楊 婧，蔡 峰，封居強

(安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤層氣(即瓦斯)是一種賦存于煤層或煤系地層的優(yōu)質(zhì)清潔能源，但也是煤炭開采過程中最大的災害源[1]。因此安全高效抽采煤層氣，既能實現(xiàn)煤礦綠色開采，又能做好瓦斯防治工作、消除安全隱患。煤層氣抽采多以井下頂板大直徑鉆孔、高位鉆孔抽采和地面鉆孔抽采三種方法為主。由于地面鉆井的施工及抽采工作不受礦井巷道條件的影響，抽采時間長、產(chǎn)氣量大，且地面抽采工作便于管理，因此愈來愈多的應用到實際工程中。

大量學者對地面鉆井抽采瓦斯技術進行了研究。廉法憲[2]通過對鉆井布置、鉆井結構、鉆井采氣及井底層位、鉆井施工技術與管理等因素的研究，在新集一礦應用地面鉆井技術抽采被保護層卸壓瓦斯以解決突出危險性問題。涂敏[3]通過相似模擬實驗分析了卸壓開采后的覆巖移動破壞、卸壓煤層移動變形、采動裂隙垂向分帶和卸壓煤層應力分帶特征，并提出卸壓瓦斯抽采地面鉆井的部署方法。張軍[4]研究了采場尺寸、頂板管理方法、煤巖層傾角和斷層等各主要因素的變化對地面鉆井變形破壞的影響規(guī)律并相應提出應對措施以提高地面鉆井的穩(wěn)定性。郭忠凱[5]等采用數(shù)值模擬研究確定了潘三礦17171(1)工作面瓦斯抽采的“高位環(huán)形體”范圍及位置，并驗證地面鉆井布置在“高位環(huán)形體”中能有效提高瓦斯抽采效率。武璽[6]通過優(yōu)化地面采動區(qū)布井位置、大井眼地面鉆井工藝、優(yōu)化井身結構降低瓦斯聚集、提高地面井抽采產(chǎn)量及抽采壽命。

淮南礦區(qū)煤儲層滲透率低、吸附性強且解析速度慢，因此通常采用煤與瓦斯共采的方法。先選擇一層薄煤層進行卸壓開采，使其他主采煤層卸壓膨脹，增加滲透率，再通過地面鉆井井下瓦斯抽采，大大增強抽采效果[7]。但隨著煤層開采的不斷深入，煤層氣抽采難度也越來越大。因此弄清采煤工作面上覆巖層運動演變規(guī)律、減少其對地面鉆井的失穩(wěn)影響，保持地面鉆井穩(wěn)定性是實現(xiàn)瓦斯高效抽采的關鍵技術。

1 采煤工作面覆巖“豎三帶”運動分析

根據(jù)錢鳴高院士的“砌體梁理論”，采場覆巖在垂向上被劃分為“豎三帶”：冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶。

1.1 冒落帶

冒落帶又稱垮落帶，是指失去連續(xù)性、大量不規(guī)則巖塊或似層狀巖塊向采空區(qū)冒落的巖層。與另兩帶相比，冒落帶運動更為劇烈、裂隙發(fā)育更充分且連通性更強。當推進距離逐漸趨于并超過傾向長度時，采空區(qū)中部上方冒落帶巖層首次發(fā)生完全冒落，并重新壓實中部，四周巖體未完全垮落，形成“環(huán)形裂隙體”[8]。

1.2 裂隙帶

裂隙帶又稱斷裂帶，裂隙大致分為豎向裂隙和離層裂隙。當巖層豎向位移大小不統(tǒng)一時形成不均勻沉降，在巖層接觸面形成水平裂隙(即離層)或使原生裂隙發(fā)育，這種裂隙主要是由于巖層間力學性質(zhì)差異較大產(chǎn)生。隨著采煤工作面繼續(xù)推進，巖層向下彎曲受拉，產(chǎn)生垂直或斜交于巖層的新生裂隙，即豎向裂隙。豎向裂隙可部分或全部穿過巖層，且兩側巖體幾乎能保持層狀連續(xù)性。

1.3 彎曲下沉帶

彎曲下沉帶又稱整體移動帶，是指裂隙帶頂部到地表的巖層。隨著采煤工作面的不斷推進，覆巖受到的頂板支撐應力逐漸降低，巖層向采空區(qū)彎曲。彎曲是覆巖變形的主要形式[9]，主要發(fā)生豎直位移且上下各部分位移差值很小，因此很少出現(xiàn)離層。

采空區(qū)覆巖的運動演變形式遠不止于此，它由地層巖體結構、采動特點及煤巖體物化學性質(zhì)等諸多因素共同決定。本文對覆巖運動下的地面鉆井失穩(wěn)機制進行了研究。

