气井保护煤柱留设及其开采可行性分析

祝凌甫,孙万明,刘 贵,张刚艳，王港盛

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京100013)

随着我国煤炭、油气资源的大规模开发，煤炭资源与油气资源开采的冲突问题日益突出，西部地区很多煤矿区地表分布若干新建、在产、废弃的油气井，引起煤矿生产安全、油气井保护等诸多技术难题[1-3]。为了保护油气井的安全，多采用留设保护煤柱的方法进行保护，由于油气井结构特点与常规的房屋、道路等地表建(构)筑物有所不同，其油气井本身占地面积小，自身抗变形能力较强，埋藏较深，其保护煤柱尺寸可考虑在常规方法留设范围的基础上适当减小[4]，因此有必要对其保护煤柱的开采可行性进行探讨，从而利于煤炭资源的回收。

大梁湾煤矿目前准备开采区域内分布有一眼编号为双53气井，其下方为边角煤旺格维利连采工作面和30101综采工作面。为保证气井的安全使用，矿井首先根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》为气井进行了保护煤柱的留设，由于保护煤柱压覆了下方2个工作面的资源，尤其煤柱留设将引起30101工作面开采宽度缩短，严重影响工作面正常生产，为了进一步减少气井保护对煤炭开采的影响，在气井保护煤柱局部开采情况下对气井所受采动影响进行了分析，从而分析气井保护煤柱开采的可行性，为30101工作面的生产提供技术支撑。

1 矿井地质特征、工作面和气井概况

矿井主采3号煤层，厚度5.38～7.35m，根据矿井地层结构资料，气井所在位置地表标高+1185m，煤层顶板标高+1048m，覆岩总厚137m，其中上覆基岩厚约105m，以侏罗系粉砂岩、中(细)粒砂岩、泥岩为主，多为孔隙式泥质胶结，第四系松散层厚约32m；井田总体为单斜构造，倾角小于1°，构造简单。

连采工作面全长1066.3m，采用旺格维利法开采，采煤共布置39条支巷，采用后退式回采，每采4条支巷留8m煤柱；30101工作面与连采工作面相邻，为一次采全高的综采工作面，设计工作面长度1928m，宽度300m。

双53井井深2890m，位于连采工作面范围之上，距离30101工作面平面距离47m。气井表层套管固井方式为无缝钢管+水泥环，连接方式为丝扣连接，水泥环壁厚：30～50mm，部位：0～506.94m。气层套管固井方式为无缝钢管+水泥环，连接方式为丝扣连接，水泥环壁厚：30～50mm，部位：506.94～2888.47m。中间油管为2-7/8″无缝钢管(N80，EUE)，连接方式为丝扣连接，采用悬吊式固定(井口(颈)固定，井身悬空)；油管内径62mm，外径73mm。表1为气井套管技术参数。图1为气井现场照片。

表1 气井套管技术参数

图1 气井所在地房屋外观及气井孔口装置

2 气井保护煤柱的留设

2.1 煤柱留设参数

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，气井煤柱留设采取垂直剖面法，需要确定的主要参数为气井受护范围和煤层覆岩移动角。

受护范围包括受护边界和围护带宽度。气井井口房屋边界即为受护边界。围护带宽度根据建(构)筑物保护等级确定，气井保护等级按I级考虑，其围护带宽度取20m。

移动角包括走向移动角δ、下山移动角β、上山移动角γ、松散层移动角φ。由于煤层倾角较小，气井煤柱留设按水平煤层考虑，水平煤层只需确定走向移动角δ和松散层移动角φ。由于矿区缺乏实测资料，采用类比法，由煤层覆岩岩性、厚度及其胶结程度、井田构造特征看，煤层覆岩类型为中硬偏软岩层，按中硬覆岩类型进行移动角取值，移动角取值分别为：第四系松散层移动角φ=45°，基岩走向移动角δ=70°。

