双马煤矿废弃油井周围煤层H2S分布特征及其采掘影响范围划分

张 刚，索永录，徐 刚

(1.西安科技大学能源学院，西安 710054；2．国家能源集团宁夏煤业有限责任公司双马煤矿，银川 750011;3.西安科技大学安全科学与工程学院，西安 710054；)

煤炭、石油、天然气等资源共存的煤油重叠区是中国西北地区典型的地质现象[1]。H2S气体是油气资源中的主要气体成分之一，也是一种刺激性和窒息性气体，煤炭开采过程中煤层及其附近岩层中的采H2S气体进入到采掘空间中，成为威胁煤矿安全生产的灾害性气体，中国对井下H2S气体容许浓度有着明确的规定。针对煤矿H2S气体灾害的严重威胁，煤矿科技工作者对煤矿H2S气体异常区的形成原因[2-4]、煤层H2S吸附特性[5-6]及煤炭开采过程中H2S的防治方法[7-10]等进行了卓有成效的研究，有力地保障了煤矿的安全生产。

油井抽采是石油、天然气等资源开发的主要形式[11]，废弃油井改变了煤油重叠区煤层中H2S气体的分布状态，给煤层的开采带来了重大的安全隐患，采掘巷道一旦接近废弃油井影响区域，存在H2S气体涌入工作面的重大危险，严重影响着煤矿的安全高效生产[12-15]。已有煤矿工程技术人员对废弃油井周围煤层H2S气体的来源、扩散规律、危害及其治理方案等进行了研究。其中，周东等[16]对煤层中H2S气体的来源进行了初步的分析，靳华等[17]研究了废弃石油井对煤矿采掘活动的危害，马智等[18]对煤矿井田内废弃油井风险进行了分类并提出了相应的治理方案，张俭让等[19]和孙四清[20]分别研究了巷道掘进过程中油型气的扩散规律[19]和涌出机理[20]，索永录等[21]通过数值模拟对废弃油井周围煤层内气体流动压力与影响半径的变化规律进行了研究，以上研究为废弃油井周围煤层的采掘活动提供了安全保障，但是由于还尚未确定废弃油井周围煤层中H2S气体的分布规律，特别是采掘作业中H2S气体的涌出规律及其对采掘作业的影响范围尚不清楚，不能为煤矿H2S的治理提供充分的依据。现以双马煤矿为研究区，采用数值模拟方法研究废弃油井周围煤层中H2S气体的渗透规律，通过测试和统计分析H2S气体的分布规律及其对采掘作业的影响范围，以期为废弃油井矿区H2S的治理提供一定的指导。

1 废弃油井周围煤层H2S渗透规律数值模拟

1.1 研究区概况

双马煤矿隶属于神华宁夏煤业集团，行政区划属于宁夏回族自治区灵武市，设计生产能力4.0 Mt/a，井田内主采4-1煤层、4-2煤层和4-3煤层，煤层平均厚度分别为4.0、1.4、1.6 m，煤层埋深约300 m，煤层自然瓦斯含量较低，平均为2.54 m3/t。经过统计该井田范围内废弃石油井170余口，油井内气体压力在9～14.992 MPa，其中H2S气体含量约为6%[21]。

马探31废弃油井位于I0104105综采工作面内，该油井为裸孔，距工作面回风巷80 m，距工作面运输巷203 m，从上到下一次穿过4-1煤层、4-2煤层和4-3煤层，井上下现场揭露油井情况如图1所示。现场监测表明当采掘作业接近油井时，巷道内及抽放钻孔内的硫化氢气体浓度严重超标，给矿井安全高效生产造成严重威胁。

图1 马探31废弃油井现场揭露情况Fig.1 Field exposure of abandoned oil well Matan 31

1.2 数值计算模型及方案

建立以双马煤矿废弃油井为中心的几何模型如图2所示。在该几何模型中，废弃油井在中间，从上到下依次分布着4-1煤层、4-2煤层和4-3煤层，煤层厚度分别为4.0、1.4、1.6 m，层间距分别为10、23 m，煤层平均倾角7°。基于该几何模型建立长400 m、宽400 m、高50 m的三维数值模型，模型中废弃油井孔径为200 mm(直径)，采用四边形单元对几何模型进行网格划分，岩层网格划分长度为1.0 m，煤层网格划分长度为0.5 m，并在油井周围进行网格加密处理，数值模型及网格划分如图3所示。

图2 废弃油井与煤层关系模型Fig.2 Relationship model between abandoned oil wells and coal seams

图3 数值计算模型及网格划分Fig.3 Numerical calculation model and grid division

采用流体力学计算软件ANSYS-CFX对废弃油井内的H2S渗流规律进行数值模拟研究，模拟过程中假设煤岩层为多孔介质[22]，渗流过程中的损失系数为各向同性[23]，H2S气体满足理想气体方程。通过收集和实验等方法获取双马煤矿煤岩层力学参数和气体渗流参数见表1。

