斷層構(gòu)造影響下氣井保護煤柱留設(shè)與壓煤開采研究*

王大為

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院有限公司，北京 100013)

我國西南某些礦區(qū)，天然氣與煤炭資源在礦區(qū)平面上高度疊合，隨著資源的大規(guī)模開發(fā)，天然氣與煤炭開采沖突日益突出[1-2]。大批天然氣井先后在煤礦井田范圍內(nèi)建設(shè)、生產(chǎn)，井深可達數(shù)千米，鉆穿整個含煤地層，與此同時帶來了煤礦生產(chǎn)安全、氣井保護等諸多技術(shù)難題[1-4]。大量的生產(chǎn)實踐表明：受煤礦采動影響，氣井及其井場所在地表及巖層發(fā)生移動變形，氣井井筒則容易出現(xiàn)剪切、扭曲、拉伸及壓縮等多種形式的變形或失穩(wěn)[3-6]。氣井井筒及其井場附屬設(shè)施發(fā)生損壞不僅會影響天然氣資源的生產(chǎn)運行，同時也給煤礦的安全生產(chǎn)帶來重大隱患并嚴重影響當?shù)鼐用竦纳睢?/p>

西南地區(qū)地形高低起伏，地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層發(fā)育，“三下”開采難度大[7-9]。為實現(xiàn)既保證煤礦的生產(chǎn)安全，最大限度解放地下煤炭資源，又保證氣井及其附屬設(shè)施的安全運行，降低損害風險的目的，煤礦開采要合理留設(shè)氣井及其井場的保護煤柱[10]。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)采礦條件

研究區(qū)位于西南煤礦某采區(qū)，礦區(qū)地層主要為三疊系和侏羅系地層，最老地層為中三疊統(tǒng)雷口坡組(T2l)，最新地層為中下侏羅統(tǒng)第四段(J1-2z4)即涼高山段。本區(qū)含煤地層為上三疊統(tǒng)須家河組(T3xj)，研究區(qū)規(guī)劃開采K14、K21煤層，K14煤層：平均厚度0.57 m，采高1.2 m，煤層傾角34°，規(guī)劃區(qū)采高450～610 m；K21煤層：平均煤厚0.55 m，采高1.2 m，煤層傾角34°，規(guī)劃區(qū)采高410～620 m。該井田地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，背斜構(gòu)成井田構(gòu)造的主體，該采區(qū)位于背斜構(gòu)造東翼，北端以F9斷層為自然邊界，南端以F1斷層為自然邊界，下部邊界(運輸水平)-100 m水平，上部邊界(回風水平)+100 m水平。根據(jù)開采規(guī)劃，研究區(qū)涉及斷層為F1斷層，K14、K21煤層均被錯斷，且發(fā)育位置位于研究區(qū)正下方。F1斷層屬壓扭性逆斷層，斜穿采區(qū)，傾角35°，最大落差250 m，該斷層對煤層及頂?shù)装迤茐妮^大，給開采帶來較大難度。

1.2 氣井情況

根據(jù)開采規(guī)劃，研究區(qū)內(nèi)涉及兩處氣井井場，分別為4井場(包括4、5、11井)和21井場(包括21井)，井場范圍內(nèi)分布有各類集輸、增壓等附屬設(shè)施。氣井及其井場所處地面位置較平緩，表土層較薄。4井、5井和11井在同一井場，井深分別為4 056 m、3 344 m、2 990 m，井場地面標高511.46 m；21井井深3 361 m，井場地面標高526.40 m。氣井井身結(jié)構(gòu)主要由表層套管、技術(shù)套管、氣層套管以及各層套管外的水泥環(huán)等組成。套管固井方式為無縫鋼管+水泥環(huán)，連接方式為絲扣連接，各氣井套管技術(shù)參數(shù)如表1所示。油管位于套管中間，為N80無縫鋼管，連接方式為絲扣連接，油管采用懸吊式固定于井口。

表1 氣井套管技術(shù)參數(shù)

2 氣井及其井場保護煤柱留設(shè)

2.1 煤柱留設(shè)參數(shù)

因井場內(nèi)布置有大量天然氣管道和相關(guān)配套設(shè)施，且天然氣井屬高承壓可燃性氣井，天然氣內(nèi)含多種有毒有害氣體，因此保護對象為氣井以及整個井場。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[11](以下簡稱《“三下”開采規(guī)范》)規(guī)定，本研究區(qū)井場的保護等級確定為Ⅰ級，圍護帶寬度為20 m，按照移動角進行設(shè)計。沖積層厚度3.5 m，沖積層移動角度暫按常規(guī)取值，為45°。

