孟召平,郝海金,張典坤,張貝貝,歐龍軍

(1.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北宜昌 443002;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083;3.國家能源煤與煤層氣共采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西晉城 048204)

晉城成莊井田煤層氣直井開發(fā)后煤層底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)

孟召平1,2,郝海金3,張典坤3,張貝貝2,歐龍軍2

(1.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北宜昌 443002;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083;3.國家能源煤與煤層氣共采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西晉城 048204)

以晉城礦區(qū)成莊井田為依托,分析煤層氣開發(fā)后煤層底板巖石破裂壓力、地應(yīng)力、煤層底板含水層水壓和隔水層有效厚度等條件,建立了煤層氣開發(fā)后煤層底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)理論與方法,揭示煤層氣直井開發(fā)對煤炭開采底板突水影響機(jī)制。研究結(jié)果表明:煤層氣井煤層底板完井深度和采動(dòng)礦壓與承壓水的水壓使煤層底板隔水層形成貫通的破裂,如果隔水層中的最小水平主應(yīng)力大于承壓水的水壓,從應(yīng)力方面,就不會(huì)發(fā)生突水,如果相反,就會(huì)發(fā)生突水;煤層氣井煤層底板完井深度和采動(dòng)礦壓與承壓水的水壓未能使底板隔水層形成貫通的破裂,開采煤層承受的水壓與煤層到主要含水層間有效隔水層厚度之比,決定了煤層底板突水危險(xiǎn)性。根據(jù)煤層底板隔水層巖石破裂壓力、水壓和水壓與隔水層厚度比值等關(guān)鍵參數(shù),將煤層底板突水危險(xiǎn)性劃分為安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全性差或有危險(xiǎn)(III)和安全性極差或極有危險(xiǎn)(Ⅳ)4類。成莊井田太原組15號(hào)煤層距奧灰含水層間距小,且變化大,煤層氣垂直井開發(fā)后煤炭開采受奧灰水威脅。如果9號(hào)煤層氣完井深度與煤炭開采底板破壞深度15 m相同計(jì)算,煤層底板突水危險(xiǎn)性主要為中等安全,僅在深部存在突水危險(xiǎn)性;煤層氣開發(fā)后3號(hào)煤層開采過程中不會(huì)發(fā)生底板突水。

煤層氣;直井開發(fā);煤層底板;突水危險(xiǎn)性;晉城成莊井田

煤層氣開發(fā)直井一般都在煤層底板下40～50 m完井[1],對于華北型石炭—二疊系煤田煤層下伏奧陶系灰?guī)r含水層(簡稱奧灰含水層),如果煤層到奧灰含水層之間層間距小,煤層氣開采對地下隔水層很容易產(chǎn)生擾動(dòng)破壞,在煤層氣開發(fā)后煤炭開采存在底板突水危險(xiǎn)性。因此,研究煤層氣開發(fā)后地下水與采掘的關(guān)系,揭示煤層氣開發(fā)后對未來煤炭開采突水危險(xiǎn)性影響機(jī)制,并采取相應(yīng)措施,對于未來煤炭安全開采具有理論和實(shí)際意義。

