晋城成庄井田煤层气直井开发后煤层底板突水危险性评价

孟召平,郝海金,张典坤,张贝贝,欧龙军

(1.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌 443002;2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;3.国家能源煤与煤层气共采技术重点实验室,山西晋城 048204)

晋城成庄井田煤层气直井开发后煤层底板突水危险性评价

孟召平1,2,郝海金3,张典坤3,张贝贝2,欧龙军2

(1.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌 443002;2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;3.国家能源煤与煤层气共采技术重点实验室,山西晋城 048204)

以晋城矿区成庄井田为依托,分析煤层气开发后煤层底板岩石破裂压力、地应力、煤层底板含水层水压和隔水层有效厚度等条件,建立了煤层气开发后煤层底板突水危险性评价理论与方法,揭示煤层气直井开发对煤炭开采底板突水影响机制。研究结果表明:煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压使煤层底板隔水层形成贯通的破裂,如果隔水层中的最小水平主应力大于承压水的水压,从应力方面,就不会发生突水,如果相反,就会发生突水;煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压未能使底板隔水层形成贯通的破裂,开采煤层承受的水压与煤层到主要含水层间有效隔水层厚度之比,决定了煤层底板突水危险性。根据煤层底板隔水层岩石破裂压力、水压和水压与隔水层厚度比值等关键参数,将煤层底板突水危险性划分为安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全性差或有危险(III)和安全性极差或极有危险(Ⅳ)4类。成庄井田太原组15号煤层距奥灰含水层间距小,且变化大,煤层气垂直井开发后煤炭开采受奥灰水威胁。如果9号煤层气完井深度与煤炭开采底板破坏深度15 m相同计算,煤层底板突水危险性主要为中等安全,仅在深部存在突水危险性;煤层气开发后3号煤层开采过程中不会发生底板突水。

煤层气;直井开发;煤层底板;突水危险性;晋城成庄井田

煤层气开发直井一般都在煤层底板下40～50 m完井[1],对于华北型石炭—二叠系煤田煤层下伏奥陶系灰岩含水层(简称奥灰含水层),如果煤层到奥灰含水层之间层间距小,煤层气开采对地下隔水层很容易产生扰动破坏,在煤层气开发后煤炭开采存在底板突水危险性。因此,研究煤层气开发后地下水与采掘的关系,揭示煤层气开发后对未来煤炭开采突水危险性影响机制,并采取相应措施,对于未来煤炭安全开采具有理论和实际意义。

关于煤炭开采底板突水及防治研究方面,我国学者开展了大量研究,建立了煤层底板突水评价理论与方法,并取得了显著进展和成效[2-6]。20世纪60年代我国学者总结了大量突水案例,从促发与阻抗突水两方面的诸多因素中筛选出含水层水压和隔水层厚度两个主要因子,提出了突水系数的概念,建立了突水系数的经验公式并很快在全国推广使用,一直沿用至今[2-4]。由于煤层气开发都要采取增产强化措施,煤层气钻井工程和水力压裂对煤层顶底板和矿井充水条件产生影响,对未来煤炭安全开采带来影响,至今有关煤层气井开发对未来煤炭开采影响研究的文献资料不多。孟召平等[7]分析了煤层气随地下水运移逸散作用和水力封闭控气作用;进一步分析了水文地质条件对煤层气开采的影响。宋志敏等[8]针对沁水盆地煤层气开发实际,基于滤失效应下的水力压裂预测模型评价了水力压裂效果,探讨了压裂裂缝对煤层顶底板的影响。雷波等[9]以山西省晋城矿区寺河煤矿3号煤层某个回采工作面为例,通过矿井煤层压裂效果观测,采用有限元方法,模拟了煤层气井水力压裂对煤炭安全生产的影响,并指出在水力压裂裂缝延伸的端部处出现了局部应力集中区域和局部应力减少区域并存的现象,进而影响煤炭开采回采工作面应力分布。杨焦生等[10]采用大尺寸(300 mm× 300 mm×300 mm)真三轴试验系统,研究了地应力、天然割理裂缝、隔层及界面性质对沁水盆地高煤阶煤岩的水力裂缝扩展行为及形态的影响。Warpinski和Anderson以及Hanson M E研究了水力裂缝穿越隔层的条件和行为[11-13]。杨海亮[14]从钻孔过程和排采过程,探讨了煤层气地面开发对地下水的影响,但是并未考虑对后期煤炭开采的影响以及防护措施。由于准确的煤层气井开发(钻井和水力压裂)对煤层底板扰动破坏和煤层气开发后地下水与采掘的关系资料相对缺乏,相关研究成果不多,使对煤层气开发后煤炭开采底板突水危险性认识受到一定限制。因此笔者以晋城矿区成庄井田为依托,分析煤层气开发后地下水与采掘的关系,揭示煤层气直井开发对煤炭开采底板突水影响机制;建立了煤层气开发后煤炭开采底板突水危险性评价理论与方法,为煤炭安全开采提供可靠的地质保障。

