天然气井与煤矿巷道的避让安全距离模拟研究

闫东东

(中国石油化工股份有限公司油田勘探开发事业部，北京 100728)

鄂尔多斯盆地资源储量大、品位高，是我国重要的能源战略基地，现已探明煤炭资源1 496×108t，已探明油气储量11×108m3，是国家西气东输工程的重要气源之一。盆地内石油、煤炭、天然气、煤层气等矿产资源赋存在同一盆地的不同层位，形成独具特色的平面上互相叠加、垂向上互相叠置的异体共伴生资源赋存格局，是油气与煤炭交叉开采的典型区域，其中油气层主要为二叠系，存在有苏里格气田、乌审旗气田、大牛地气田、靖边气田、东胜气田和胜利气田，埋深大于1 500 m；煤层主要赋存于石炭-二叠系、三叠系和侏罗系，分布于东胜煤田深部区的杭锦旗大部、鄂托克旗北部、乌审旗北部、中东部和伊金霍洛旗西部[1-6]，煤炭埋藏较深，一般大于1 000 m。

目前，鄂尔多斯盆地内的某气田区块与周围煤矿均有不同程度的重叠，重叠区内布置天然气井178口、后期规划部署129口、集气站4座；1号井田与某气田重叠面积71.16 km2，重叠区内钻井52口；2号井田与某气田重叠区内建井10口；3号井田与某气田重叠区内钻井52口，集气站1座。根据天然气井与煤层的埋深情况，以及天然气井在煤矿井田内布置的密集性，采煤工作面和巷道在掘进过程中极易碰撞到天然气井，从而导致天然气井的损毁以及财产安全造成极大的威胁[7-14]，导致天然气井与油气资源的泄漏，威胁到煤矿井下工作面人员的生命，因此，进行天然气与煤炭协调交叉开采技术研究十分必要。

1 工程背景

某气田区域内已建成的煤矿井田，属于煤炭-油气资源异体共伴生赋存的共生煤矿。煤矿井田与某气田重叠范围内建井52口，目前矿井正进行东翼辅运大巷掘进工作，其中东翼辅运大巷、胶带大巷、回风大巷等3条大巷基本平行、相间煤柱约为40 m，且均沿2-2上煤层顶板布置，而H1，H2气井正处于辅运大巷掘进影响范围内，巷道掘进过程中承担着巨大的安全风险，天然气井与采掘巷道布置如图1所示。鉴于此，探讨分析煤矿3条大巷与天然气井、正交顺槽巷道间的相互影响距离，防止大巷掘进过程中的风险升级，确保天然气井以及采煤作业人员的生命财产安全是非常关键。

根据某煤矿辅运大巷与某气田H1和H2气井空间交叉特征，综合考量本身的特殊性和复杂性，决定采用ABAQUS数值模拟软件分析辅运巷掘进对气井围岩稳定性的影响，以及分析已有井巷对辅运大巷围岩稳定性影响，进而判断出天然气井与辅运大巷间的合理避让距离。

图1 辅运大巷及运输顺槽与气井相对位置示意

2 数值模拟计算

2.1 建立数值模型

依托某煤矿辅运大巷和天然气井空间交叉为工程背景，运用ABAQUS数值模拟软件分析辅运大巷在掘进过程中围岩的位移变化和应力影响范围等情况，进而进行天然气井安全风险的判定，其中数值模型岩层分布是依据地质钻孔建立的，巷道顶板依次为泥岩-煤互层、粗粒沙岩、砂质泥岩、中粒砂岩；底板为砂质泥岩、中粒砂岩、粗粒砂岩、煤和砂质泥岩，煤岩柱状图具体如图2所示。采用ABAQUS/CAE建立数值模型过程中，根据工程实际设计模型高70 m，宽(大巷轴向)120 m，长(22105胶带顺槽轴向)220 m，划分约55万个单元；天然气井模型高为70 m，直径为0.31 m。为保证计算精度和效果，巷道周围单元尺寸为0.5 m，且最外侧巷道距模型边界的距离为40 m，以消除边界效应影响，模型如图3所示。

根据地质钻孔数据进行建立数值模型岩层分布，其中巷道顶板依次为泥岩-煤互层、粗粒沙岩、砂质泥岩、中粒砂岩；底板为砂质泥岩、中粒砂岩、粗粒砂岩、煤和砂质泥岩。模型边界条件设置为侧面水平位移约束，底面施加水平垂直位移约束，依据顶面根据埋深施加相应的垂直应力为15 MPa，岩层采用Mohr-Coulomb本构模型，天然气井采用弹性本构模型，模型内部挖去天然气井的位置，岩层和气井均采用实体单元建模，不考虑岩层中断层褶曲等虑构造应力、重复采动和边界效应的影响，开挖前处于原岩应力状态，岩层物理力学参数参考《内蒙古自治区某煤田某矿区某井田煤炭勘探报告》，具体见表1。

