張志剛，李日富

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引 言

煤層瓦斯(煤層氣)既是威脅煤礦安全生產(chǎn)的危險源，又是寶貴的清潔能源，實現(xiàn)煤與煤層氣共采是半個多世紀以來我國煤礦發(fā)展的宏偉目標[1-4]。煤礦采動區(qū)地面井抽采技術(shù)能夠充分利用地下煤炭開采引起的“卸壓增透效應(yīng)”，采用負壓將煤巖層的卸壓瓦斯抽采至地表，可以克服我國含煤地層“三低”(低壓、低滲、低飽和)的缺點，是實現(xiàn)煤與煤層氣共采目標的適用技術(shù)[5-6]。在“十一五”“十二五”國家油氣開發(fā)科技重大專項的資助下，我國的地面井壓裂預(yù)抽及采動區(qū)瓦斯地面井抽采技術(shù)得到了長足發(fā)展，先后形成了煤礦區(qū)地面控壓粉排采、采動區(qū)大孔徑地面直井、采動區(qū)地面L型頂板定向井等一系列技術(shù)成果，并在山西、淮南、淮北等全國各大礦區(qū)得到了成功應(yīng)用，建成了晉城單一厚煤層開采條件及淮南煤層群開采條件煤層氣抽采示范工程基地，初步形成了煤與煤層氣共采的良好局面[7-15]。

目前的地面井技術(shù)只是針對單次采動影響下的研究成果，對多次擾動下地面井變形及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究較少。中國煤系地層具有明顯的煤層組(群)特征，隨著開采深度和開采強度的增加，大部分煤礦需要進行重復(fù)擾動煤層回采作業(yè)，單次采動影響的采動區(qū)地面井技術(shù)無法完全適用，亟需對多次擾動地面井技術(shù)開展深入研究及試驗應(yīng)用。

筆者在總結(jié)分析重復(fù)擾動下地面井變形特征及力學(xué)機理的基礎(chǔ)上，提出重復(fù)擾動下地面井安全防護與抽采設(shè)計技術(shù)，通過現(xiàn)場試驗考察驗證了新技術(shù)的適用性，并進一步分析了地面井抽采影響范圍，為我國煤礦重復(fù)擾動地面井“采動-采空”持續(xù)抽采瓦斯技術(shù)的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

1 重復(fù)擾動地面井變形破壞機理

地面井貫穿整個采場覆巖并與井壁圍巖結(jié)為一體，地層在采動影響下發(fā)生移動破壞，使得其內(nèi)部的地面井套管隨之發(fā)生變形，因此可以通過研究重復(fù)擾動采場覆巖的移動規(guī)律分析施工在其內(nèi)部的地面井的宏觀變形特征。

前期研究表明[16-17]，采場覆巖移動可能引起地面井套管發(fā)生擠壓縮頸、剪切錯斷和拉伸破斷3種形式的變形，其中剪切和拉伸變形是主要方式。在重復(fù)擾動影響下，采場覆巖的層間橫向滑移表現(xiàn)為反復(fù)“增大→減小”的來回錯動過程，層間豎向離層呈現(xiàn)出“增大→增大”的持續(xù)增加特征。

為研究重復(fù)擾動下地面井變形力學(xué)機理，假設(shè)初次采動后地面井仍整體處于豎直狀態(tài)，則在地面井的相同位置產(chǎn)生的離層變形和剪切位移分別是初次最終位移與重復(fù)擾動產(chǎn)生的位移的疊加。

由采場上覆巖層等效復(fù)合巖梁巖層界面位置處產(chǎn)生的層間拉剪合位移就是地面井套管發(fā)生的最大撓曲位移，也就是最容易發(fā)生剪切與拉伸破壞的區(qū)域[17-18]。

重復(fù)擾動影響下，此處地面井套管截面的最大剪應(yīng)力函數(shù)如下

(1)

