肖江油井套管对工作面矿压显现规律的影响研究

第2卷第1期采矿与岩层控制工程学报Vol.2No.12020年2月JOURNALOFMININGANDSTRATACONTROLENGINEERINGFeb.2020013522-1肖江，郝强强，张思达，等.油井套管对工作面矿压显现规律的影响[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2(1)：013522.XIAOJiang，HAOQiangqiang，ZHANGSida，etal.Influenceofoilwellcasingonthelawofstratapressureinworkingface[J].JournalofMiningandStrataControlEngineering，2020，2(1)：013522.油井套管对工作面矿压显现规律的影响肖江1,2，郝强强1,2，张思达1,2，樊思威1(1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点试验室，陕西西安710054)摘要：针对双马煤矿4煤层I010405综采工作面开采过程由废弃石油井所引发的一系列矿压显现问题，运用理论分析、相似材料模拟试验及现场实测的方法，对无套管和有套管2种情况下工作面矿压显现规律进行探究。以工作面覆岩结构及工作面液压支架承载力为研究对象，详细分析了覆岩破断规律和工作面周期来压规律。研究结果表明：无套管工作面周期来压强度低，顶板回转变形接触底板，形成支架-直接顶-底板铰接结构，降低了工作面支架阻力；有套管工作面中套管对覆岩有锚固作用，周期来压强度高、步距大，顶板回转变形没有接触底板，矿压显现较剧烈。在接近套管时液压支架阻力出现峰值，比无套管工作面高9.4%。关键词：油井套管；矿压显现；覆岩结构；周期来压中图分类号：TD324文献标识码：A文章编号：2096-7187(2020)01-3522-08InfluenceofoilwellcasingonthelawofstratapressureinworkingfaceXIAOJiang，HAOQiangqiang，ZHANGSida，FANSiwei(1.SchoolofEnergyEngineering，Xi'anUniversityofScienceandTechnology，Xi'an710054，China；2.KeyLaboratoryofWesternMineExploitationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi'an710054，China)Abstract：AimingataseriesofproblemscausedbyabandonedoilWellsinthefullymechanizedI010405workingfaceof4coalseaminShuangmaCoalMine，thelawofworkingfacepressureappearingwithoutorwithcasingwasstudiedbymeansoftheoreticalanalysis，simulationexperimentofsimilarmaterialsandfieldmeasurement.Takingoverburdenstructureofworkingfaceandbearingcapacityofworkingfacehydraulicsupportasresearchobject，thebreakingruleofoverburdenandperiodicpressureruleofworkingfacewereanalyzed.Theresultsshowedthatthecasingfreeworkingfacehadalowperiodicpressurestrength，andtheroofturnedanddeformedtocontactthebottomplate，formingabracket-directroof-bottomplatearticulatedstructure.Thus，itreducedthefacesupportresistance.Thecasingappliedinworkingfacehasanchoringeffectonoverburdenrock.Withhighperiodicpressurestrengthandlargestepdistance，therevolvingdeformationoftheroofwillnottouchthebottomplate，andtheminepressurewasquiteviolent.Therefore，thehydraulicsupportresistanceappearedtopeakvaluewhenapproachingthecasing，whichwas9.4%higherthanthecasingfreeworkingface.Keywords：oilwellcasing；stratabehavior；overlyingstratumstructure；periodicpressure收稿日期：2019-06-24修回日期：2019-08-13责任编辑：施红霞作者简介：肖江（1971—），男，四川渠县人，副教授，硕士生导师，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究工作。通信作者：郝强强（1995—），男，山西忻州人，硕士研究生，主要从事矿山压力及巷旁支护技术方面的研究工作。E-mail：[e-mail]20世纪中期以来，我国对煤炭需求量逐渐增加，采矿技术得到了快速发展，但是我国煤炭储量有限，而且当前国际煤炭、石油资源贸易日趋紧张，解决煤-油(气)资源的安全开采和高效利用等问题就肖江等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013522013522-2更具迫切性。