图2 煤岩柱状图

2.2 模拟和求解步骤

设计数值模型计算分为3步:第1步进行地应力平衡，采用Geostatic分析求解步类型；第2步进行已有井巷开挖模拟，采用Static/general分析求解步类型；第3步进行辅运大巷开挖模拟，采用Static/general分析求解类型。因涉及塑性计算，故矩阵存储格式设置为非对称类型。为加强计算收敛性，设置0.001的黏性正则化系数，采用ABAQUS/Stantard求解器进行求解。

图3 数值计算模型

表1 岩层力学参数

3 模拟结果分析

3.1 垂直应力分布特征

根据数值模拟计算，通过开挖辅运大巷模拟得到围岩的应力分布特征如图4所示。整体上天然气井与大巷之间的相互影响较小(模拟中设置大巷与气井间距为8 m)，其中22105顺槽与3条大巷交角附近均出现较为显著的应力集中现象，垂直应力超过33.7 MPa，应力集中系数达到2.25；根据大巷走向作三维应力切片，通过围岩的应力分布规律发现，辅运大巷顶板卸压范围超过6 m，与顺槽相交区域顶板卸压范围超过8 m，具体如图4(a)所示。根据图4(b)和(c)对比可知，天然气井对巷道附近应力场有一定较小的扰动，其中垂直应力峰值为25.5 MPa，但22105顺槽对巷道的应力场扰动影响较大，临近顺槽附近的应力峰值超过33 MPa。

为更加直观清晰展现大巷的掘进对附近围岩应力场的影响，分别在天然气井、临近顺槽前20 m位置做切面，并依据临近顺槽绘制切面的垂直应力分布曲线，如图5所示。根据巷道围岩的应力分布曲线可知，巷道巷帮的塑性区范围约为3.6 m左右；且大巷与大巷之间出现了支承应力叠加现象，最小值约为16.7 MPa。

图4 垂直应力模拟结果

图5 垂直应力分布曲线模拟结果

通过对围岩应力分布规律的分析，以应力增高5%为界进行计算，辅助运输大巷的掘进形成的应力影响范围约为39 m，辅运大巷与22105顺槽巷道叠加形成的应力影响范围约42～50 m，据此可以认为要保障天然气井的安全稳定，需要确保辅运大巷的掘进位置距离天然气井至少为39 m；天然气井对大巷围岩应力场有一定干扰作用，使得垂直应力峰值降低至20.4 MPa，与回风大巷相比降低幅度为19.6%。经过对比图5(b)和(c)发现，临近顺槽时垂直应力峰值显著增加，由24 MPa增加至30 MPa，顺槽对大巷围岩应力影响较为显著。

3.2 围岩塑性区分布特征

辅运大巷的开挖在巷道围岩形成一定范围塑性区，由于天然气井与距离辅运大巷较近，塑性区的范围对天然气井的影响也是不可忽视的。通过沿辅运大巷走向做塑性区分布云图切片(图6)，发现围岩塑性区主要分布在大巷和顺槽周围，并在22105顺槽与3条大巷的交叉处出现了明显的应力集中现象，大巷底帮角处出现了较大范围的塑性破坏，破坏深度达4 m；巷帮破坏深度达3.6 m，顶帮角破坏深度约3 m；大巷与顺槽相交附近的塑性变形更加明显；天然气井对巷道围岩的塑性区的影响范围较小。

图6 沿辅运大巷走向的塑性区分布

3.3 围岩位移分布特征

为进一步分析辅运大巷开挖对天然气井的影响，提取围岩的位移场如图7所示。根据图中位移分布模拟结果可知，大巷掘进对气井附近位移场有一定干扰作用，位移变化1～2 mm；顺槽与大巷相交处底板位移超过5 cm，顶板下沉超过7 cm，大巷煤柱位移量最小值超过1 cm；天然气井所处空间位移变化为1～2 mm，遭到位移扰动的影响较小。

图7 位移分布数值模拟结果

4 结论

依托煤矿辅运大巷与H1，H2气井空间交叉事件为工程背景，采用ABAQUS数值模拟软件对二者间的避让距离进行具体的分析研究，得到以下结论。

a) 以应力增高5%为界限计算距离，辅运大巷的应力影响范围约39 m，辅运大巷与顺槽巷道叠加应力影响范围约42～50 m，据数值计算值表明辅运大巷距离天然气井至少39 m，如果巷道出现大变形破碎，导致巷道影响范围增大，对天然气井的影响更严重，安全距离的确定方法需要进行探讨。

b) 3条大巷间距8 m条件下，大巷掘进对气井附近位移场有一定干扰作用，位移变化在1～2 mm之间；顺槽与大巷相交处底板位移超过5 cm，顶板下沉超过7 cm，大巷煤柱位移量最小值超过1 cm。

c) 顺槽巷道对辅运大巷围岩影响较大，表现为垂直应力增高(由24 MPa增加至30 MPa)、塑性区范围增大；大巷底帮角处出现较大范围且深度达4 m的塑性破坏，巷帮破坏深度达3.6 m，顶帮角破坏深度约3 m。

由于同一井田范围内岩性构造大致相同，因此根据数值分析取得的地下井巷与天然气井间的避让距离，可为井田范围内类似天然气井与煤矿巷道空间交叉情况避让距离留设问题提供参考。