關(guān)于煤炭開采底板突水及防治研究方面,我國學(xué)者開展了大量研究,建立了煤層底板突水評價(jià)理論與方法,并取得了顯著進(jìn)展和成效[2-6]。20世紀(jì)60年代我國學(xué)者總結(jié)了大量突水案例,從促發(fā)與阻抗突水兩方面的諸多因素中篩選出含水層水壓和隔水層厚度兩個(gè)主要因子,提出了突水系數(shù)的概念,建立了突水系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式并很快在全國推廣使用,一直沿用至今[2-4]。由于煤層氣開發(fā)都要采取增產(chǎn)強(qiáng)化措施,煤層氣鉆井工程和水力壓裂對煤層頂?shù)装搴偷V井充水條件產(chǎn)生影響,對未來煤炭安全開采帶來影響,至今有關(guān)煤層氣井開發(fā)對未來煤炭開采影響研究的文獻(xiàn)資料不多。孟召平等[7]分析了煤層氣隨地下水運(yùn)移逸散作用和水力封閉控氣作用;進(jìn)一步分析了水文地質(zhì)條件對煤層氣開采的影響。宋志敏等[8]針對沁水盆地煤層氣開發(fā)實(shí)際,基于濾失效應(yīng)下的水力壓裂預(yù)測模型評價(jià)了水力壓裂效果,探討了壓裂裂縫對煤層頂?shù)装宓挠绊?。雷波等[9]以山西省晉城礦區(qū)寺河煤礦3號(hào)煤層某個(gè)回采工作面為例,通過礦井煤層壓裂效果觀測,采用有限元方法,模擬了煤層氣井水力壓裂對煤炭安全生產(chǎn)的影響,并指出在水力壓裂裂縫延伸的端部處出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中區(qū)域和局部應(yīng)力減少區(qū)域并存的現(xiàn)象,進(jìn)而影響煤炭開采回采工作面應(yīng)力分布。楊焦生等[10]采用大尺寸(300 mm× 300 mm×300 mm)真三軸試驗(yàn)系統(tǒng),研究了地應(yīng)力、天然割理裂縫、隔層及界面性質(zhì)對沁水盆地高煤階煤巖的水力裂縫擴(kuò)展行為及形態(tài)的影響。Warpinski和Anderson以及Hanson M E研究了水力裂縫穿越隔層的條件和行為[11-13]。楊海亮[14]從鉆孔過程和排采過程,探討了煤層氣地面開發(fā)對地下水的影響,但是并未考慮對后期煤炭開采的影響以及防護(hù)措施。由于準(zhǔn)確的煤層氣井開發(fā)(鉆井和水力壓裂)對煤層底板擾動(dòng)破壞和煤層氣開發(fā)后地下水與采掘的關(guān)系資料相對缺乏,相關(guān)研究成果不多,使對煤層氣開發(fā)后煤炭開采底板突水危險(xiǎn)性認(rèn)識(shí)受到一定限制。因此筆者以晉城礦區(qū)成莊井田為依托,分析煤層氣開發(fā)后地下水與采掘的關(guān)系,揭示煤層氣直井開發(fā)對煤炭開采底板突水影響機(jī)制;建立了煤層氣開發(fā)后煤炭開采底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)理論與方法,為煤炭安全開采提供可靠的地質(zhì)保障。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

成莊礦位于沁水煤田南端,晉城市西北20 km處,跨澤州和沁水兩縣。于1989-12-20開工建設(shè), 1997-09-19正式驗(yàn)收移交投產(chǎn),原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400萬t/a,設(shè)計(jì)服務(wù)年限94 a。2005年核實(shí)生產(chǎn)能力為800萬t,2005年原煤產(chǎn)量實(shí)際達(dá)到800萬t。成莊井田構(gòu)造上位于沁水盆地東南端,主要為一走向北北東(北部)逐漸轉(zhuǎn)折為北東向(南部)、傾向北西的單斜構(gòu)造。地層平緩,傾角3°～15°,在此單斜基礎(chǔ)上發(fā)育著幅度不大的兩翼平緩、開闊的背向斜褶皺構(gòu)造。伴有少數(shù)落差較小,延伸長度較短的高角度正斷層。研究區(qū)地層為典型的華北地區(qū)地層,含煤地層主要為上古生界石炭—二疊系,主要煤層為山西組3號(hào)煤層、太原組9號(hào)煤層和15號(hào)煤層,為高變質(zhì)無煙煤,煤層含氣量較大,是煤層氣勘探開發(fā)的目標(biāo)層。成莊井田目前礦井只開采3號(hào)煤層,一盤區(qū)已回采完畢,二、三、四盤區(qū)正在開采。在煤層開采前進(jìn)行地面煤層氣抽采,煤層氣鉆井一般下到石炭系太原組15號(hào)煤下部40～50 m。根據(jù)地質(zhì)資料,該區(qū)奧灰含水層水位標(biāo)高為454.70～535.00 m;而煤層開采標(biāo)高為420～730 m,奧灰含水層的水位要高出各煤層底板0～112 m。在這種情況下,煤層氣鉆井有導(dǎo)通奧灰水的可能。目前,山西藍(lán)焰煤層氣公司已在晉城礦區(qū)成莊礦范圍內(nèi)施工煤層氣井260余口,該區(qū)煤層氣開發(fā)均采用聯(lián)層開采方式,即3號(hào)、9號(hào)、15號(hào)煤同時(shí)開采煤層氣。生產(chǎn)實(shí)踐表明,某些井液面遲遲不能下降,一直維持在3號(hào)煤層上面,液面降低困難,有可能與煤層底部奧陶系灰?guī)r含水層水形成了溝通,在煤層氣開發(fā)后煤炭開采過程中有可能存在突水隱患。