1 研究区地质概况

成庄矿位于沁水煤田南端,晋城市西北20 km处,跨泽州和沁水两县。于1989-12-20开工建设, 1997-09-19正式验收移交投产,原设计生产能力400万t/a,设计服务年限94 a。2005年核实生产能力为800万t,2005年原煤产量实际达到800万t。成庄井田构造上位于沁水盆地东南端,主要为一走向北北东(北部)逐渐转折为北东向(南部)、倾向北西的单斜构造。地层平缓,倾角3°～15°,在此单斜基础上发育着幅度不大的两翼平缓、开阔的背向斜褶皱构造。伴有少数落差较小,延伸长度较短的高角度正断层。研究区地层为典型的华北地区地层,含煤地层主要为上古生界石炭—二叠系,主要煤层为山西组3号煤层、太原组9号煤层和15号煤层,为高变质无烟煤,煤层含气量较大,是煤层气勘探开发的目标层。成庄井田目前矿井只开采3号煤层,一盘区已回采完毕,二、三、四盘区正在开采。在煤层开采前进行地面煤层气抽采,煤层气钻井一般下到石炭系太原组15号煤下部40～50 m。根据地质资料,该区奥灰含水层水位标高为454.70～535.00 m;而煤层开采标高为420～730 m,奥灰含水层的水位要高出各煤层底板0～112 m。在这种情况下,煤层气钻井有导通奥灰水的可能。目前,山西蓝焰煤层气公司已在晋城矿区成庄矿范围内施工煤层气井260余口,该区煤层气开发均采用联层开采方式,即3号、9号、15号煤同时开采煤层气。生产实践表明,某些井液面迟迟不能下降,一直维持在3号煤层上面,液面降低困难,有可能与煤层底部奥陶系灰岩含水层水形成了沟通,在煤层气开发后煤炭开采过程中有可能存在突水隐患。

2 基于煤层底板应力、破裂压力和厚度的突水危险性评价理论与方法

2.1 煤层底板应力、破裂压力对突水的控制

在岩石力学中,“水压致裂”(hydraulic fracturing)一词是指在密封裸孔中注入一定压力水,使岩石发生张性破裂,是经典的流固耦合作用下的渗流破坏问题,该现象与岩层破断突水具有相同的力学原理。在最初的水压致裂理论中,一个基于线弹性的破裂力学理论,一直被广泛地使用。煤层底板岩石破裂压力(Pf)反映了岩石抗水压的能力,即

式中,σhmax和 σhmin分别为最大和最小水平主应力,MPa;T为岩石抗拉强度,MPa;P0为初始孔隙压力,MPa。

煤层底板突水的力学条件是:

(1)若煤层底板岩石破裂压力大于水压(Pf＞Pw),从岩体强度方面,则不产生突水,其突水危险性取决于水压与隔水层厚度比值(即突水系数);

(2)若煤层底板岩石破裂压力小于水压(Pf＜Pw),则有可能突水。其突水与否主要取决于最小水平主应力(σhmin)。

煤层底板突水的地质力学条件[15]如下:

(1)煤层气井煤层底板完井深度h2和采动矿压与承压水的水压使底板隔水层形成贯通的破裂,即

其中,h1,h3分别为采动破坏深度和水压破坏深度,m;h2为煤层气井煤层底板完井深度,m;M为底板隔水岩层厚度,m。即无论它是地质构造作用先期形成的,还是后来煤层气开发钻井及压裂改造和煤炭开采工程中煤层底板采动破坏造成的,只要使底板隔水岩层破坏至一定深度,且与下部承压水导升高度相沟通或波及到下部含水层时,其岩体强度就会降低,造成底板渗流强度增大,但这时不一定突水,如果煤层底板隔水层中最小水平主应力大于承压水的水压,即Pw＜σhmin,从应力方面,就不会发生突水,其突水危险性取决于水压与隔水层厚度比值(即突水系数);如果相反,就会发生突水。

