天然氣井與煤礦巷道的避讓安全距離模擬研究

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量大、品位高，是我國重要的能源戰(zhàn)略基地，現已探明煤炭資源1 496×108t，已探明油氣儲量11×108m3，是國家西氣東輸工程的重要氣源之一。盆地內石油、煤炭、天然氣、煤層氣等礦產資源賦存在同一盆地的不同層位，形成獨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)內布置天然氣井178口、后期規(guī)劃部署129口、集氣站4座；1號井田與某氣田重疊面積71.16 km2，重疊區(qū)內鉆井52口；2號井田與某氣田重疊區(qū)內建井10口；3號井田與某氣田重疊區(qū)內鉆井52口，集氣站1座。根據天然氣井與煤層的埋深情況，以及天然氣井在煤礦井田內布置的密集性，采煤工作面和巷道在掘進過程中極易碰撞到天然氣井，從而導致天然氣井的損毀以及財產安全造成極大的威脅[7-14]，導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，進行天然氣與煤炭協(xié)調交叉開采技術研究十分必要。

1 工程背景

某氣田區(qū)域內已建成的煤礦井田，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建井52口，目前礦井正進行東翼輔運大巷掘進工作，其中東翼輔運大巷、膠帶大巷、回風大巷等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氣井正處于輔運大巷掘進影響范圍內，巷道掘進過程中承擔著巨大的安全風險，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，防止大巷掘進過程中的風險升級，確保天然氣井以及采煤作業(yè)人員的生命財產安全是非常關鍵。

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

圖1 輔運大巷及運輸順槽與氣井相對位置示意

2 數值模擬計算

2.1 建立數值模型

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

根據地質鉆孔數據進行建立數值模型巖層分布，其中巷道頂板依次為泥巖-煤互層、粗粒沙巖、砂質泥巖、中粒砂巖；底板為砂質泥巖、中粒砂巖、粗粒砂巖、煤和砂質泥巖。模型邊界條件設置為側面水平位移約束，底面施加水平垂直位移約束，依據頂面根據埋深施加相應的垂直應力為15 MPa，巖層采用Mohr-Coulomb本構模型，天然氣井采用彈性本構模型，模型內部挖去天然氣井的位置，巖層和氣井均采用實體單元建模，不考慮巖層中斷層褶曲等慮構造應力、重復采動和邊界效應的影響，開挖前處于原巖應力狀態(tài)，巖層物理力學參數參考《內蒙古自治區(qū)某煤田某礦區(qū)某井田煤炭勘探報告》，具體見表1。

圖2 煤巖柱狀圖

2.2 模擬和求解步驟

設計數值模型計算分為3步:第1步進行地應力平衡，采用Geostatic分析求解步類型；第2步進行已有井巷開挖模擬，采用Static/general分析求解步類型；第3步進行輔運大巷開挖模擬，采用Static/general分析求解類型。因涉及塑性計算，故矩陣存儲格式設置為非對稱類型。為加強計算收斂性，設置0.001的黏性正則化系數，采用ABAQUS/Stantard求解器進行求解。

圖3 數值計算模型

表1 巖層力學參數

3 模擬結果分析

3.1 垂直應力分布特征

根據數值模擬計算，通過開挖輔運大巷模擬得到圍巖的應力分布特征如圖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較為顯著的應力集中現象，垂直應力超過33.7 MPa，應力集中系數達到2.25；根據大巷走向作三維應力切片，通過圍巖的應力分布規(guī)律發(fā)現，輔運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。根據圖4(b)和(c)對比可知，天然氣井對巷道附近應力場有一定較小的擾動，其中垂直應力峰值為25.5 MPa，但22105順槽對巷道的應力場擾動影響較大，臨近順槽附近的應力峰值超過33 MPa。

為更加直觀清晰展現大巷的掘進對附近圍巖應力場的影響，分別在天然氣井、臨近順槽前20 m位置做切面，并依據臨近順槽繪制切面的垂直應力分布曲線，如圖5所示。根據巷道圍巖的應力分布曲線可知，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了支承應力疊加現象，最小值約為16.7 MPa。

圖4 垂直應力模擬結果

圖5 垂直應力分布曲線模擬結果

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

3.2 圍巖塑性區(qū)分布特征

輔運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大巷較近，塑性區(qū)的范圍對天然氣井的影響也是不可忽視的。通過沿輔運大巷走向做塑性區(qū)分布云圖切片(圖6)，發(fā)現圍巖塑性區(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了明顯的應力集中現象，大巷底幫角處出現了較大范圍的塑性破壞，破壞深度達4 m；巷幫破壞深度達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；天然氣井對巷道圍巖的塑性區(qū)的影響范圍較小。

圖6 沿輔運大巷走向的塑性區(qū)分布

3.3 圍巖位移分布特征

為進一步分析輔運大巷開挖對天然氣井的影響，提取圍巖的位移場如圖7所示。根據圖中位移分布模擬結果可知，大巷掘進對氣井附近位移場有一定干擾作用，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，遭到位移擾動的影響較小。

圖7 位移分布數值模擬結果

4 結論

依托煤礦輔運大巷與H1，H2氣井空間交叉事件為工程背景，采用ABAQUS數值模擬軟件對二者間的避讓距離進行具體的分析研究，得到以下結論。

a) 以應力增高5%為界限計算距離，輔運大巷的應力影響范圍約39 m，輔運大巷與順槽巷道疊加應力影響范圍約42～50 m，據數值計算值表明輔運大巷距離天然氣井至少39 m，如果巷道出現大變形破碎，導致巷道影響范圍增大，對天然氣井的影響更嚴重，安全距離的確定方法需要進行探討。

b) 3條大巷間距8 m條件下，大巷掘進對氣井附近位移場有一定干擾作用，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) 順槽巷道對輔運大巷圍巖影響較大，表現為垂直應力增高(由24 MPa增加至30 MPa)、塑性區(qū)范圍增大；大巷底幫角處出現較大范圍且深度達4 m的塑性破壞，巷幫破壞深度達3.6 m，頂幫角破壞深度約3 m。

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