2 基于煤層底板應(yīng)力、破裂壓力和厚度的突水危險(xiǎn)性評價(jià)理論與方法

2.1 煤層底板應(yīng)力、破裂壓力對突水的控制

在巖石力學(xué)中,“水壓致裂”(hydraulic fracturing)一詞是指在密封裸孔中注入一定壓力水,使巖石發(fā)生張性破裂,是經(jīng)典的流固耦合作用下的滲流破壞問題,該現(xiàn)象與巖層破斷突水具有相同的力學(xué)原理。在最初的水壓致裂理論中,一個(gè)基于線彈性的破裂力學(xué)理論,一直被廣泛地使用。煤層底板巖石破裂壓力(Pf)反映了巖石抗水壓的能力,即

式中,σhmax和 σhmin分別為最大和最小水平主應(yīng)力,MPa;T為巖石抗拉強(qiáng)度,MPa;P0為初始孔隙壓力,MPa。

煤層底板突水的力學(xué)條件是:

(1)若煤層底板巖石破裂壓力大于水壓(Pf＞Pw),從巖體強(qiáng)度方面,則不產(chǎn)生突水,其突水危險(xiǎn)性取決于水壓與隔水層厚度比值(即突水系數(shù));

(2)若煤層底板巖石破裂壓力小于水壓(Pf＜Pw),則有可能突水。其突水與否主要取決于最小水平主應(yīng)力(σhmin)。

煤層底板突水的地質(zhì)力學(xué)條件[15]如下:

(1)煤層氣井煤層底板完井深度h2和采動(dòng)礦壓與承壓水的水壓使底板隔水層形成貫通的破裂,即

其中,h1,h3分別為采動(dòng)破壞深度和水壓破壞深度,m;h2為煤層氣井煤層底板完井深度,m;M為底板隔水巖層厚度,m。即無論它是地質(zhì)構(gòu)造作用先期形成的,還是后來煤層氣開發(fā)鉆井及壓裂改造和煤炭開采工程中煤層底板采動(dòng)破壞造成的,只要使底板隔水巖層破壞至一定深度,且與下部承壓水導(dǎo)升高度相溝通或波及到下部含水層時(shí),其巖體強(qiáng)度就會(huì)降低,造成底板滲流強(qiáng)度增大,但這時(shí)不一定突水,如果煤層底板隔水層中最小水平主應(yīng)力大于承壓水的水壓,即Pw＜σhmin,從應(yīng)力方面,就不會(huì)發(fā)生突水,其突水危險(xiǎn)性取決于水壓與隔水層厚度比值(即突水系數(shù));如果相反,就會(huì)發(fā)生突水。

(2)煤層氣井煤層底板完井深度h2和采動(dòng)礦壓與承壓水的水壓未能使底板隔水層形成貫通的破裂,即

這時(shí)不會(huì)產(chǎn)生壓裂擴(kuò)容作用突水,其安全性取決于有效隔水層厚度。

(3)煤層氣井煤層底板完井深度為h2和采動(dòng)礦壓與承壓水的水壓使底板隔水層產(chǎn)生貫通的破裂,且承壓水的水壓大于隔水層中的最小水平主應(yīng)力,這時(shí)產(chǎn)生壓裂擴(kuò)容作用而突水,即

當(dāng)h1＞h2時(shí)

當(dāng)h1≤h2時(shí)

如開灤礦區(qū)在地震以后,一些礦井涌水量增大,突水次數(shù)明顯上升,其原因是地震后地應(yīng)力釋放,使地應(yīng)力減小,特別是斷裂帶中地應(yīng)力的下降幅度很大,這樣在震前不出水的,震后在同樣條件下就有可能出水。

2.2 突水系數(shù)