2 覆巖運動對地面鉆井的失穩(wěn)影響

地面鉆井的直徑很小(通常只有200～400 mm)，對巖層運動的敏感度往往很高。鉆井在全面開采引起的覆巖劇烈運動中會發(fā)生嚴重破壞。當井眼周圍巖石發(fā)生破壞，且一旦井壁所受應力超過圍巖的強度極限時就會造成井壁失穩(wěn)[10]。大量現(xiàn)場實踐表明，地面鉆井主要由于巖層的剪切、壓縮和拉伸作用而失效，且這三種失穩(wěn)模式對覆巖運動的響應機制各有不同。

2.1 剪切失穩(wěn)

剪切失穩(wěn)是全面開采區(qū)內(nèi)煤層氣井失穩(wěn)的最主要模式，主要發(fā)生于相鄰巖層間的弱接觸面上。地層的垂向加積方式形成“千層糕式”，且?guī)r層間的物理力學性質(zhì)存在差異，各巖層在同一采動條件影響下的運動形式不同，包括變形形式和變形量。采動引起的剪切應力集中于相鄰巖層間導致其發(fā)生剪切滑移，使得穿過其中的地面鉆井發(fā)生剪切變形，向采空區(qū)方向呈“S”形，如圖1所示，過大的剪切應力甚至直接拉斷煤層氣井，造成剪切失穩(wěn)現(xiàn)象，且大多發(fā)生于關鍵層下方。

圖1 地面鉆井剪切失穩(wěn)示意圖

2.2 壓縮失穩(wěn)

壓縮失穩(wěn)又分為水平壓縮和豎直壓縮失穩(wěn)，如圖2所示。隨著工作面煤層不斷被采出，煤層頂板上覆巖層平衡狀態(tài)受到破壞，巖層發(fā)生滑移、斷裂、下沉甚至垮落，井壁受到的荷載也重新分布為不均勻狀態(tài)。周圍巖層的相向運動對井筒造成水平徑向或斜向擠壓，使井筒斷面變形甚至破裂，如圖2(a)。另外，由于產(chǎn)氣套管直徑更小且所接觸巖層性質(zhì)差異明顯、軟硬巖層分層多，因此對巖層運動更為敏感。部分巖層垮落在采空區(qū)中部并逐漸壓實時對井筒造成豎直壓縮變形，如圖2(b),這種失穩(wěn)機制對于越靠近采空區(qū)中部的煤層氣井越表現(xiàn)明顯。

圖2 地面鉆井壓縮失穩(wěn)示意圖

2.3 拉伸失穩(wěn)

拉伸失穩(wěn)多由裂隙帶的水平離層產(chǎn)生，且相較于剪切壓縮的劇烈失穩(wěn)現(xiàn)象，拉伸變形對覆巖運動的響應模式稍為含蓄，如圖3所示(圈內(nèi)為對應的拉伸變形區(qū)域)。在離層拉伸作用下，地面鉆井套管在關鍵層(組)下發(fā)生拉伸變形甚至頸縮失穩(wěn)。

圖3 地面鉆井拉伸失穩(wěn)示意圖

除上述三種最為常見的變形和失穩(wěn)模式以外，還有扭曲失穩(wěn)、屈曲失穩(wěn)、蠕變失穩(wěn)等失穩(wěn)機制。這些失穩(wěn)模式的共同特點就是極易發(fā)生于相鄰巖層間的接觸面上，相鄰巖層在水平和豎直方向的相對運動對于煤層氣井的變形失穩(wěn)很是關鍵。

3 地面鉆井抽采瓦斯技術的優(yōu)化完善

針對上述瓦斯抽采過程中可能出現(xiàn)的氣井失穩(wěn)現(xiàn)象，本文從鉆孔深度、鉆井位置的選擇以及鉆井結構三個方面綜合考慮了地面鉆井防失穩(wěn)技術措施，核心如圖4所示。

圖4 地面鉆井防失穩(wěn)技術措施

3.1 鉆孔深度的選擇

煤層開采后，垮落帶與采空區(qū)大氣相通，吸附在煤基質(zhì)、游離在煤孔隙中的瓦斯氣體釋放出來，并運移至覆巖運動形成的裂隙及“O”型圈中。若鉆孔直接貫通采空區(qū)或進入垮落帶中，則造成采空區(qū)向鉆井大量漏風，難以保障抽采瓦斯的體積分數(shù)，抽采負壓的降低也不利于煤層瓦斯被抽出。距采空區(qū)越遠巖層卸壓程度越低，達不到抽采效果。另外，為避免巖層中的地下水涌入鉆井，充填巖層的裂隙空間并封堵瓦斯抽采通道，應將裂隙帶作為抽采采動煤層卸壓瓦斯及上鄰近層瓦斯的最佳區(qū)段。這樣既能有效抽采工作面采空區(qū)內(nèi)卸壓瓦斯，又能避免工作面推過鉆井后導水裂隙帶波及到鉆井，井內(nèi)積水無法引入井下造成廢井。一般地面鉆井的終孔垂高H參考公式[11]：

(1)