目前，我国在一些新建矿井和生产矿井的改扩建过程中，遇到了煤-油地层共存的问题，但是含煤地层与含油地层在剖面上相互叠加，开采难度大，并且石油开采后在地层中残留的钻取石油的套管贯穿整个煤层。在采煤过程中，这些废弃套管严重制约着采煤工作的正常进行，主要原因是当采煤工作面推进至废弃套管附近时，矿压显现规律具有不确定性，可能引起上覆岩层应力突变，造成矿压显现。此外，套管中残余硫化氢等有毒废气，工作面切割废弃油井套管存在较大的安全隐患。因此，本文着重研究油井套管对采煤工作面矿压显现产生的影响，为工作面安全开采提供保障。为探索顶板岩层破断结构及其对巷道矿压显现影响的规律，我国学者做了大量的研究，韩红凯、邓小鹏等提出顶板关键层失稳后，不会立即压死支架，而是形成一种“再稳定”铰接结构承担部分覆岩压力；鞠金峰、杨本生等提出悬臂梁结构的3种运动形式，并揭示了3种形式下工作面矿压显现规律；李洋提出覆岩裂隙会随着工作面推进出现扩展、闭合周期性破坏，对覆岩稳定给出了相应观点；王云广、曹胜根等提出不同开采环境下，覆岩活动规律不同，并对覆岩的失稳机理进行了研究；部分学者提出在接近废弃石油井套管时，可能发生顶板来压，残余废气泄露等风险；马智等根据废弃石油井内气体压力、浓度、煤油距离等6个指标对石油井进行分类，主要分为3类，不同类别的石油井治理手段不同；王金国等对废弃石油井套管的治理手段进行深入探索与实践。但我国学者对含有油井套管影响的工作面矿压显现规律的研究较少。笔者通过理论分析、相似模拟试验和现场实测等方法对无套管和有套管2种情况下的工作面来压规律进行研究，并解决了双马煤矿在开采中覆岩复杂活动的问题，可为其他类似矿井生产提供数据借鉴。1工程概况双马煤矿位于宁夏回族自治区灵武市马家滩镇，矿井设计生产能力4.0Mt/a，有7层主要可采煤层，本文主要对4煤层进行研究，该煤层平均埋深292m，分布面积约60km，平均厚度3.80m，全区可采。由于双马煤矿处于石油资源与煤炭资源重叠区内，煤层中存在大量废弃石油井，其结构如图1所示。表层封井封井水泥岩层岩层固井水泥油、气层含煤地层废弃套管水泥图1双马煤矿石油井结构示意Fig.1OilwellstructurediagraminShuangmaCoalMine矿区内共排查出石油钻孔174个，其中未采石油钻孔37个，废弃钻孔137个。以I010405工作面为例，其工作面布置如图2所示。该工作面共经过3个废弃马探31马探30马浅22马浅20I010405工作面I010404工作面采空区0405回风巷0405运输巷0405辅助运输巷回风大巷运输巷辅助运输巷80m300m140m50m图2I010405工作面布置Fig.2I010405workingfacelayout肖江等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013522013522-3石油井，分别为马探31、马探30和马浅22。其中，马探30距马探31石油井50m，马浅22石油井在靠近工作面终采线80m处。I010405工作面基本顶为粉砂岩和细砂岩，直接顶为细粒砂岩，厚3.4～5.0m，厚度稳定。直接底板为浅灰色粉砂岩，粒度不均，厚3.5～4.0m，波状层理较发育，抗压、抗剪强度低。双马煤矿4煤层钻孔综合柱状如图3所示。风化面土褐色，新鲜面土黄色，岩石具粉砂状结构，水平层理结构新鲜面黑灰色，泥质结构，块状构造，碎屑成分灰白色，成分以石英为主的砂岩互层，长石次之，分选性中等，次棱角状，水平层理，含少量云母碎片及暗色矿物4.4313.464.7918.3526.79粉砂岩下部砂泥岩交互沉积层，上部以灰色中厚层状粉砂岩为主，分选性好，磨圆度为次棱角状泥岩粉砂岩9.573.5014.065.223.803.92岩性描述柱状厚度/m上层为4.00m厚的细粒砂岩，深灰色厚层状，水平层理发育，碎屑颗粒磨圆度较好，与下层1.22m粉砂岩明显接触细粉砂岩交互层4煤黑色半光亮型煤、玻璃或沥青光泽，阶梯状断口，硬度中等，层状构造，与下层明显接触，局部含有少量夹矸，为深灰色粉砂质泥岩粉砂岩灰白色，成分以石英为主，长石次之，水平层理，含少量云母碎片及暗色矿物，夹粉砂岩薄层浅灰色块状细粒砂岩，成分以石英为主，长石次之，分选性中等，次棱角状，水平层理中部夹厚层状泥岩，厚度在2.00m左右，波状层理，与下层明显接触煤岩上层为3号煤，黑色半光亮型；沥青-玻璃光泽，次为丝绢光泽，阶梯状断口，性较脆，硬度中等，条带结构，层状构造。下层为粉砂岩，风化面土褐色，新鲜面土黄色，岩石具粉砂状结构，水平层理结构，碎屑颗粒度较细粉砂岩交互层灰白色砂岩为主(宝塔山砂岩)夹粉砂泥岩，岩性以灰黑色粉砂岩、灰～灰白色细砂岩及黑色泥岩为主，具小型交错层理、波状及水平层理名称细粒砂岩泥岩细粒砂岩交互层图3双马煤矿4煤层钻孔综合柱状Fig.3Comprehensivecolumndiagramofdrillingin4coalseamofShuangmaCoalMine2覆岩变形机理工作面推进时，上覆岩层垮落后的形态直接影响工作面矿压显现和采场支护方式。相关学者对上覆岩层结构提出了各种假说，如：悬臂梁假说、砌体梁假说、压力拱假说等。但这些假说都是针对一般煤层，对于存在废弃石油井套管工作面开采时，覆岩结构形态如何影响工作面矿压显现，本文将对比分析有无套管环境下工作面覆岩结构及矿压显现规律。利用式(1)判断存在套管的工作面上覆岩层断裂后的结构形态，求得的L为工作面上覆岩层关键层断裂步距，当满足式(1)时覆岩呈悬臂梁，不满足时为砌体梁。221ic()qLMKhh(1)式中，M为煤层采高，取3.80m；K为岩石碎胀系数，取1.3；∑h为直接顶厚度，取4.00m；h为关键层厚度，取16m；L为关键层断裂步距，m；σ为关键层抗压强度，取14MPa；q为上覆岩层荷载，取1.6MPa。整理该