閆東東

(中國石油化工股份有限公司油田勘探開發(fā)事業(yè)部，北京 100728)

鄂爾多斯盆地資源儲(chǔ)量大、品位高，是我國重要的能源戰(zhàn)略基地，現(xiàn)已探明煤炭資源1 496×108t，已探明油氣儲(chǔ)量11×108m3，是國家西氣東輸工程的重要?dú)庠粗?。盆地?nèi)石油、煤炭、天然氣、煤層氣等礦產(chǎn)資源賦存在同一盆地的不同層位，形成獨(dú)具特色的平面上互相疊加、垂向上互相疊置的異體共伴生資源賦存格局，是油氣與煤炭交叉開采的典型區(qū)域，其中油氣層主要為二疊系，存在有蘇里格氣田、烏審旗氣田、大牛地氣田、靖邊氣田、東勝氣田和勝利氣田，埋深大于1 500 m；煤層主要賦存于石炭-二疊系、三疊系和侏羅系，分布于東勝煤田深部區(qū)的杭錦旗大部、鄂托克旗北部、烏審旗北部、中東部和伊金霍洛旗西部[1-6]，煤炭埋藏較深，一般大于1 000 m。

目前，鄂爾多斯盆地內(nèi)的某氣田區(qū)塊與周圍煤礦均有不同程度的重疊，重疊區(qū)內(nèi)布置天然氣井178口、后期規(guī)劃部署129口、集氣站4座；1號(hào)井田與某氣田重疊面積71.16 km2，重疊區(qū)內(nèi)鉆井52口；2號(hào)井田與某氣田重疊區(qū)內(nèi)建井10口；3號(hào)井田與某氣田重疊區(qū)內(nèi)鉆井52口，集氣站1座。根據(jù)天然氣井與煤層的埋深情況，以及天然氣井在煤礦井田內(nèi)布置的密集性，采煤工作面和巷道在掘進(jìn)過程中極易碰撞到天然氣井，從而導(dǎo)致天然氣井的損毀以及財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅[7-14]，導(dǎo)致天然氣井與油氣資源的泄漏，威脅到煤礦井下工作面人員的生命，因此，進(jìn)行天然氣與煤炭協(xié)調(diào)交叉開采技術(shù)研究十分必要。

1 工程背景

某氣田區(qū)域內(nèi)已建成的煤礦井田，屬于煤炭-油氣資源異體共伴生賦存的共生煤礦。煤礦井田與某氣田重疊范圍內(nèi)建井52口，目前礦井正進(jìn)行東翼輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作，其中東翼輔運(yùn)大巷、膠帶大巷、回風(fēng)大巷等3條大巷基本平行、相間煤柱約為40 m，且均沿2-2上煤層頂板布置，而H1，H2氣井正處于輔運(yùn)大巷掘進(jìn)影響范圍內(nèi)，巷道掘進(jìn)過程中承擔(dān)著巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)，天然氣井與采掘巷道布置如圖1所示。鑒于此，探討分析煤礦3條大巷與天然氣井、正交順槽巷道間的相互影響距離，防止大巷掘進(jìn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)升級(jí)，確保天然氣井以及采煤作業(yè)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全是非常關(guān)鍵。

根據(jù)某煤礦輔運(yùn)大巷與某氣田H1和H2氣井空間交叉特征，綜合考量本身的特殊性和復(fù)雜性，決定采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件分析輔運(yùn)巷掘進(jìn)對(duì)氣井圍巖穩(wěn)定性的影響，以及分析已有井巷對(duì)輔運(yùn)大巷圍巖穩(wěn)定性影響，進(jìn)而判斷出天然氣井與輔運(yùn)大巷間的合理避讓距離。