煤層底板隔水層厚度是指開采煤層底板至含水層頂面之間隔水巖層的厚度。煤層底板抗水壓能力除與煤層底板巖石破裂壓裂有關(guān)外,還與煤層底板隔水層厚度有關(guān)。根據(jù)開灤范各莊礦12煤層底板突水資料統(tǒng)計(jì)表明,該區(qū)煤層底板泥巖極限厚度與水壓之間呈正相關(guān)關(guān)系[1-2]。

根據(jù)國內(nèi)一些礦井和礦區(qū)以往承壓水體上開采過程中突水和未發(fā)生突水工作面的底板承受的極限水壓Pw與底板隔水層厚度h關(guān)系的資料統(tǒng)計(jì),得出Pw與h具有二次冪函數(shù)關(guān)系,即

其中,a,b和c為與突水地質(zhì)條件相關(guān)的回歸系數(shù)。這些均表明,煤層底板抗水壓能力與煤層底板隔水層厚度呈正相關(guān)關(guān)系。

煤層氣井煤層底板完井深度和采動(dòng)礦壓與承壓水的水壓未能使底板隔水層形成貫通的破裂,煤層底板隔水層承受的水壓與煤層到含水層間有效隔水層厚度之比,決定了煤層底板突水危險(xiǎn)性。

當(dāng)水壓與隔水層厚度比值小于臨界突水系數(shù)時(shí),可以安全回采,否則應(yīng)采取防治水措施保證安全生產(chǎn)。

我國學(xué)者早在1964年就開始了底板突水規(guī)律的研究,并在焦作水文會(huì)戰(zhàn)中,以煤炭科學(xué)研究總院西安分院為代表,提出了采用突水系數(shù)作為預(yù)測預(yù)報(bào)底板突水與否的標(biāo)準(zhǔn)。突水系數(shù)就是單位隔水層所能承受的極限水壓值,即

式中,Ts為突水系數(shù)。

突水系數(shù)在數(shù)值上相當(dāng)于“相對隔水層厚度”的倒數(shù)。20世紀(jì)七八十年代,煤炭科學(xué)研究總院西安分院水文所曾先后兩次對突水系數(shù)的表達(dá)式進(jìn)行了修改。在考慮礦壓和水壓破壞因素時(shí),從隔水層厚度中減去了礦壓和水壓對底板的破壞深度。

如果考慮煤層氣井在煤層底板完井深度時(shí),從隔水層厚度中減去礦壓和水壓對底板的破壞深度和煤層氣井在煤層底板完井深度。

2.3 突水危險(xiǎn)性評價(jià)分類

煤層底板突水危險(xiǎn)性受控于煤層底板巖石破裂壓力、地應(yīng)力、煤層底板含水層水壓和隔水層有效厚度等條件,因此,根據(jù)煤層底板隔水層巖石破裂壓力、水壓和突水系數(shù)(表1)等關(guān)鍵參數(shù),將煤層底板突水危險(xiǎn)性劃分為安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全性差或有危險(xiǎn)(III)和安全性極差或極有危險(xiǎn)(Ⅳ)4類,見表1。

(1)安全(Ⅰ):煤層底板巖體力學(xué)強(qiáng)度高,抗水壓能力強(qiáng),隔水性能好,采掘工程一般不受水害影響;防治水工作簡單。

表1 煤層底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)分類Table 1 Evaluation classification of water inrush risk for coal floor

(2)安全中等(II):煤層底板巖體力學(xué)強(qiáng)度中等,抗水壓能力中等,隔水性能中等,采掘工程受水害影響,但不威脅礦井安全生產(chǎn);防治水工作簡單或易于進(jìn)行。

(3)有危險(xiǎn)(III):煤層底板巖體力學(xué)強(qiáng)度較差,抗水壓能力差,隔水性差,采掘工程受水害威脅大;防治水工程量較大,難度較高,防治水的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果較差。

(4)極有危險(xiǎn)(Ⅳ):煤層底板巖體力學(xué)強(qiáng)度極低,抗水壓能力極差,隔水性極差,礦井突水頻繁,來勢兇猛,含泥砂率高,采掘工程、礦井安全受水害嚴(yán)重威脅;防治水工程量大,難度高,往往難以治本,或防治水的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果極差。

3 成莊井田煤層底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)

