn)生較大的空隙。

氣井套管及內(nèi)部管道隨煤層覆巖移動(dòng)發(fā)生彎曲變形后，管壁內(nèi)將產(chǎn)生附加應(yīng)力，將套管簡(jiǎn)化為一端固支的懸臂梁結(jié)構(gòu)，將井壁對(duì)套管的作用力簡(jiǎn)化為作用于懸臂梁上的均布荷載，以氣井井口水平位移值作為懸臂梁的自由端撓度，以此簡(jiǎn)化分析氣井套管在采動(dòng)影響下的內(nèi)部附加應(yīng)力。經(jīng)分析套管內(nèi)部附加應(yīng)力約為4.9MPa，小于鋼管的屈服強(qiáng)度。

由上述分析可以認(rèn)為，30101工作面在氣井保護(hù)煤柱范圍內(nèi)采用限厚開(kāi)采后，氣井地表發(fā)生明顯的裂縫破壞，氣井套管與井壁間將形成裂隙，易形成不同含水層間的導(dǎo)水通道；氣井上段直至井口將向采空區(qū)一側(cè)發(fā)生移動(dòng)和彎曲，氣井套管、輸氣管道等發(fā)生一定的彎曲變形，彎曲撓度較小，引起的附加彎曲應(yīng)力也較??；氣井在煤層上部5～20m范圍內(nèi)均承受?chē)鷰r發(fā)生的較為集中、量值較大的豎向拉伸變形的影響，有導(dǎo)致氣井套管發(fā)生拉伸破壞的風(fēng)險(xiǎn)；另外，氣井井口有多種地埋式和地上附屬管道等設(shè)施，且大部分為帶壓或高壓工作狀態(tài)，井口地表發(fā)生的不均勻沉降、水平拉伸或壓縮變形也超出了一般工程管網(wǎng)設(shè)施的允許變形，因此井口地表變形也對(duì)井口附屬設(shè)施的安全運(yùn)行形成一定威脅[8]。總體來(lái)看，限厚開(kāi)采方案對(duì)氣井的正常運(yùn)行和使用產(chǎn)生不利影響，存在氣井套管、內(nèi)部管道及附屬設(shè)施發(fā)生局部破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》，以氣井外圍房屋為受護(hù)體，選取維護(hù)帶寬度20m，第四系松散層移動(dòng)角φ=45°，基巖走向移動(dòng)角δ=70°，計(jì)算得到氣井受護(hù)邊界外側(cè)保護(hù)煤柱水平垂直距離為90m。

(2)在氣井保護(hù)煤柱外側(cè)局部開(kāi)采后，氣井地表會(huì)發(fā)生明顯的裂縫破壞，氣井套管與井壁間將形成裂隙，易形成不同含水層間的導(dǎo)水通道；氣井上段直至井口將向采空區(qū)一側(cè)發(fā)生移動(dòng)和彎曲，氣井套管、輸氣管道等發(fā)生一定的彎曲變形和附加彎曲應(yīng)力；氣井在煤層上部一定范圍內(nèi)承受較為集中的豎向拉伸變形的影響，有導(dǎo)致氣井套管發(fā)生拉伸破壞的風(fēng)險(xiǎn)；井口地表變形對(duì)井口附屬設(shè)施的安全運(yùn)行形成一定威脅?？傮w來(lái)看，氣井保護(hù)煤柱開(kāi)采對(duì)氣井的正常運(yùn)行和使用產(chǎn)生不利影響，存在氣井套管、內(nèi)部管道及附屬設(shè)施發(fā)生局部破壞的風(fēng)險(xiǎn)。整體來(lái)看，氣井保護(hù)煤柱局部開(kāi)采不可行，為了確保生產(chǎn)安全，建議為氣井留設(shè)全尺寸保護(hù)煤柱。

(3)分析是在假定氣井設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量無(wú)缺陷、氣井套管自身質(zhì)量無(wú)缺陷的條件下進(jìn)行的分析，若氣井在某些方面存在缺陷或質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，或已受其他煤礦采動(dòng)影響，將對(duì)氣井和礦井的生產(chǎn)形成更為不利的影響。因此在采動(dòng)影響前應(yīng)著重對(duì)煤層覆巖內(nèi)部氣井孔斜及位置進(jìn)行核實(shí)，掌握氣井在巖層內(nèi)的軌跡，若氣井在巖層內(nèi)部偏移量過(guò)大，需對(duì)保護(hù)煤柱尺寸進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)氣井破壞引起的災(zāi)害防治工作。