圖1 輔運(yùn)大巷及運(yùn)輸順槽與氣井相對(duì)位置示意

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 建立數(shù)值模型

依托某煤礦輔運(yùn)大巷和天然氣井空間交叉為工程背景，運(yùn)用ABAQUS數(shù)值模擬軟件分析輔運(yùn)大巷在掘進(jìn)過程中圍巖的位移變化和應(yīng)力影響范圍等情況，進(jìn)而進(jìn)行天然氣井安全風(fēng)險(xiǎn)的判定，其中數(shù)值模型巖層分布是依據(jù)地質(zhì)鉆孔建立的，巷道頂板依次為泥巖-煤互層、粗粒沙巖、砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖；底板為砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖、粗粒砂巖、煤和砂質(zhì)泥巖，煤巖柱狀圖具體如圖2所示。采用ABAQUS/CAE建立數(shù)值模型過程中，根據(jù)工程實(shí)際設(shè)計(jì)模型高70 m，寬(大巷軸向)120 m，長(22105膠帶順槽軸向)220 m，劃分約55萬個(gè)單元；天然氣井模型高為70 m，直徑為0.31 m。為保證計(jì)算精度和效果，巷道周圍單元尺寸為0.5 m，且最外側(cè)巷道距模型邊界的距離為40 m，以消除邊界效應(yīng)影響，模型如圖3所示。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行建立數(shù)值模型巖層分布，其中巷道頂板依次為泥巖-煤互層、粗粒沙巖、砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖；底板為砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖、粗粒砂巖、煤和砂質(zhì)泥巖。模型邊界條件設(shè)置為側(cè)面水平位移約束，底面施加水平垂直位移約束，依據(jù)頂面根據(jù)埋深施加相應(yīng)的垂直應(yīng)力為15 MPa，巖層采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，天然氣井采用彈性本構(gòu)模型，模型內(nèi)部挖去天然氣井的位置，巖層和氣井均采用實(shí)體單元建模，不考慮巖層中斷層褶曲等慮構(gòu)造應(yīng)力、重復(fù)采動(dòng)和邊界效應(yīng)的影響，開挖前處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，巖層物理力學(xué)參數(shù)參考《內(nèi)蒙古自治區(qū)某煤田某礦區(qū)某井田煤炭勘探報(bào)告》，具體見表1。

圖2 煤巖柱狀圖

2.2 模擬和求解步驟

設(shè)計(jì)數(shù)值模型計(jì)算分為3步:第1步進(jìn)行地應(yīng)力平衡，采用Geostatic分析求解步類型；第2步進(jìn)行已有井巷開挖模擬，采用Static/general分析求解步類型；第3步進(jìn)行輔運(yùn)大巷開挖模擬，采用Static/general分析求解類型。因涉及塑性計(jì)算，故矩陣存儲(chǔ)格式設(shè)置為非對(duì)稱類型。為加強(qiáng)計(jì)算收斂性，設(shè)置0.001的黏性正則化系數(shù)，采用ABAQUS/Stantard求解器進(jìn)行求解。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 垂直應(yīng)力分布特征

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算，通過開挖輔運(yùn)大巷模擬得到圍巖的應(yīng)力分布特征如圖4所示。整體上天然氣井與大巷之間的相互影響較小(模擬中設(shè)置大巷與氣井間距為8 m)，其中22105順槽與3條大巷交角附近均出現(xiàn)較為顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，垂直應(yīng)力超過33.7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.25；根據(jù)大巷走向作三維應(yīng)力切片，通過圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，輔運(yùn)大巷頂板卸壓范圍超過6 m，與順槽相交區(qū)域頂板卸壓范圍超過8 m，具體如圖4(a)所示。根據(jù)圖4(b)和(c)對(duì)比可知，天然氣井對(duì)巷道附近應(yīng)力場(chǎng)有一定較小的擾動(dòng)，其中垂直應(yīng)力峰值為25.5 MPa，但22105順槽對(duì)巷道的應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)影響較大，臨近順槽附近的應(yīng)力峰值超過33 MPa。

為更加直觀清晰展現(xiàn)大巷的掘進(jìn)對(duì)附近圍巖應(yīng)力場(chǎng)的影響，分別在天然氣井、臨近順槽前20 m位置做切面，并依據(jù)臨近順槽繪制切面的垂直應(yīng)力分布曲線，如圖5所示。根據(jù)巷道圍巖的應(yīng)力分布曲線可知，巷道巷幫的塑性區(qū)范圍約為3.6 m左右；且大巷與大巷之間出現(xiàn)了支承應(yīng)力疊加現(xiàn)象，最小值約為16.7 MPa。