3.1 煤層底板巖體應(yīng)力、破裂壓力和水壓力

在煤層氣開發(fā)中采用水力壓裂方法對沁水盆地南部主采煤層原巖應(yīng)力進(jìn)行了測量。根據(jù)沁水盆地南部1 200 m以淺的45個(gè)主采煤層原巖應(yīng)力資料統(tǒng)計(jì)表明[16-19]:

(1)研究區(qū)二疊系山西組3號(hào)煤層在埋藏深度334.90～1 122.3 m 內(nèi),煤層破裂壓力 6.44～27.74 MPa,平均12.21 MPa;破裂壓力梯度1.49～2.96 MPa/(100 m),平均2.01 MPa/(100 m);閉合壓力3.30～26.40 MPa,平均10.05 MPa;閉合壓力梯度 0.99～2.85 MPa/(100 m),平均 1.70 MPa/ (100 m)。煤儲(chǔ)層壓力 1.34～12.60 MPa,平均4.41 MPa;煤儲(chǔ)層壓力梯度 0.28～1.08 MPa/ (100 m),平均0.71 MPa/(100 m)。

(2)石炭系太原組 15號(hào)煤層在埋藏深度429.0～1 077.65 m 內(nèi),煤層破裂壓力 10.30～23.60 MPa,平均14.62 MPa;破裂壓力梯度1.62～2.71 MPa/100 m,平均2.17 MPa/(100 m);閉合壓力8.00～20.76 MPa,平均12.51 MPa;閉合壓力梯度1.37～2.26MPa/(100m),平均 1.85 MPa/ (100 m);煤儲(chǔ)層壓力 2.67～12.63 MPa,平均5.42 MPa;煤儲(chǔ)層壓力梯度 0.46～1.18 MPa/ (100 m),平均0.78 MPa/(100 m)。

根據(jù)煤層底板的埋藏深度、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和儲(chǔ)層壓力計(jì)算模型[9]以及奧陶系灰?guī)r含水層水位觀測資料,編制了成莊井田15號(hào)煤層底板巖體最小水平主應(yīng)力和破裂壓力以及15號(hào)煤層底板受奧陶系灰?guī)r含水層水壓分布圖,如圖1,2所示。對比圖1,2可以看出,成莊礦15號(hào)煤層底板巖體最小水平主應(yīng)力 6.80～11.48 MPa,破裂壓力 8.31～13.31 MPa,15號(hào)煤層底板受奧灰含水層的水壓力為1.11～2.39 MPa。

圖1 15號(hào)煤層底板最小水平主應(yīng)力和巖石破裂壓力等值線Fig.1 Isoline map of minimum horizontal principal stress and rock fracture pressure in the No.15 coal floor

圖2 奧灰含水層水壓等值線Fig.2 Hydraulic isoline map of the Ordovician limestone aquifer

研究區(qū)內(nèi)水壓(Pw)/最小水平主應(yīng)力(σhmin)比值為0.12～0.31,平均為0.22;水壓(Pw)/破裂壓力(Pf)比值為0.009～0.037,平均為0.021,因此成莊礦15號(hào)煤層底板巖體最小水平主應(yīng)力(σhmin)和破裂壓力(Pf)均大于煤層底板水壓(Pw)。因此從煤層底板巖體應(yīng)力和強(qiáng)度方面看,在無斷裂破壞和卸壓條件下是不會(huì)發(fā)生底板突水的。其突水危險(xiǎn)性取決于水壓與隔水層厚度比值(即突水系數(shù))。

3.2 水壓與隔水層厚度比值

3.2.1 主采煤層至奧灰含水層之間巖性和厚度

本區(qū)煤系為海陸交替相含煤沉積,巖性由砂巖、粉砂巖、泥巖、灰?guī)r和煤組成,沉積旋回明顯,縱、橫剖面上巖性具一定變化(表2和圖3)。

表2 主采煤層與奧灰含水層之間巖性和厚度統(tǒng)計(jì)Table 2 Lithology and thickness statistics between the main coal seam and the Ordovician limestone aquifer