2.2 气井保护煤柱划定

根据气井所在位置煤层上覆基岩和第四系松散层厚度、移动角取值、围护带宽度，可计算得到气井受护边界外侧保护煤柱宽度为：20+32×cot45°+105×cot70°=90m。由此划定了气井的保护煤柱范围，如图2所示。

图2 气井保护煤柱平面

3 气井保护煤柱开采可行性分析

气井保护煤柱占据了正下方的连采工作面和30101综采工作面部分资源，连采工作面在气井保护煤柱范围内不予开采，而综采面开采宽度的变化导致的设备搬家等工序复杂，对正常生产影响严重。为此，特对30101综采工作面在气井保护煤柱范围内的区域采用限厚开采的可行性进行探讨。按综采支架的最低工作高度确定限厚开采区域的采高为4.0m，连采工作面和30101工作面在气井保护煤柱之外的区域均正常开采，如图2所示。

3.1 地表移动变形预计参数

采用概率积分法进行地表移动变形预计，预计参数与上覆岩层岩性、地质开采技术条件有关，矿井没有地表岩移实测数据，因此参考类似地质采矿条件矿区的实测成果以及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》附表3-1中的参考值，确定的工作面地表移动变形预计参数如下：

下沉系数：η=0.7 (30101综采工作面)

η=0.1 (连采工作面)

主要影响角正切： tanβ=2.0

水平移动系数：b=0.3

开采影响传播角：θ=90°-0.6α(α为煤层倾角)

拐点偏移距：S=0

3.2 气井地表及围岩变形预计结果

采用概率积分法和上述预计参数，对保护煤柱局部开采引起的气井地表发生的移动变形进行了预计，预计得到的地表下沉、水平变形、倾斜分布情况分别见图3～图5，气井井口位置的移动变形值见表2，气井井口地表下沉量为137mm，水平移动量为213mm，水平拉伸变形为12.6mm/m，倾斜变形为10.0mm/m。

图3 气井及周边地表下沉等值线

图4 气井及周边地表水平变形等值线

位置下沉w/mm水平移动/mm水平变形/(mm·m-1)倾斜变形/(mm·m-1)气井井口13721312.610.0

煤层覆岩下沉过程中，覆岩不同层位发生的竖向的拉伸或压缩变形对气井套管及内部管道也将造成一定影响，为此，采用概率积分法分析了气井围岩由地表至煤层不同深度处发生的竖向变形，如图6所示。气井浅部围岩竖向变形以压缩变形为主，全部开采和限厚开采最大压缩变形分别为-3.1mm/m，-2.3mm/m，埋深50m以下气井围岩竖向变形以拉伸变形为主，且量值随着埋深增加而增大，埋深50～120m范围内竖向拉伸变形均小于2.0mm/m，埋深120～140m范围内竖向拉伸变形显著增大且集中，在埋设约135m处竖向拉伸变形最大，分别达46.0mm/m，44.6mm/m，此处位于煤层上部约10m。由气井围岩竖向变形分布情况看，气井在煤层上部5～20m范围内均承受围岩发生的较为集中、量值较大的竖向拉伸变形的影响。

图6 气井套管围岩随深度竖向变形分布

3.3 气井受采动影响分析

当气井留设非全尺寸保护煤柱时，煤层开采引起煤层覆岩向采空区一侧移动和变形的同时，气井从煤层上部某个层位开始由下而上受到煤层覆岩移动的影响，气井井壁、套管、内部输气管道均随之向采空区一侧发生移动和变形，井口地表将发生一定的下沉、平移甚至裂缝等变形，气井井壁及管道发生弯曲等变形。

当保护煤柱较小时，煤层覆岩垮落带或裂缝带可能波及气井井壁，造成井壁较为严重的破坏，对气井套管、输气管道的影响也较为严重；随着保护煤柱尺寸的加大，煤层覆岩破坏区将波及不到气井井壁，此时气井井壁主要承受弯曲下沉带岩层相对连续的移动变形的影响。由于不同深度、不同岩层岩性及完整性情况下井壁套管的受力和变形不同，套管不同位置可能发生弯曲、缩颈、破裂等不同形式的变形或破坏，而内部的输气管道在套管的保护作用下发生的变形或破坏程度可能有所降低[5-7]。

