寺河煤矿采动区地面钻井破坏特征研究_郝国才.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 寺河煤矿采动区地面钻井破坏特征研究 郝国才 1， 胡胜勇1， 郭向前2， 李 超 2， 张 奡 1， 韩丹丹1， 胡岚清1， 胡江亮3， 胡 斐 1 （1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院， 山西 太原 030024； 2.晋煤集团煤与煤层气共采国家重点实验室， 山西 晋城 048000； 3.太原理工大学 煤科学与技术重点实验室， 山西 太原 030024） 摘要 为了提高寺河煤矿采动区地面钻井的稳定性， 研究采煤过程中地面钻井的失效特征具 有重要意义。研究通过相似试验模拟煤层开挖过程， 以分析地面钻井的高危破坏期、 高危破坏位 置及相应的钻井失效模式。结果表明， 当采煤工作面推过寺河煤矿的采动区地面钻井 150 m 后， 地面钻井处于高危破坏期； 在破坏期内， 钻井高危失效位置易出现在上覆岩层中的硬-软岩层交 界处以及厚-薄-厚组合岩层中； 其中， 钻井在硬-软岩层交界处遭受剪切错断而失效， 在厚-薄- 厚组合岩层内遭受挤压堵塞而失效。 关键词 矿井； 采动区； 地面垂直钻井； 煤层气抽采； 破坏特征 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 03-0049-04 Study on Destruction Characteristics of Surface Vertical Wells in Mining Area of Sihe Coal Mine HAO Guocai1, HU Shengyong1, GUO Xiangqian2, LI Chao2, ZHANG Ao1, HAN Dandan1, HU Lanqing1, HU Jiangliang3, HU Fei1 （1.Faculty of Safety and Emergency Management Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2.State Key Laboratory of Coal and Coalbed Methane Co-mining of Jincheng Mining Group Co., Ltd., Jincheng 048000, China; 3.Key Laboratory of Coal Science and Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China） Abstract To improve the stability of the well in the mining area of Sihe Coal Mine, it is significant to accurately investigate the failure characteristics when wells are severely destroyed. In this study, a physical experiment was carried out for simulating the coal seam excavation process. Based on these, investigating the highest possible failure periods, high-risk failure position and corresponding failure mode of surface vertical wells. The results showed that when the working faces had passed the well in the mining area of Sihe Coal Mine by more than 150 m, the wells were in the most possible failure periods. During those periods, failure positions of the wells are prone to occur at the interfaces of the hard-soft and the thick-thin-thick combined strata structures. Among these, the wells may suffer from horizontal shear at the interfaces of the hard-soft combined rock layers; and the wells in the thick-thin-thick combined rock layers may become distorted by blocking. Key words mine; mining area; surface vertical well; methane extraction; destruction characteristic 采煤过程中利用地面钻井抽采井下卸压瓦斯 不仅可以开发利用煤层气资源，而且能够有效降低 回采工作面瓦斯超限[1]。近年来， 利用地面钻井抽采 煤层气技术在中国急剧发展，并在山西沁水煤田得 到大量应用[2]。然而， 寺河煤矿采动区地面钻井的失 效破坏问题严重，钻井生产效率较低，产气生命周 期相对较短。国内外众多学者对地面钻井的稳定性 进行了相关研究。