參照相鄰礦區(qū)的巖移參數(shù)并結(jié)合《“三下”開采規(guī)范》，綜合確定本次煤柱留設(shè)角值，如表2所示。

表2 4、21井場保護煤柱留設(shè)移動角取值/(°)

2.2 保護煤柱留設(shè)

4井場與21井場之間相距較近，平面間距160 m左右，兩井場之間還有大量管線等相關(guān)附屬設(shè)施埋設(shè)，因此本次保護煤柱留設(shè)將兩個井場做為一個整體進行設(shè)計，保護煤柱采用垂直剖面法留設(shè)，沿煤層走向和傾向作垂直剖面，在剖面上確定煤柱邊界。

由于4、21井場位于F1斷層之上，根據(jù)《“三下”開采規(guī)范》第83條規(guī)定，為使斷層兩翼均包括在保護煤柱范圍內(nèi)，同時提高煤柱范圍內(nèi)對應(yīng)斷層兩翼煤層標高的準確性，確定在斷層兩翼(斷層上、下盤)中各采用一地質(zhì)剖面計算保護煤柱范圍，將兩煤柱范圍重疊部分劃定為此次氣井及其井場保護煤柱范圍，如圖1、圖2所示。

3 壓煤開采與采動影響分析

綜合4井、21井場壓煤開采規(guī)劃以及保護煤柱留設(shè)范圍，K21煤層在該采區(qū)布置三個工作面，K14煤層在該采區(qū)布置兩個工作面，如圖1、圖2所示。

圖1 K21煤層氣井及其井場保護煤柱范圍圖

3.1 巖移預(yù)計參數(shù)

采用概率積分法進行地表移動變形預(yù)計，預(yù)計參數(shù)參考相鄰礦區(qū)的實測成果，確定巖移預(yù)計參數(shù)如下：下沉系數(shù)：q=0.69；水平移動系數(shù)：b=0.35；主要影響角正切：tgβ上=1.6，tgβ下=1.3；開采影響傳播系數(shù)：k=0.40；拐點偏移距：S=0.06H；煤層開采高度：K21煤層1.2 m，K14煤層1.2 m。

3.2 移動變形預(yù)計結(jié)果

采用概率積分法和上述預(yù)計參數(shù)，對以上開采進行移動變形計算，并繪制地表移動變形等值線圖，如圖3～圖5所示，氣井井口位置移動變形值如表3所示。

圖4 研究區(qū)沿煤層走向、傾向方向地表傾斜變形等值線圖/(mm/m)

圖5 研究區(qū)沿煤層走向、傾向方向地表水平變形等值線圖/(mm/m)

表3 煤層開采引起氣井井口所在地表最大移動變形值

煤層上覆巖層下沉變形過程中，不同深度層位發(fā)生的豎向變形對氣井及其套管井筒會造成一定影響，主要表現(xiàn)為壓縮或拉伸變形。為此，本次統(tǒng)計了氣井圍巖不同深度處的下沉情況，如表4所示，并以此分析了氣井圍巖不同深度所發(fā)生的豎向變形情況，其中，4井豎向變形情況如圖6所示。

表4 氣井圍巖不同深度處下沉值/mm

圖6 4井井筒各位置下沉、豎向變形曲線圖

由表3及圖6可知，按開采方案開采結(jié)束后，4井變形情況如下：地表下沉值為52 mm，沿煤層走向方向傾斜變形值為0.54 mm/m，沿煤層傾向方向傾斜變形值為0.38 mm/m，沿煤層走向方向水平移動值為94 mm，沿煤層傾向方向水平移動值為37 mm，沿煤層走向方向水平變形表現(xiàn)為拉伸變形，變形值為0.8 mm/m，沿煤層傾向方向水平變形表現(xiàn)為壓縮變形，變形值為0.19 mm/m。

井筒豎向變形是導(dǎo)致井壁破壞的主要因素之一[3-4,6]，開采結(jié)束后，井筒豎向方向均為壓縮變形，最大壓縮變形值小于0.4 mm/m，氣井及其井場所承受的豎向壓縮變形值和水平變形值均較小，氣井及其井場不會產(chǎn)生顯著的破壞，不會影響正常使用。5、11、21井豎向變形情況類似于4井。

4 結(jié) 論

通過在斷層兩翼(斷層上、下盤)各采用一個地質(zhì)剖面對氣井及其井場進行保護煤柱留設(shè)，并指導(dǎo)壓煤開采方案設(shè)計，不僅可以有效的保護氣井以及井場附屬設(shè)施，而且可以實現(xiàn)井場壓煤較大程度的解壓。