如表2和圖3所示,對主采煤層開采充水和安全構(gòu)成威協(xié)的底板主要含水層為奧陶系灰?guī)r含水層。

太原組15號(hào)煤層距奧灰含水層間距小,其間距為4.45～44.5 m,平均為16.27 m,且變化大,巖性主要為泥巖,平均占86.37%,煤炭開采受奧灰水威脅最大。太原組9號(hào)煤層距奧灰含水層間距較大,其間距為46.46～83.50 m,平均為58.57 m,其中9號(hào)煤層到 15號(hào)煤層之間間距變化不大,為 28.18～48.07 m,平均為38.5 m,其巖性主要為砂巖、灰?guī)r和泥巖,其中泥巖百分比含量平均為40.44%。山西組3號(hào)煤層距奧灰含水層間距大,其間距為93.10～128.40 m,平均為107.72 m,且變化也不大,其中3號(hào)煤層-9號(hào)煤層間距為38.48～56.04 m,平均為48.12 m,泥巖百分比含量平均為65.02%。煤層底板奧灰含水層只有在導(dǎo)水構(gòu)造破壞隔水層的完整性時(shí)才有可能向3號(hào)煤層采區(qū)突水。

圖3 成莊井田沿煤層走向和傾向沉積斷面Fig.3 Deposition profile along coal seam strike and dip in Chengzhuang mine field

3.2.2 3號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性

根據(jù)理論計(jì)算和現(xiàn)場探測可知,本區(qū)煤炭開采底板破壞深度一般為15～20 m;按煤層氣鉆井在3號(hào)煤下部40 m完井計(jì)算,煤層氣開發(fā)后煤炭開采過程中煤層底板突水危險(xiǎn)性按式(11)計(jì)算,如圖4所示。本區(qū)煤層氣開發(fā)后3號(hào)煤層煤炭開采過程中不會(huì)發(fā)生煤層底板突水,突水危險(xiǎn)性類型主要為安全(Ⅰ)和中等安全(II)類型。

3.2.3 9號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性

同樣,按煤層氣鉆井在9號(hào)煤下部40 m完井計(jì)算,煤層氣開發(fā)后煤炭開采過程中煤層底板突水危險(xiǎn)性按式(11)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖5(a)所示。

圖4 煤層開發(fā)后3號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)Fig.4 Water inrush risk of the No.3 coal seam after CBM development

圖5 煤層氣開發(fā)后9號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)Fig.5 Water inrush risk of the No.9 coal seam after CBM development

本區(qū)煤層氣開發(fā)后9號(hào)煤層煤炭開采過程中的中、深部煤層底板存在突水危險(xiǎn)性,淺部為中等安全,煤層底板突水危險(xiǎn)性類型主要為中等安全(II)、安全性差或有危險(xiǎn)(III)和安全性極差或極有危險(xiǎn)(Ⅳ)3類(圖5(a))。

如果煤層氣鉆井完井深度與煤炭開采底板破壞深度15 m相同計(jì)算,煤層底板突水危險(xiǎn)性主要為中等安全(II),僅在深部存在突水危險(xiǎn)性(III)(圖5(b))。

3.2.4 15號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性

如上分析可以看出,太原組15號(hào)煤層距奧灰含水層間距小,且變化大,煤炭開采受奧灰水威脅最大。在不考慮煤層氣開發(fā)和煤炭開采煤層底板破壞深度影響下,煤層底板存在突水危險(xiǎn)性,其危險(xiǎn)性類型為安全性差或有危險(xiǎn)(III)和安全性極差或極有危險(xiǎn)(Ⅳ)2種類型(圖6)。如果考慮煤層氣開發(fā)和煤炭開采煤層底板破壞深度影響,主要為安全性極差或極有危險(xiǎn)(Ⅳ)類型。

圖6 15號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)Fig.6 Water inrush risk of the No.15 coal seam

4 結(jié) 論

(1)煤層底板突水危險(xiǎn)性受控于煤層底板巖石破裂壓力、地應(yīng)力、煤層底板含水層水壓和隔水層有效厚度等條件。

(2)煤層氣井煤層底板完井深度h2和采動(dòng)礦壓與承壓水的水壓使底板隔水層形成貫通的破裂;如果隔水層中的最小水平主應(yīng)力大于承壓水的水壓,即Pw＜σhmin,從應(yīng)力方面,就不會(huì)發(fā)生突水,其突水危險(xiǎn)性取決于水壓與隔水層厚度比值;如果相反,就會(huì)發(fā)生突水。