式中：τmax為套管截面上的最大剪應(yīng)力，MPa；E為梁的彈性模量，MPa；r1為套管外徑，m；k為套管壁厚，m；u(x,k)i為截面處的層間剪切滑移合位移，m；y為剪切區(qū)域內(nèi)沿套管的長度，m；a為位移函數(shù)的波長，m,是剪切區(qū)域?qū)挾鹊?倍，與巖層物理力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力環(huán)境有關(guān)。

分析式(1)可知，地面井套管截面的最大剪應(yīng)力隨時間呈現(xiàn)波浪形變化特征(圖1)，曲線O-t1為第1次采動影響階段，t1-t2(或t1-t3)為第2次采動影響階段，曲線1和曲線2分別代表了第2次采動影響相對第1次采動影響的不同影響程度，曲線1表示第2次采動影響效應(yīng)比第1次采動影響效應(yīng)強，曲線2表示第2次采動影響效應(yīng)比第1次采動影響效應(yīng)弱；τ1為第1次采動影響時套管井身某截面位置的最大剪應(yīng)力，τ2為第1次采動影響結(jié)束時套管井身某截面位置的剪應(yīng)力，τ3(或τ4)為第2次采動影響時套管井身某截面位置的最大剪應(yīng)力。

圖1 重復(fù)擾動影響下地面井套管截面最大剪應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律Fig.1 Variation of maximum shear stress with time under repeated disturbance

此處地面井套管截面的最大拉伸應(yīng)力函數(shù)如下

(2)

式中：σmax為套管截面上的最大拉應(yīng)力，MPa；η為考慮套管周圍巖體塑性變形產(chǎn)生的對套管變形的緩解作用系數(shù)；Δw(x,k)i為橫截面處的最大離層位移，m。

由式(2)可知，重復(fù)采動影響下地面井套管井身某截面最大拉伸應(yīng)力隨時間呈現(xiàn)遞增變化特征(圖2)，曲線O-t1為第1次采動影響階段，t1-t2(或t1-t3)為第2次采動影響階段，曲線1和曲線2分別代表了第2次采動影響相對第1次采動影響的不同影響程度，曲線1表示第2次采動影響效應(yīng)比第1次采動影響效應(yīng)強，曲線2表示第2次采動影響效應(yīng)比第1次采動影響效應(yīng)弱；σ1為第1次采動影響時套管井身某截面位置的最大拉伸應(yīng)力，σ2(或σ3)為第2次采動影響時套管井身某截面位置的最大拉伸應(yīng)力。

圖2 重復(fù)擾動下地面井套管截面最大拉伸應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律Fig.2 Variation of maximum tensile stress with time under repeated disturbance

上述分析意味著重復(fù)擾動下采動區(qū)地面井較單次采動影響下的地面井要經(jīng)歷更加劇烈的巖層移動影響，其發(fā)生變形破壞的可能性更大、變形方式更加復(fù)雜。

2 重復(fù)擾動“采動-采空”地面井防護與安全抽采技術(shù)

2.1 不同階段地面井變形失效方式及特征

采動區(qū)地面井變形破壞失效方式與套管的基本變形形式密切相關(guān)。

1)變形失效方式。采動影響階段，地面井套管的變形主要因采動影響導(dǎo)致的巖層滑移和離層的作用而產(chǎn)生，具體包括層間滑移剪切變形、層間離層拉伸變形和非均布荷載作用下的徑向擠壓變形3種類型[17]。目前國內(nèi)煤礦區(qū)地面井深度一般不大于1 000 m，其局部地應(yīng)力不超過40 MPa[19]，而高強度(J55鋼級及以上)的標準油井套管屈服強度普遍高于379 MPa，因巖層熱膨脹、水潤膨脹等原因造成的局部地應(yīng)力集中現(xiàn)象很難導(dǎo)致套管發(fā)生擠毀，徹底堵塞產(chǎn)氣通道；因此剪切、拉伸變形是其主要變形失效方式。