气井井口距离30101工作面开采边界47m，根据覆岩破坏规律，顶板垮落带、裂缝带向采空区外侧发育的空间有限，按照裂采比为20、导水裂缝角74°计算，覆岩破坏采空区外侧边界距开采边界的距离约为23m，由此认为30101工作面在限厚开采条件下覆岩垮落带和裂缝带尚未波及气井井壁；根据移动角计算气井上部约50m的井壁将受到覆岩弯曲下沉带的影响，局部层位可能发生裂隙、裂缝，气井套管与井壁也可能发生局部的裂隙，易形成不同层位含水层间的导水通道。由预计的井口水平变形值看，地表将发生明显的裂缝破坏，井口套管与井壁之间也将产生较大的空隙。

气井套管及内部管道随煤层覆岩移动发生弯曲变形后，管壁内将产生附加应力，将套管简化为一端固支的悬臂梁结构，将井壁对套管的作用力简化为作用于悬臂梁上的均布荷载，以气井井口水平位移值作为悬臂梁的自由端挠度，以此简化分析气井套管在采动影响下的内部附加应力。经分析套管内部附加应力约为4.9MPa，小于钢管的屈服强度。

由上述分析可以认为，30101工作面在气井保护煤柱范围内采用限厚开采后，气井地表发生明显的裂缝破坏，气井套管与井壁间将形成裂隙，易形成不同含水层间的导水通道；气井上段直至井口将向采空区一侧发生移动和弯曲，气井套管、输气管道等发生一定的弯曲变形，弯曲挠度较小，引起的附加弯曲应力也较小；气井在煤层上部5～20m范围内均承受围岩发生的较为集中、量值较大的竖向拉伸变形的影响，有导致气井套管发生拉伸破坏的风险；另外，气井井口有多种地埋式和地上附属管道等设施，且大部分为带压或高压工作状态，井口地表发生的不均匀沉降、水平拉伸或压缩变形也超出了一般工程管网设施的允许变形，因此井口地表变形也对井口附属设施的安全运行形成一定威胁[8]。总体来看，限厚开采方案对气井的正常运行和使用产生不利影响，存在气井套管、内部管道及附属设施发生局部破坏的风险。

4 结束语

(1)依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，以气井外围房屋为受护体，选取维护带宽度20m，第四系松散层移动角φ=45°，基岩走向移动角δ=70°，计算得到气井受护边界外侧保护煤柱水平垂直距离为90m。

(2)在气井保护煤柱外侧局部开采后，气井地表会发生明显的裂缝破坏，气井套管与井壁间将形成裂隙，易形成不同含水层间的导水通道；气井上段直至井口将向采空区一侧发生移动和弯曲，气井套管、输气管道等发生一定的弯曲变形和附加弯曲应力；气井在煤层上部一定范围内承受较为集中的竖向拉伸变形的影响，有导致气井套管发生拉伸破坏的风险；井口地表变形对井口附属设施的安全运行形成一定威胁。总体来看，气井保护煤柱开采对气井的正常运行和使用产生不利影响，存在气井套管、内部管道及附属设施发生局部破坏的风险。整体来看，气井保护煤柱局部开采不可行，为了确保生产安全，建议为气井留设全尺寸保护煤柱。

(3)分析是在假定气井设计和施工质量无缺陷、气井套管自身质量无缺陷的条件下进行的分析，若气井在某些方面存在缺陷或质量问题时，或已受其他煤矿采动影响，将对气井和矿井的生产形成更为不利的影响。因此在采动影响前应着重对煤层覆岩内部气井孔斜及位置进行核实，掌握气井在岩层内的轨迹，若气井在岩层内部偏移量过大，需对保护煤柱尺寸进行相应调整；生产过程中应加强气井破坏引起的灾害防治工作。