Whittles 等[3]通过建立数值模型分 析了煤层顶底板岩性对钻井破坏的影响。Liang 等[4] 研究了钻井分布位置对钻井的变形破坏影响大小。 袁亮等[5]研究了钻井直径对其使用寿命的影响。梁 运培等[6]通过数值模拟研究了布井相对位置对钻井 抽采寿命的影响。孙海涛等[7]通过建立复合岩梁模 型描述地面钻井滑移形变，并提出地面钻井破坏失 效的防治措施。 许家林等[8]总结了钻井井身失效的 3 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.010 郝国才， 胡胜勇， 郭向前， 等.寺河煤矿采动区地面钻井破坏特征研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （5 ） 48-51， 57. HAO Guocai, HU Shengyong, GUO Xiangqian, et al. Study on Destruction Characteristics of Surface Vertical Wells in Mining Area of Sihe Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 48-51, 57. 基金项目 山西省联合研究基金资助项目 （2015012008） 移动扫码阅读 48 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 种破坏类型， 并提出接头位置是钻井薄弱环节。 上述 成果主要集中分析影响钻井稳定性的相关因素， 而 缺乏针对采动区钻井破坏特征的相关研究。为了研 究寺河煤矿采动区地面钻井的破坏特征，采用相似 试验模拟煤层开挖过程，并通过监测钻井上各测点 的横向、 竖向位移变化， 获得不同时刻下钻井形变情 况。 基于试验结果， 确定了在山西寺河煤矿采动区地 面钻井的高危破坏期、高危破坏位置以及相应的钻 井失效模式， 并在山西寺河煤矿 5301 工作面的地面 钻井瓦斯抽采中进行了现场测试。 1矿井概况 寺河矿为高瓦斯矿井，位于山西省沁水煤田东 南边缘， 年生产能力可达 1 500 万 t。井田南北走向 长约 12 km，东西倾斜宽约 14.4 km，总面积可达 173.5 km2。矿井目前主要开采 3煤层， 该煤层平均 厚度为 6.5 m， 平均倾角 5， 煤层瓦斯含量和瓦斯压 力分别为 13 m3/t 和 0.29 MPa。其中， 5301 工作面位 于地表以下 350 m 深度处， 走向长 1 549.5 m， 倾向 长 296.5 m。工作面地质构造较简单，为一单斜构 造， 煤层倾角为 2～8。开采过程中一次性开采整个 煤层高度， 并采用全部垮落法管理煤层顶板。 为了有 效解决采煤过程中 5301 工作面瓦斯超限难题， 建立 2 口地面垂直钻井用于抽采井下瓦斯。地面钻井位 置如图 1，其中 1钻井距 53013 回风巷 52 m， 2钻 井距 53013 回风巷 60 m。 2相似模拟试验 试验采用二维相似模拟试验台进行，试验台长 300 cm， 高 235 cm， 宽 20 cm， 采场前后各预留 30 cm 的煤柱。上覆岩层高为 233.4 cm， 直接模拟到地 表松散层， 所以无需液压加载提供额外压力。 试验选 取碳酸钙， 石英砂做骨料， 石膏， 水做胶结材料， 利 用特质器具将岩层水平均匀压实， 并在不同岩层之 间铺设氟金云母粉以模拟自然岩层交界面。模型的 几何相似常数为 1/150， 密度相似常数为 0.62， 应力 相似常数为 0.004 1，时间相似常数为 0.082。5301 工作面的上覆岩层地质柱状图如图 2。 二维相似试验模型正面图如图 3。试验通过布 置典型竖向测线模拟地面钻井， 该竖向测线位于距 开切眼 110 cm 处。在测线上每间隔 8 cm 布置 1 个 位移监测点， 共计 21 个测点。试验采用分步开挖方 式模拟采煤工作面不断推进，每隔 2 h 开挖 5 cm， 模拟实际采煤过程中工作面每天推进 7.5 m。工作 面推进过程中，上覆岩层自下而上出现弯曲下沉， 各测点处会产生横向、 竖向位移变化。当岩层变化 达到相对稳定后， 精确监测各个测点的水平和竖向 位移量大小分布。 3分析与讨论 3.1高危破坏期和破坏位置 工作面推进过程中， 地面钻井的位移大小和分 布如图 4。 当采煤工作面和钻井之间距离分别为 -30、 45、 105、 150、 195 m 时，用 5 条不同的曲线表示相应距 离下的钻井位移量大小及分布。由图 4 （a） 可知， 当 工作面未推过钻井且距离钻井 30 m 时，在煤层上 图 1地面钻井位置图 Fig.1Location of surface vertical wells 图 2上覆岩层地质柱状图 Fig.2Typical stratigraphic column of the overlying strata 49 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 3二维相似试验模型正面图 Fig.3Model of physical modeling test 方 120 m 高度内钻井无明显水平位移变化。然而， 在工作面推过钻井以后，钻井的水平位移随着工作 面推进而快速增大。当工作面推过钻井 150 m 时， 钻井的整体水平位移达到最大，其中在煤层上方 125、 195、 240 m 处，钻井的相对水平位移高达 60～ 75 mm。由图 4 （b） 可知， 当工作面未推过钻井且距 离钻井 30 m 时， 钻井竖向位移小于 20 mm。当工作 面推过钻井后，随着工作面推过钻井距离增加， 钻 井的竖向压缩位移不断增大，且距离煤层越近， 钻 井的竖向位移增加速度越快，并在煤层界面处达到 位移峰值。