對于剪切錯動變形，重復(fù)擾動影響下地層運動極其劇烈，巖層的反復(fù)錯動過程造成地面井套管發(fā)生變形的程度不斷變化，套管很難完全抵擋巖層的橫向滑移不發(fā)生剪切破斷。由于地面井是通過套管與井下采動裂隙連通，即使套管在某些部位發(fā)生了剪切橫移，但只要沒有被完全切斷，那么采氣通道就會貫通，不影響采空區(qū)卸壓瓦斯的負壓抽采；而一旦巖層的剪切位移量超過套管的有效通徑，套管斷面處的上下部分就會發(fā)生錯離，此時采氣通道就被完全堵塞無法產(chǎn)氣。

對于離層拉伸變形，重復(fù)擾動影響下的層間離層位移是階段性遞增的，離層區(qū)域的井套截面拉伸應(yīng)力隨之不斷增大，地面井套管一般為碳鋼等彈脆性體材料，當拉伸應(yīng)力大于井套抗拉強度極限時，地面井套管就會發(fā)生斷裂，造成采氣通道被扯斷，井壁泥沙及碎巖迅速涌入，采氣通道被侵占堵塞無法產(chǎn)氣。

采動穩(wěn)定(采空)階段，地層移動基本停止，套管主要因地應(yīng)力等受到均布擠壓效應(yīng)，因其具有高強度，一般不會發(fā)生直接的擠毀失效。但是由于套管在采動階段變形易產(chǎn)生破裂，破裂附近的圍巖碎屑、砂土或地下滲水在微震下會在此階段從豁口處慢慢流入套管內(nèi)，容易導(dǎo)致地面井因產(chǎn)氣通道被逐漸堵塞而失效。

2)變形失效特征。無論是采動階段的套管切斷、扯斷失效，還是采空階段的產(chǎn)氣通道堵塞失效，采動區(qū)地面井失效的主要原因都是產(chǎn)氣通道被侵占，導(dǎo)致其抽采流量迅速降低，抽采負壓急劇上升，產(chǎn)氣能力逐漸消失。

2.2 地面井變形失效條件分析

由采動影響下地面井的變形失效特征可知，地面井的失效主要包括2種情況：當?shù)孛婢坠鼙煌耆袛鄷r，其產(chǎn)氣通道發(fā)生堵塞現(xiàn)象喪失抽采功能，地面井破壞；當?shù)孛婢坠馨l(fā)生拉伸斷裂后，其產(chǎn)氣通道發(fā)生扯斷及堵塞現(xiàn)象喪失抽采功能，地面井破壞。同時，在重復(fù)擾動影響下，地面井井身發(fā)生了切斷或堵塞等形式的破壞后，無論后期的采動影響如何變化，該地面井將處于持續(xù)失效狀態(tài)。

因地面井套管拉伸應(yīng)力在橫截面上近似均勻分布，引入最小拉伸安全系數(shù)(閾值)的概念，系數(shù)計算如式(3)所示，當最小拉伸安全系數(shù)小于1時，可以判定地面井套管將發(fā)生拉伸破壞。

(3)

式中：fmin為最小拉伸安全系數(shù)；σt-lim為套管的極限拉伸應(yīng)力，MPa；σmax為套管截面上的最大拉應(yīng)力，MPa。

因此，重復(fù)擾動影響下，地面井井身滿足以下任一條件時，可以判斷地面井發(fā)生破壞而失效：①套管剪切位移量超過其管內(nèi)直徑；②套管的最小拉伸安全系數(shù)小于閾值1。

2.3 地面井防護與安全抽采技術(shù)

2.3.1 地面井防護設(shè)計技術(shù)

通過分析地面井變形失效條件可以發(fā)現(xiàn)，采動區(qū)地面井發(fā)生破壞的直接原因都是由于位移過量造成的，因此，重復(fù)擾動地面井防護技術(shù)就是需要盡量減少采動區(qū)地面井的破壞性位移量。