式中，H1為垮落帶高度，m；H2為裂隙帶高度，m。

3.2 鉆井位置的選擇

隨著工作面的推進，頂板覆巖運動變形越來越劇烈，為減少覆巖運動對地面井的破壞，鉆孔應選在覆巖移動對地面井影響較小的區(qū)域。在采場傾向上，采場某一深度處的巖層剪切位移呈“馬鞍形”，如圖5(a)，且采場中部區(qū)域剪切位移最小，沉降拐點附近最大；離層位移呈下凹式“拋物線形”，如圖5(b)，越靠近采場中部離層位移越大[12]。因此為保證采空區(qū)瓦斯的高效抽采提出“兩減”原則：減少在采場邊界巖層移動拐點處的鉆孔布置，減少在開切眼附近離層沉降拐點區(qū)域內(nèi)的鉆孔布置，并盡可能偏向采場內(nèi)部而避開采空區(qū)中部，以延長地面鉆井的使用壽命[13]。

圖5 采場某深度巖層剪切和離層位移

3.3 井身結構防失穩(wěn)技術措施

覆巖運動引起的鉆井失穩(wěn)是制約采空區(qū)卸壓瓦斯高效抽采的關鍵問題?；茨系V區(qū)地面鉆井的結構，自上而下分為四個部分：一開護壁套管設置在表土新地層至基巖風化帶結合處，二開輸氣套管設置在地面至被保護層頂板上部，三開生產(chǎn)套管設置在被保護層頂板上方若干米至保護層頂板或底板處，四開裸孔不下套管，如圖6左所示，但這類地面鉆井經(jīng)過一段時間的采氣之后都發(fā)生錯斷，停止產(chǎn)氣。本文對這一問題提出“四增”原則以強化地面鉆井井筒結構：

(1) 一增為增加三開產(chǎn)氣套管的長度至地面，如圖6紅線部分所示，延長部分為無篩孔的實體鋼管，并在其與生產(chǎn)套管之間注入水泥漿體，在一開區(qū)段與輸氣套管、護壁套管形成三層組合套管，在一開以下的二開區(qū)段與輸氣套管形成雙層組合套管。

圖6 增加產(chǎn)氣套管長度示意圖

(2) 二增為增加合適的鋼筋橫梁于產(chǎn)氣套管內(nèi)壁。目前煤層氣井使用的套管主要是N80或J55無縫鋼管[14]，可考慮在三開產(chǎn)氣套管內(nèi)壁增加鋼筋橫梁，如圖7所示，其數(shù)量和位置的選擇可具體根據(jù)工程需要定制，以抵抗減少覆巖運動帶來的破壞失穩(wěn)。

圖7 增加橫梁后鉆井示意圖

(3) 三增為增加地面鉆井套管壁厚與水泥環(huán)厚度。地面鉆井套管壁厚是進行套管變形防護最易控制的參數(shù)，套管壁厚增加時，套管橫截面最大剪應力和拉伸應力都呈減小趨勢；且當水泥環(huán)厚度增大時，巖層運動影響對其產(chǎn)生的位移和應力呈減小趨勢[15]。因此增加套管壁厚和水泥環(huán)厚度都能緩沖覆巖運動帶來的剪應力和拉伸應力，延長鉆井使用壽命，如圖8所示。

圖8 增加套管壁厚和水泥環(huán)厚度截面示意圖

(4) 四增為增加固井水泥的韌性。常規(guī)煤層氣井采用的是G級石油井水泥固井套管，可在原本油井水泥體系基礎上摻加適當比例的聚乙烯醇纖維韌性復合水泥基材料。聚乙烯醇纖維通過拉拽和應變協(xié)調(diào)機制使試樣均勻分擔外部載荷，從而起到能量分散和載荷緩沖的效果[16]。當鉆孔受到外界應力的變化產(chǎn)生變形時，套管與水泥之間發(fā)生耦合，套管對水泥的反作用力使水泥發(fā)生較大的變形，使原本該發(fā)生在套管上的變形轉移到水泥環(huán)上，減小套管被破壞的可能[17]，如圖9所示。

圖9 增加固井水泥韌性示意圖

4 結論

(1)本文分析總結了采動影響下煤層頂板上覆巖層“豎三帶”的運動演變形式，并研究了覆巖運動對采空區(qū)瓦斯抽采地面鉆井的失穩(wěn)機制，并從地面鉆井的鉆孔深度、位置選擇、井身結構三個方面探討了防失穩(wěn)技術措施。

(2)為了增強抽采效果，套管終孔垂高應預設在裂隙帶中；對于鉆井位置的選擇提出“兩減”原則：減少在采場邊巖層移動拐點處的鉆孔布置，減少在開切眼附近離層沉降拐點區(qū)域內(nèi)的鉆孔布置；對于井筒結構防失穩(wěn)措施提出“四增”原則：一增三開套管長度、二增鋼筋橫梁于產(chǎn)氣套管內(nèi)壁、三增套管壁厚與水泥環(huán)厚度、四增固井水泥的韌性。為解決地面鉆井瓦斯抽采技術難題提供思路。