为了获得废弃油井内气体压力对H2S渗透规律的影响，油井内气体压力按照0.2、0.5、1.0、1.5 MPa选取；同时为了研究方便，各煤层和各岩层相关参数分别取相同值，并且由于几何模型关于废弃油井对称分布，因此选择一半计算域进行计算模拟，选取特征断面进行分析，如图4所示。

图4 特征断面示意图Fig.4 Schematic diagram of characteristic section

1.3 数值模拟结果及分析

1.3.1 不同断面上H2S气体体积浓度分布

废弃油井内压力对H2S气体体积浓度分布有显著影响。为了研究上方便选取y=200 m和y=300 m二个断面分析H2S气体体积浓度分布规律。不同断面、不同油井内压力条件下H2S气体浓度分布规律如图5和图6所示。

从图5和图6可以得出，随着废弃油气井内的压力逐渐增大，受扩散系数影响[24]H2S气体扩散范围逐渐增大，并且相同距离下的H2S气体浓度逐渐增大；此外，y=200 m特征断面靠近废弃油井，其附近的H2S气体浓度要大于y=300 m特征断面，这说明在相同的废弃油井内压力条件下，越靠近废弃油井，H2S气体浓度越大。

1.3.2 不同油井压力条件下4-1煤层H2S气体浓度分布规律

选取计算模型中的4-1煤层，提取不同油井压力条件下的4-1煤层内的H2S气体浓度，如图7所示。

图5 y=200 m特征断面处H2S气体浓度Fig.5 H2S gas concentration at y=200 m characteristic section

图6 y=300 m特征断面处H2S气体浓度Fig.6 H2S gas concentration at y=300 m characteristic section

从图7可以得出，废弃油井内压力越高，其周围煤层中H2S气体浓度越大，越靠近油井中心，硫化氢浓度越大；由于煤层渗透率大于岩层，H2S气体在煤层内的运移范围相比岩层更大一些，对煤层开采的危害性也较高。

1.3.3 不同油井压力条件下4-1煤层内H2S渗透规律

选取4-1煤层对不同井内压力条件下的H2S运移规律进行瞬态分析，图8为4-1煤层最终稳定状态的H2S气体速度云图。从图8可以得出，随着井内压力升高，H2S气体在煤层内运移速度增加，并且井内压力越高其高速运移区域面积也越大。

而当下崔永元手撕演艺界黑幕，就源于冯导之流在巨大财富的诱惑下，早已贪婪成性的这帮人，居然敢冒天下之大不韪（从当下舆情一边倒预判），甚至是身败名裂之巨大风险，直接把本有宿怨未消，又敢和方舟子之流死磕到底的“平头哥”（獾的一种，有敢于和比自己强势的对手死磕到底的胆魄）给生生的惹毛了……本事件极有可能成为“利令智昏”所出的最大昏招的典型范例。

表1 双马煤矿煤岩层力学参数和气体渗流参数Table 1 Mechanical parameters and gas seepage parameters of coal strata in Shuangma Coal Mine

图7 不同油井压力条件下4-1煤层内H2S气体浓度分布Fig.7 Concentration distribution of hydrogen sulfide gas in 4-1 coal seam under different oil well pressure conditions

图8 不同井内压力时H2S气体在煤层运移速度云图Fig.8 Cloud figure of migration velocity of H2S in coal seam under different well pressures

提取出距井口不同距离的H2S气体运移速度数据如图9所示。从图9可以得出，随着废弃油井内气体压力逐渐增大，分别为0.2、0.5、1.0、1.5 MPa时，H2S气体渗透运移距离逐渐增大，分别为190、195、200、230 m。同时还可以得出，随着时间的增加，最终H2S运移速度区域稳定，在油井压力恒定条件下，H2S在废弃油井周围分布范围存在一个极限值。

2 废弃油井影响区H2S分布规律

马探30、马探31废弃油井位于I0104105综采工作面内，对工作面的回采影响较大。为了充分获得废弃油井周围煤层H2S气体浓度分布规律，通过注吸收剂钻孔取样对钻孔内气体进行成分分析，测试的气体成分包括CH4、CO2、H2S、CO、O2等。

马探30废弃油井沿走向200 m范围内实际施工测试钻孔17个。由于马探30废弃油井已提前采取了封井措施，测定结果为H2S气体浓度全部为0 mL/m3，CO2、CO气体浓度均为0，O2浓度在20%，其中4个钻孔CH4浓度在0.8%～1%，这说明马探30废弃油井密封性比较完好，没有气体逸散至煤层。

马探31废弃油井沿走向250 m范围内共施工测试钻孔47个，其中105回风巷26个，105运输巷21个，测定结果见表2。

根据表2统计结果，H2S浓度在1×103mL/m3以上的钻孔28个，占所有钻孔的59.6%，其中F19钻孔内H2S浓度最高为1.2×104mL/m3。因此，从钻孔H2S浓度测定结果统计可以初步判断马探31废弃油井影响区域H2S含量是比较大的。为了进一步分析废弃油井影响范围内H2S气体浓度的分布规律，根据表2数据测试分析结果，以马探31油井中心为基准，I0104105工作面回风巷、运输巷各钻孔H2S沿走向的分布规律如图10所示(其中0点为油井)。