結(jié)合單一采動影響防護技術(shù)的研究成果[20-21]，針對重復(fù)擾動地面井變形破壞特征，從井位選擇、井身結(jié)構(gòu)、鉆完井工藝、安全防護裝置等方面提出了“避”、“抗”、“讓”、“疏”、“護”五大地面井防護技術(shù)理念。

1)“避”的理念，通過合理選擇地面井位置減少地面井的破壞性位移量。重復(fù)擾動影響下地面井變形破壞方式更加復(fù)雜，地面井位置應(yīng)該以保證產(chǎn)氣通道的穩(wěn)定性為主，盡量延長有效抽采期間，因此井位宜選擇在回風(fēng)巷一側(cè)的第1次采動影響的地表沉降拐點連線與第2次采動影響的地表沉降拐點連線的中間區(qū)域，合理布井區(qū)域如圖3所示。

圖3 地面井合理布井區(qū)域示意Fig.3 Sketch map of reasonable well distribution area

2)“抗”的理念，通過提高井身結(jié)構(gòu)的抗破壞能力減少地面井的破壞性位移。重復(fù)擾動地面井的生產(chǎn)套管宜使用N80以上鋼級且壁厚不低于10 mm的管材，同時優(yōu)化護井水泥環(huán)的厚度保證其對井身強度的增益。

3)“讓”的理念，通過提前留設(shè)位移空間減少地面井的破壞性位移。設(shè)計大直徑井身結(jié)構(gòu)增加地面井的有效通徑，同時利用局部固井工藝給地面井下部巖層移動較強烈的區(qū)域“讓”出一定的變形空間。

4)“疏”的理念，通過使用三開篩管等結(jié)構(gòu)保證抽采通道的暢通。采用三開篩管懸掛完井工藝可在增加導(dǎo)氣篩眼的同時解決三開井段易縮頸、塌孔難題，優(yōu)選空氣鉆進工藝可以大幅減少井底、井壁殘存鉆渣保障抽采通道的暢通。

5)“護”的理念，通過研發(fā)抗破壞防護裝置、工藝減少地面井高危位置的破壞性位移量。開發(fā)偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、伸縮結(jié)構(gòu)、厚壁剛性結(jié)構(gòu)等局部防護裝置，或者利用外徑纏繞匝絲對地面井局部井段實行重點防護。

2.3.2 地面井連續(xù)抽采技術(shù)

由于受井下工作面生產(chǎn)影響，采動區(qū)地面井抽采的瓦斯體積分數(shù)波動范圍大(10%～90%)，抽采管路需要按照行業(yè)標準進行“三級”防護設(shè)計，同時在管路上安設(shè)相應(yīng)的參數(shù)監(jiān)測裝置，檢測收集瓦斯?jié)舛?、抽采負壓、氧氣濃度、抽采流量等氣體參數(shù)，同時進行如下操作以保證系統(tǒng)正常安全運行：

1)當對應(yīng)的工作面推至距離采動區(qū)地面井60 m左右時應(yīng)開機試運行，若負壓急劇上升超過50～60 kPa，則停泵，然后根據(jù)工作面進尺按每5～10 m的頻率開機試運行；當瓦斯?jié)舛容^高、產(chǎn)氣量較小但持續(xù)穩(wěn)定時，可開啟管道上的調(diào)節(jié)閥門，直至負壓穩(wěn)定在30 kPa以下，開始連續(xù)運行抽采。

2)抽采負壓檢測：地面井抽采過程中負壓急劇升高、混合流量自然變小時，適當降低抽采負壓，并以不低于24 h/次的檢測頻度抽采運行。

3)氧氣濃度檢測：氧氣濃度在采動區(qū)地面井正常運行后應(yīng)相對穩(wěn)定，密閉采空區(qū)抽采氧氣體積分數(shù)一般應(yīng)低于5%或長期保持一平衡值。