(2)煤层气井煤层底板完井深度h2和采动矿压与承压水的水压未能使底板隔水层形成贯通的破裂,即

这时不会产生压裂扩容作用突水,其安全性取决于有效隔水层厚度。

(3)煤层气井煤层底板完井深度为h2和采动矿压与承压水的水压使底板隔水层产生贯通的破裂,且承压水的水压大于隔水层中的最小水平主应力,这时产生压裂扩容作用而突水,即

当h1＞h2时

当h1≤h2时

如开滦矿区在地震以后,一些矿井涌水量增大,突水次数明显上升,其原因是地震后地应力释放,使地应力减小,特别是断裂带中地应力的下降幅度很大,这样在震前不出水的,震后在同样条件下就有可能出水。

2.2 突水系数

煤层底板隔水层厚度是指开采煤层底板至含水层顶面之间隔水岩层的厚度。煤层底板抗水压能力除与煤层底板岩石破裂压裂有关外,还与煤层底板隔水层厚度有关。根据开滦范各庄矿12煤层底板突水资料统计表明,该区煤层底板泥岩极限厚度与水压之间呈正相关关系[1-2]。

根据国内一些矿井和矿区以往承压水体上开采过程中突水和未发生突水工作面的底板承受的极限水压Pw与底板隔水层厚度h关系的资料统计,得出Pw与h具有二次幂函数关系,即

其中,a,b和c为与突水地质条件相关的回归系数。这些均表明,煤层底板抗水压能力与煤层底板隔水层厚度呈正相关关系。

煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压未能使底板隔水层形成贯通的破裂,煤层底板隔水层承受的水压与煤层到含水层间有效隔水层厚度之比,决定了煤层底板突水危险性。

当水压与隔水层厚度比值小于临界突水系数时,可以安全回采,否则应采取防治水措施保证安全生产。

我国学者早在1964年就开始了底板突水规律的研究,并在焦作水文会战中,以煤炭科学研究总院西安分院为代表,提出了采用突水系数作为预测预报底板突水与否的标准。突水系数就是单位隔水层所能承受的极限水压值,即

式中,Ts为突水系数。

突水系数在数值上相当于“相对隔水层厚度”的倒数。20世纪七八十年代,煤炭科学研究总院西安分院水文所曾先后两次对突水系数的表达式进行了修改。在考虑矿压和水压破坏因素时,从隔水层厚度中减去了矿压和水压对底板的破坏深度。

如果考虑煤层气井在煤层底板完井深度时,从隔水层厚度中减去矿压和水压对底板的破坏深度和煤层气井在煤层底板完井深度。

2.3 突水危险性评价分类

煤层底板突水危险性受控于煤层底板岩石破裂压力、地应力、煤层底板含水层水压和隔水层有效厚度等条件,因此,根据煤层底板隔水层岩石破裂压力、水压和突水系数(表1)等关键参数,将煤层底板突水危险性划分为安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全性差或有危险(III)和安全性极差或极有危险(Ⅳ)4类,见表1。

(1)安全(Ⅰ):煤层底板岩体力学强度高,抗水压能力强,隔水性能好,采掘工程一般不受水害影响;防治水工作简单。

表1 煤层底板突水危险性评价分类Table 1 Evaluation classification of water inrush risk for coal floor

(2)安全中等(II):煤层底板岩体力学强度中等,抗水压能力中等,隔水性能中等,采掘工程受水害影响,但不威胁矿井安全生产;防治水工作简单或易于进行。

(3)有危险(III):煤层底板岩体力学强度较差,抗水压能力差,隔水性差,采掘工程受水害威胁大;防治水工程量较大,难度较高,防治水的经济技术效果较差。

(4)极有危险(Ⅳ):煤层底板岩体力学强度极低,抗水压能力极差,隔水性极差,矿井突水频繁,来势凶猛,含泥砂率高,采掘工程、矿井安全受水害严重威胁;防治水工程量大,难度高,往往难以治本,或防治水的经济技术效果极差。

3 成庄井田煤层底板突水危险性评价

3.1 煤层底板岩体应力、破裂压力和水压力

在煤层气开发中采用水力压裂方法对沁水盆地南部主采煤层原岩应力进行了测量。根据沁水盆地南部1 200 m以浅的45个主采煤层原岩应力资料统计表明[16-19]:

(1)研究区二叠系山西组3号煤层在埋藏深度334.90～1 122.3 m 内,煤层破裂压力 6.44～27.74 MPa,平均12.21 MPa;破裂压力梯度1.49～2.96 MPa/(100 m),平均2.01 MPa/(100 m);闭合压力3.30～26.40 MPa,平均10.05 MPa;闭合压力梯度 0.99～2.85 MPa/(100 m),平均 1.70 MPa/ (100 m)。煤储层压力 1.34～12.60 MPa,平均4.41 MPa;煤储层压力梯度 0.28～1.08 MPa/ (100 m),平均0.71 MPa/(100 m)。