从图10可以得出：工作面回风巷侧和工作面运输巷侧钻孔内H2S气体浓度分布规律基本保持一致；测试范围内沿工作面走向越靠近油井中心，钻孔内H2S气体浓度越高，以油井为中心在-80～80 m H2S气体浓度大于远处的硫化氢气体浓度；受油井抽采的影响H2S气体浓度分布差异明显，靠近工作面一侧H2S气体浓度明显高一些。

图9 不同井内压力时H2S气体在煤层运移速度曲线图Fig.9 Migration velocity curve of H2S in coal seam under different pressures in wells

表2 马探31废弃油井沿走向250 m范围内钻孔H2S浓度分类统计Table 2 Statistical table of H2S concentration in borehole within the range of 250 m along the strike of Matan 31 abandoned oil wells

图10 I0104105工作面回风巷侧和运输巷侧各钻孔H2S浓度分布规律Fig.10 Distribution law of H2S concentration in each borehole of return air roadway side and transportation roadway side of I0104105 working face

3 工作面采掘废弃油井影响范围确定

3.1 工作面回采H2S涌出数据分析

为了保障工作面的安全回采，从2017年9月26日开始对过马探31废弃油井期间的风量和H2S涌出量数据进行统计，马探31废弃油井于2017年11月14日地面封堵完成，于2017年11月22日井下安全揭露。图11为I0104105工作面过马探31废弃油井期间H2S浓度变化趋势。

从图11可以看出，工作面靠近废弃油井过程中，初期H2S浓度较高，然后略有下降随后保持平稳涌出的态势直到揭露马探31废弃油井；当工作面安全揭露马探31废弃油井后，随着工作面远离废弃油井H2S浓度呈下降趋势，当工作面距离马探31废弃油井150 m时，H2S浓度急剧下降。这说明采掘作业初期接近废弃油井时H2S带来的安全问题最大，应加强注意防范，避免出现安全问题；采掘作业在到达废弃油井之前，H2S会有一段较稳定的涌出时间，此时正常的治理措施即可保障采掘作业的安全生产；采掘作业经过废弃油井之后，硫化氢涌出明显降低，H2S问题得到有效解决。采掘作业过程中H2S涌出规律为硫化氢的治理提供了理论依据。

3.2 废弃油井影响范围确定

图12为掘进过程中H2S监测位置关系图，结合图11和图12可以看出：马探31废弃油井距I0104105工作面切眼走向距离376 m，工作面开始回采时H2S浓度较大便受到了废弃油井影响；工作面回采过马探31废弃油井250 m后H2S浓度才降低到了较低水平，这说明马探31废弃油井在走向上影响的范围至少在626 m以上。

从掘进过程来看，I0104105工作面运输巷掘进过程中初次发现H2S位置距离马探30约150 m，距离马探31约435 m；I0104105工作面回风巷掘进过程中先是闻到臭鸡蛋气味，但检测不到浓度，随后经过渗油段，继续向前掘进初次发现H2S，此地点距马探30约158 m，距离马探31约500 m。由于马探30废弃油井密封性比较完好，没有气体逸散至煤层，那么在掘进过程中初次发现的H2S气体应是马探31废弃油井逸散出来的，这说明马探31废弃油井渗透范围可达500 m。

根据前述分析，综合掘进期间和采煤期间H2S出现位置和浓度变化情况，同时根据长期跟踪测定提出：废弃油井的渗透范围为500 m，即以废弃油井为圆心，油井内H2S等有害气体渗透半径为500 m；工作面回采期间废弃油井影响区域为700 m，其中工作面过废弃油井之前为450 m，过废弃油井之后为250 m。

图11 过马探31废弃油井期间H2S涌出浓度变化趋势图Fig.11 Variation trend of H2S emission concentration during exploration of 31 abandoned oil wells

图12 掘进过程中H2S监测位置关系图Fig.12 Position diagram of H2S monitoring during tunneling

4 结论

(1)在相同的废弃油井内压力条件下，越靠近废弃油井，H2S气体浓度越大；随着废弃油井内气体压力逐渐增大，H2S气体渗透距离逐渐增大，但是H2S在废弃油井周围渗透范围存在一个极限值；H2S气体在煤层中的渗透范围显著大于岩层。

(2)马探31废弃油井影响范围内沿I0104105综采工作面走向越靠近油井中心，钻孔内H2S气体浓度越高，并且以油井为中心在-80～80 m内H2S气体浓度呈集中分布的规律。

(3)I0104105工作面过马探31废弃油井过程中H2S气体浓度呈现出较高—降低—平稳—降低—急剧下降的变化规律，初期H2S的危害最大，是H2S气体治理的关键阶段。

(4)综合分析废弃油井影响区煤层的渗透半径为500 m，废弃油井对工作面回采的影响区域为700 m，可对工作面回采期间硫化氢气体的治理提供依据。