4)一氧化碳濃度檢測：當開采煤層有自然發(fā)火危險時，應(yīng)補充監(jiān)測管道內(nèi)氣體的一氧化碳濃度，一氧化碳濃度臨界值應(yīng)依據(jù)礦區(qū)資料確定。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及抽采影響范圍分析

3.1 現(xiàn)場工程試驗

應(yīng)用重復(fù)擾動地面井防護技術(shù)在岳城煤礦設(shè)計施工了5 口地面試驗井，均取得較好的瓦斯抽采效果，截至2020年7月，累計運行約152個月，共計抽采標況純瓦斯量5 239.83 萬m3。成果的應(yīng)用解決了地面井抽采范圍內(nèi)采煤工作面及回風(fēng)巷瓦斯超限問題，回風(fēng)巷瓦斯體積分數(shù)從0.56%降至0.33%，降幅58.75%。

以岳城礦YCCD-02井為例，該井布置在1303工作面，工作面開采的4號煤層厚6.34 m，工作面斜長160 m，走向長約1 100 m，分上下2層開采，其中上分層開采厚度3.2 m，下分層開采厚度3.1 m。

YCCD-02井的設(shè)計運用到了“避、抗、讓、疏”四大防護技術(shù)理念。

1)“避”的理念，地面井布置在2次重復(fù)擾動沉降拐點連線的中間區(qū)域，即距工作面回風(fēng)側(cè)約30 m，距開切眼約700 m。

2)“抗”的理念，采用三開結(jié)構(gòu)，二級套管采用壁厚10.03 mm的N80鋼級石油套管，使用G級高強度水泥固井，水泥環(huán)厚度約40 mm。

3)“讓”的理念，二級井段套管直徑300 mm，三級井段套管直徑168.28 mm，同時創(chuàng)造性使用了下端局部固井工藝，在井身300～400 m位置處提前留設(shè)變形空間。

4)“疏”的理念，創(chuàng)造性使用了懸掛完井工藝安設(shè)三級篩管，使得篩管懸空放置可左右偏移，同時使用潛孔錘空氣鉆進減少井底、井壁殘存鉆渣。YCCD-02井井型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 采動區(qū)地面井井身結(jié)構(gòu) Fig.4 Mining area surface well shaft structure

YCCD-02井于2014-05-25開始抽采，截至2020-07-21，正常運行2 250 d，平均抽采負壓34.54 kPa，標況純瓦斯日流量1.58 萬m3，平均瓦斯體積分數(shù)33.71%，累計抽采純瓦斯量3 655 萬m3。地面井部分抽采數(shù)據(jù)見表1。

表1 YCCD-02井日常抽采數(shù)據(jù)(部分)Table 1 Daily production data(part) of YCCD-02 well

3.2 地面井抽采影響范圍分析

YCCD-02井所在的1303工作面位于一盤區(qū)中部，地面井距離盤區(qū)邊界最遠為807 m。一盤區(qū)周邊為礦界或運輸大巷，盤區(qū)整體呈四邊形，尺寸為1 205 m×1 295 m，其內(nèi)布置有1301工作面—1306工作面，各工作面間的隔離煤柱約30 m，且中間有聯(lián)絡(luò)巷互聯(lián)，各工作面都是采用的分層開采工藝。截至2019年3月，隨著一盤區(qū)所有的工作面開采完畢后，盤區(qū)密封管理，各工作面采空區(qū)頂板巖層內(nèi)的采動裂隙場可能會互相貫通。

通過分析一盤區(qū)內(nèi)各工作面開采接替時間與YCCD-02井日抽采瓦斯量變化曲線的關(guān)系有助于研究地面井的持續(xù)抽采實際影響范圍。地面井運行后一盤區(qū)內(nèi)剩余工作面的接替周期見表2，YCCD-02井的日抽采純瓦斯量變化曲線如圖5所示。