当工作面推过钻井 150 m 后，钻井竖向 位移大小基本保持不变， 此时在煤层上方 120 m 和 249 m 处钻井的相对竖向位移最大可达 85 mm。 由图 4 可知， 在不同回采时刻下， 钻井变形程度 存在不同，钻井上各位置处的变形程度也不相同。 当钻井的相对水平位移和竖向位移均达到最大时， 钻井极有可能失效破坏[9]。当工作面推过地面钻井 150 m 时， 在煤层上方 125、 195、 240 m 处， 相邻 2 个 测点之间的相对水平位移达到最大。在煤层上方 120 m 和 249 m 处相邻 2 个测点的相对竖向位移趋 于最大。基于此， 确定当工作面推过钻井 150 m 后， 地面钻井处于高危破坏期。此时，失效破坏往往发 生在钻井上较大的位移突变处。因此，地面钻井的 高危失效位置分布如下 ①煤层上方 125 m 附近处 的中粒砂岩和砂质泥岩的组合岩层交界处；②煤层 上方 195 m 处的中粒砂岩和细粒砂岩的组合岩层 交界处； ③煤层上方 240～249 m 处的 “砂质泥岩-粉 砂岩-砂质泥岩” 的组合岩层内。 3.2钻井破坏模式 钻井在高危破坏位置处的变形示意如图 5。其 中，煤层上方 125 m 和 195 m 处为硬-软组合岩层 交界面，地面钻井在岩层交界处的相对水平位移较 大而竖向位移变化较小。由图 5 （a） 可知， 在采动应 力影响下，地面钻井在软岩层中的水平位移是硬岩 层中位移量的 3～5 倍， 故在两岩层交界处会产生较 大的相对水平位移，并形成钻井剪切区域，这将导 致钻井在两岩层交界处剪切错断而失效[10]。 在煤层上方 240～249 m 处为砂质泥岩-粉砂 岩-砂质泥岩的组合岩层。在该组合岩层中， 上方的 砂质泥岩层厚 26 m， 下方的砂质泥岩层厚 37 m， 中 间的粉砂岩仅厚 3 m，这 3 种不同厚度的岩层构成 了 “厚-薄-厚” 的组合岩层。由图 5 （b） 可知， 在采动 应力影响下，中间的粉砂岩层受到上、下方厚砂质 泥岩层的相互剪切作用，导致粉砂岩层的水平和垂 直位移均相对较大，从而在组合岩层中形成钻井挤 压堵塞区域，钻井可能在此区域内遭受挤压而堵塞 失效[11-12]。 4工程验证 工作面推进过程中钻井瓦斯参数变化如图 6。 由图 6 （a） 可知， 当工作面推过 1钻井 100 m 内 时，地面钻井抽采瓦斯处于相对稳定时期。当工作 面推过钻井 100 m 后，瓦斯浓度和流量均开始衰 图 4钻井的位移大小和分布 Fig.4Displacement of the surface vertical well and its axial distribution 50 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 减，钻井抽采瓦斯处于衰减时期。工作面推过钻井 159 m 后， 瓦斯浓度和流量分别降至 5.6和 0， 钻井 不能采气而失效。由图 6 （b） 可知， 当工作面推过钻 井 95 m 后， 瓦斯流量和瓦斯浓度均开始衰减， 在工 作面推过钻井 163 m 后，瓦斯浓度降低至 2.4， 而 瓦斯流量为 0， 钻井失效。1钻井和 2钻井失效时， 工作面分别推过钻井 159 m 和 163 m。对失效后的 1、 2钻井窥视后发现， 1钻井在煤层上方 246 m 处 剪切错断而失效破坏， 2钻井在煤层上方 248.5 m 遭受钻井围岩挤压而发生堵塞失效。1钻井和 2钻 井的破坏位置均位于“砂质泥岩-粉砂岩-砂质泥 岩” 的岩层组合中。 5结论 1） 在工作面不同回采时刻下钻井的变形程度不 同，在工作面同一回采时刻下钻井的不同位置处变 形程度也不同。当工作面推过寺河煤矿的采动区地 面钻井 150 m 后， 钻井处于高危破坏期。 2） 寺河煤矿采动区地面钻井的高危破坏位置易 出现在煤层上方硬-软组合岩层交界处，钻井以剪 切错断的模式失效破坏； 另外， 地面钻井的高危破坏 位置也可能出现在煤层上覆岩层中的厚-薄-厚组 合岩层内， 钻井遭受挤压堵塞而失效。 参考文献 ［1］ 许家林， 钱鸣高.地面钻井抽放上覆远距离卸压煤层 气试验研究 ［J］ .中国矿业大学学报 （自然科学版） ， 2000， 29 （1） 78-81. ［2］ 李日富， 梁运培， 张军.地面钻孔抽采采空区瓦斯效率 影响因素 ［J］ .煤炭学报， 2009 （7） 942-946. ［3］ Whittles D N, Lowndes I S, Kingman S W, et al.The sta- bility of methane capture boreholes around a long wall 图 5钻井在高危破坏位置变形示意图 Fig.5Schematic diagram of the surface vertical well deation at the highest possible failure position 图 6工作面推进过程中钻井瓦斯参数变化 Fig.6Changes in methane parameters of surface vertical well during working face advancement （下转第 57 页） 51 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 料干缩变形的影响及机理 ［J］ .硅酸盐通报， 2017， 36 （7） 2348-2353. ［8］ Khaloo A, Mobini M H, Hosseini P. 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