圖4 垂直應(yīng)力模擬結(jié)果

圖5 垂直應(yīng)力分布曲線模擬結(jié)果

通過對(duì)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的分析，以應(yīng)力增高5%為界進(jìn)行計(jì)算，輔助運(yùn)輸大巷的掘進(jìn)形成的應(yīng)力影響范圍約為39 m，輔運(yùn)大巷與22105順槽巷道疊加形成的應(yīng)力影響范圍約42～50 m，據(jù)此可以認(rèn)為要保障天然氣井的安全穩(wěn)定，需要確保輔運(yùn)大巷的掘進(jìn)位置距離天然氣井至少為39 m；天然氣井對(duì)大巷圍巖應(yīng)力場(chǎng)有一定干擾作用，使得垂直應(yīng)力峰值降低至20.4 MPa，與回風(fēng)大巷相比降低幅度為19.6%。經(jīng)過對(duì)比圖5(b)和(c)發(fā)現(xiàn)，臨近順槽時(shí)垂直應(yīng)力峰值顯著增加，由24 MPa增加至30 MPa，順槽對(duì)大巷圍巖應(yīng)力影響較為顯著。

3.2 圍巖塑性區(qū)分布特征

輔運(yùn)大巷的開挖在巷道圍巖形成一定范圍塑性區(qū)，由于天然氣井與距離輔運(yùn)大巷較近，塑性區(qū)的范圍對(duì)天然氣井的影響也是不可忽視的。通過沿輔運(yùn)大巷走向做塑性區(qū)分布云圖切片(圖6)，發(fā)現(xiàn)圍巖塑性區(qū)主要分布在大巷和順槽周圍，并在22105順槽與3條大巷的交叉處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，大巷底幫角處出現(xiàn)了較大范圍的塑性破壞，破壞深度達(dá)4 m；巷幫破壞深度達(dá)3.6 m，頂幫角破壞深度約3 m；大巷與順槽相交附近的塑性變形更加明顯；天然氣井對(duì)巷道圍巖的塑性區(qū)的影響范圍較小。

圖6 沿輔運(yùn)大巷走向的塑性區(qū)分布

3.3 圍巖位移分布特征

為進(jìn)一步分析輔運(yùn)大巷開挖對(duì)天然氣井的影響，提取圍巖的位移場(chǎng)如圖7所示。根據(jù)圖中位移分布模擬結(jié)果可知，大巷掘進(jìn)對(duì)氣井附近位移場(chǎng)有一定干擾作用，位移變化1～2 mm；順槽與大巷相交處底板位移超過5 cm，頂板下沉超過7 cm，大巷煤柱位移量最小值超過1 cm；天然氣井所處空間位移變化為1～2 mm，遭到位移擾動(dòng)的影響較小。

圖7 位移分布數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié)論

依托煤礦輔運(yùn)大巷與H1，H2氣井空間交叉事件為工程背景，采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件對(duì)二者間的避讓距離進(jìn)行具體的分析研究，得到以下結(jié)論。

a) 以應(yīng)力增高5%為界限計(jì)算距離，輔運(yùn)大巷的應(yīng)力影響范圍約39 m，輔運(yùn)大巷與順槽巷道疊加應(yīng)力影響范圍約42～50 m，據(jù)數(shù)值計(jì)算值表明輔運(yùn)大巷距離天然氣井至少39 m，如果巷道出現(xiàn)大變形破碎，導(dǎo)致巷道影響范圍增大，對(duì)天然氣井的影響更嚴(yán)重，安全距離的確定方法需要進(jìn)行探討。

b) 3條大巷間距8 m條件下，大巷掘進(jìn)對(duì)氣井附近位移場(chǎng)有一定干擾作用，位移變化在1～2 mm之間；順槽與大巷相交處底板位移超過5 cm，頂板下沉超過7 cm，大巷煤柱位移量最小值超過1 cm。

c) 順槽巷道對(duì)輔運(yùn)大巷圍巖影響較大，表現(xiàn)為垂直應(yīng)力增高(由24 MPa增加至30 MPa)、塑性區(qū)范圍增大；大巷底幫角處出現(xiàn)較大范圍且深度達(dá)4 m的塑性破壞，巷幫破壞深度達(dá)3.6 m，頂幫角破壞深度約3 m。

由于同一井田范圍內(nèi)巖性構(gòu)造大致相同，因此根據(jù)數(shù)值分析取得的地下井巷與天然氣井間的避讓距離，可為井田范圍內(nèi)類似天然氣井與煤礦巷道空間交叉情況避讓距離留設(shè)問題提供參考。