表2 1301(下)—1306(下)工作面開采周期Table 2 Mining sequence of No.1301(lower)～ No.1306(lower)face

圖5 YCCD-02井日產(chǎn)純瓦斯量變化曲線Fig.5 Variation curve of YCCD-02 well daily production

分析圖5發(fā)現(xiàn)，YCCD-02井的日抽采氣量總體呈下降趨勢。結(jié)合表2進一步分析發(fā)現(xiàn)，YCCD-02井的日抽采氣量隨著一盤區(qū)各工作面的開、停采表現(xiàn)出規(guī)律性地小規(guī)模起伏彈升，即當有工作面作業(yè)時，地面井抽采瓦斯流量會升高，而隨著工作面的停采收作，地面井抽采流量會隨之逐漸降低，表明每當生產(chǎn)作業(yè)工作面的采動裂隙與已有采空區(qū)貫通后，就成為地面井的新補充氣源，如果沒有新面的卸壓瓦斯氣源補充，地面井數(shù)據(jù)就逐漸降低；而1306(下)工作面在2019-03-26回采完畢后，一盤區(qū)再沒有新工作面生產(chǎn)作業(yè)，YCCD-02井的日抽采瓦斯流量降低趨勢明顯。

上述分析表明，YCCD-02井經(jīng)過5 a的持續(xù)抽采運行，其影響范圍涵蓋了整個一盤區(qū)的采空區(qū)區(qū)域，即YCCD-02井的最大抽采影響半徑達到了800 m以遠，這一發(fā)現(xiàn)對采動區(qū)地面井抽采影響范圍及地面井群布置技術(shù)研究具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

1)重復(fù)擾動下的采動區(qū)地面井較單次采動影響下的地面井要經(jīng)歷更加劇烈的巖層移動影響，采場覆巖的層間橫向滑移表現(xiàn)為反復(fù)“增大→減小”的來回錯動過程，層間豎向離層呈現(xiàn)出“增大→增大”的持續(xù)增加特征；由采場上覆巖層等效復(fù)合巖梁巖層界面位置處產(chǎn)生的層間拉剪合位移就是地面井套管發(fā)生的最大撓曲位移，也是最容易發(fā)生剪切與拉伸破壞的區(qū)域。

2)重復(fù)擾動地面井的失效主要包括2種情況：當?shù)孛婢坠鼙煌耆袛鄷r，其產(chǎn)氣通道發(fā)生堵塞現(xiàn)象喪失抽采功能，地面井破壞；當?shù)孛婢坠馨l(fā)生拉伸斷裂后，其產(chǎn)氣通道被扯斷及堵塞喪失抽采功能，地面井破壞。重復(fù)擾動影響下，地面井井身滿足以下任一條件時，可以判斷地面井發(fā)生破壞而失效：①套管剪切位移量超過其管內(nèi)直徑；②套管的最小拉伸安全系數(shù)小于閾值1。

3)采動區(qū)地面井發(fā)生破壞的直接原因是套管在某部位發(fā)生了過量的位移變形，針對重復(fù)擾動地面井變形破壞特征，從井位選擇、井身結(jié)構(gòu)、鉆完井工藝、安全防護裝置等方面提出了“避”、“抗”、“讓”、“疏”、“護”5大地面井防護技術(shù)理念，能夠有效減少采動區(qū)地面井的破壞性位移量。

4)應(yīng)用成果在岳城煤礦設(shè)計施工了5 口地面井，累計抽采標況純瓦斯量約5 240 萬m3，保障煤礦安全生產(chǎn)的同時提高了瓦斯抽采利用量，社會經(jīng)濟效果顯著。其中，YCCD-02井經(jīng)過5 a持續(xù)運行，其最大抽采影響半徑超過800 m，這一發(fā)現(xiàn)對采動區(qū)地面井抽采影響范圍研究及地面井群合理布置有重要意義。