(3)煤層氣井煤層底板完井深度和采動(dòng)礦壓與承壓水的水壓未能使底板隔水層形成貫通的破裂,開采煤層承受的水壓與煤層到主要含水層間有效隔水層厚度之比,決定了煤層底板突水危險(xiǎn)性。

(4)根據(jù)煤層底板隔水層巖石破裂壓力、水壓和突水系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù),將煤層底板突水危險(xiǎn)性劃分為安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全性差或有危險(xiǎn)(III)和安全性極差或極有危險(xiǎn)(Ⅳ)4類。

(5)成莊井田太原組15號(hào)煤層距奧灰含水層間距小,且變化大,煤層氣垂直井開發(fā)后煤炭開采受奧灰水威脅;9號(hào)煤層如果煤層氣鉆井完井深度與煤炭開采底板破壞深度15 m相同計(jì)算,煤層底板突水危險(xiǎn)性主要為中等安全,僅在深部存在突水危險(xiǎn)性;煤層氣開發(fā)后3號(hào)煤層煤炭開采過程中不會(huì)發(fā)生煤層底板突水。

[1] 孟召平,劉翠麗,紀(jì)懿明.煤層氣/頁巖氣開發(fā)地質(zhì)條件及其對比分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(5):728-736.

Meng Zhaoping,Liu Cuili,Ji Yiming.Geological conditions of coal bed methane and shale gas exploitation and their comparison analysis[J].Journal of China Coal Society,2013,38(5):728-736.

[2] 孟召平,高延法,盧愛紅.礦井突水危險(xiǎn)性評價(jià)理論與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[3] Meng Zhaoping,Li Guoqing,Xie Xiaotong.A geological assessment method of floor water inrush risk and its application[J].Engineering Geology,2012,143-144:51-60.

[4] Zhang J C,Shen B H.Coal mining under aquifers in China:A case study[J].International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences,2004,41:629-639.

[5] 王作宇,劉鴻泉.承壓水上采煤[M].北京:煤炭工業(yè)出版社, 1993.

[6] 李白英,預(yù)防礦井底板突水的“下三帶”理論及其發(fā)展與應(yīng)用[J].山東礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1999,8(4):11-18.

Li Baiying.“Down three zones”for predicting water inrush from coal bed floor aquifer theory,development and application[J].Journal of Shandong Mining Institute,1999,8(4):11-18.

[7] 孟召平,田永東,李國富.煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)理論與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[8] 宋志敏,任建剛,張子戌,等.煤層氣井水力壓裂及對煤層頂?shù)装宓挠绊懷芯縖J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2012,39(5):32-35.

Song Zhimin,Ren Jiangang,Zhang Zixu,et al.Study on hydraulic fracturing of CBM wells and its influence on coal seam roof and floor [J].Mining Safety and Environmental Protection,2012,39(5):32-35.

[9] 雷 波,秦 勇,吳財(cái)芳,等.水力壓裂裂縫對煤層回采工作面應(yīng)力的影響[J].煤礦安全,2012,43(12):12-14.

Lei Bo,Qin Yong,Wu Caifang,et al.The influence of hydraulic fracturing fissures on coal seam mining face stress[J].Coal Mine Safety,2012,43(12):12-14.

[10] 楊焦生,王一兵,李安啟,等.煤巖水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(1):73-77.

Yang Jiaosheng,Wang Yibing,Li Anqi,et al.Experimental study on propagation mechanism of complex hydraulic fracture in coal-bed [J].Journal of China Coal Society,2012,37(1):73-77.

[11] Warpinski N R,Clark J A,Schmidt R A,et al.Laboratory investigation on the effect of in-situ stresses on hydraulic fracture containment[J].SPE 9834,1982.

[12] Anderson G D.The effects of mechanical and frictional rock properties on hydraulic fracture growth near unbonded interfaces [J].SPE 8347,1981.

[13] Hanson M E,Anderson G D,Shaffer R J,et al.Some effects of stress,friction and fluid flow on hydraulic fracturing[J].SPE 9831,1981.

[14] 楊海亮.煤層氣地面開發(fā)對環(huán)境的影響及防護(hù)對策[J].能源環(huán)境保護(hù),2009,23(3):26-30.

Yang Hailiang.Effects of CBM ground development on environment and its protection countermeasures[J].Energy Environmental Protectiony,2009,23(3):26-30.

[15] 彭蘇萍,王金安.承壓水體上安全采煤[J].北京:煤炭工業(yè)出版社,2001.

[16] 孟召平,田永東,李國富.沁水盆地南部煤儲(chǔ)層滲透性與地應(yīng)力之間關(guān)系和控制機(jī)理[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2009,19(10):1142-1148.

Meng Zhaoping,Tian Yongdong,Li Guofu.Relationship between permeability of coal reservoirs and in-situ stress in southern Qinshui Basin and its controlling mechanism[J].Progress in Natural Science,2009,19(10):1142-1148.

[17] 孟召平,田永東,李國富.沁水盆地南部地應(yīng)力場特征及其研究意義[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(6):975-981.

Meng Zhaoping,Tian Yongdong,Li Guofu.Characteristics of in-situ stress field in southern Qinshui Basin and its research significance [J].Journal of China Coal Society 2010,35(6):975-981.

[18] Meng Zhaoping,Zhang Jincai,Wang Rui.In-situ stress,pore pressure,and stress-dependent permeability in the Southern Qinshui Basin[J].International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences,2011(48):122-131.

Assessment of water inrush risk of coal floor after CBM development using vertical wells at Chengzhuang mine field in Jincheng

MENG Zhao-ping1,2,HAO Hai-jin3,ZHANG Dian-kun3,ZHANG Bei-bei2,OU Long-jun2

(1.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area,Ministry of Education,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;2.College of Geosciences and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;3.State Energy Key Laboratory of Joint Exploitation of Coal and Coal-Bed Methane,Jincheng 048204,China)

At Chengzhuang mine field in Jincheng mining area,the fracture pressure of coal floor rock,in situ stress, the hydraulic pressure of aquifer in the coal floor and the aquifuge thickness were analyzed after coal-bed methane (CBM)development.The theory and method for evaluating water inrush risk in coal floor after CBM development were developed.The influence mechanism of CBM vertical wells development on coal floor water inrush during coal miningwas obtained.The results show that the completion depth of CBM wells,the underground pressure in coal mining and the water pressure make the aquifuge in the coal floor break through rupture.If the minimum horizontal stress in aquifuge is greater than the hydrostatic pressure of confined water,the water inrush would not occur,otherwise,the water inrush would occur.If the completion depth of CBM wells and the underground pressure in mining and the water pressure of confined water do not make coal floor aquifuge break through rupture,the ratio of water pressure of the aquifer in the coal floor to effective aquifuge thickness between coal seam and the aquifer determines the water inrush risk of the coal floor.According to key parameters of the fracture pressure of coal floor rock,water pressure and the ratio of water pressure to aquifuge thickness,the water inrush risk in the coal floor is divided into four types:safety(I),medium safety(II),poor safety or danger(III)and extremely dangerous(IV).The distance between No.15 coal seam of Taiyuan formation and the Ordovician limestone aquifer is small,and the variation is large.The coal mining after CBM vertical wells development is threatened by the confined water in Ordovician limestone.Water inrush from No.3 coal floor does not occur in coal mining after CBM development.If the completion depth of CBM wells for No.9 coal seam and the coal floor damage depth caused by the coal mining are same according to the calculation under coal floor 15 m,the water inrush risk of coal floor is mainly the type of medium safety,however,there is a water inrush risk in the deep area.

coal-bed methane(CBM);vertical wells development;coal floor;water inrush risk;Chengzhuang mine field in Jincheng

P618.11;TD745

A

0253-9993(2014)09-1899-08

2014-05-21 責(zé)任編輯:韓晉平

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372163,41172145);山西省煤層氣聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目(2012012014)

孟召平(1963—),男,湖南汨羅人,教授,博士生導(dǎo)師,博士。E-mail:mzp@cumtb.edu.cn

孟召平,郝海金,張典坤,等.晉城成莊井田煤層氣直井開發(fā)后煤層底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(9):1899-1906.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8021

Meng Zhaoping,Hao Haijin,Zhang Diankun,et al.Assessment of water inrush risk of coal floor after CBM development using vertical wells at Chengzhuang mine field in Jincheng[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1899-1906.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8021