(2)石炭系太原组 15号煤层在埋藏深度429.0～1 077.65 m 内,煤层破裂压力 10.30～23.60 MPa,平均14.62 MPa;破裂压力梯度1.62～2.71 MPa/100 m,平均2.17 MPa/(100 m);闭合压力8.00～20.76 MPa,平均12.51 MPa;闭合压力梯度1.37～2.26MPa/(100m),平均 1.85 MPa/ (100 m);煤储层压力 2.67～12.63 MPa,平均5.42 MPa;煤储层压力梯度 0.46～1.18 MPa/ (100 m),平均0.78 MPa/(100 m)。

根据煤层底板的埋藏深度、最大主应力、最小主应力和储层压力计算模型[9]以及奥陶系灰岩含水层水位观测资料,编制了成庄井田15号煤层底板岩体最小水平主应力和破裂压力以及15号煤层底板受奥陶系灰岩含水层水压分布图,如图1,2所示。对比图1,2可以看出,成庄矿15号煤层底板岩体最小水平主应力 6.80～11.48 MPa,破裂压力 8.31～13.31 MPa,15号煤层底板受奥灰含水层的水压力为1.11～2.39 MPa。

图1 15号煤层底板最小水平主应力和岩石破裂压力等值线Fig.1 Isoline map of minimum horizontal principal stress and rock fracture pressure in the No.15 coal floor

图2 奥灰含水层水压等值线Fig.2 Hydraulic isoline map of the Ordovician limestone aquifer

研究区内水压(Pw)/最小水平主应力(σhmin)比值为0.12～0.31,平均为0.22;水压(Pw)/破裂压力(Pf)比值为0.009～0.037,平均为0.021,因此成庄矿15号煤层底板岩体最小水平主应力(σhmin)和破裂压力(Pf)均大于煤层底板水压(Pw)。因此从煤层底板岩体应力和强度方面看,在无断裂破坏和卸压条件下是不会发生底板突水的。其突水危险性取决于水压与隔水层厚度比值(即突水系数)。

3.2 水压与隔水层厚度比值

3.2.1 主采煤层至奥灰含水层之间岩性和厚度

本区煤系为海陆交替相含煤沉积,岩性由砂岩、粉砂岩、泥岩、灰岩和煤组成,沉积旋回明显,纵、横剖面上岩性具一定变化(表2和图3)。

表2 主采煤层与奥灰含水层之间岩性和厚度统计Table 2 Lithology and thickness statistics between the main coal seam and the Ordovician limestone aquifer

如表2和图3所示,对主采煤层开采充水和安全构成威协的底板主要含水层为奥陶系灰岩含水层。

太原组15号煤层距奥灰含水层间距小,其间距为4.45～44.5 m,平均为16.27 m,且变化大,岩性主要为泥岩,平均占86.37%,煤炭开采受奥灰水威胁最大。太原组9号煤层距奥灰含水层间距较大,其间距为46.46～83.50 m,平均为58.57 m,其中9号煤层到 15号煤层之间间距变化不大,为 28.18～48.07 m,平均为38.5 m,其岩性主要为砂岩、灰岩和泥岩,其中泥岩百分比含量平均为40.44%。山西组3号煤层距奥灰含水层间距大,其间距为93.10～128.40 m,平均为107.72 m,且变化也不大,其中3号煤层-9号煤层间距为38.48～56.04 m,平均为48.12 m,泥岩百分比含量平均为65.02%。煤层底板奥灰含水层只有在导水构造破坏隔水层的完整性时才有可能向3号煤层采区突水。

图3 成庄井田沿煤层走向和倾向沉积断面Fig.3 Deposition profile along coal seam strike and dip in Chengzhuang mine field

3.2.2 3号煤层底板突水危险性

根据理论计算和现场探测可知,本区煤炭开采底板破坏深度一般为15～20 m;按煤层气钻井在3号煤下部40 m完井计算,煤层气开发后煤炭开采过程中煤层底板突水危险性按式(11)计算,如图4所示。本区煤层气开发后3号煤层煤炭开采过程中不会发生煤层底板突水,突水危险性类型主要为安全(Ⅰ)和中等安全(II)类型。

3.2.3 9号煤层底板突水危险性

同样,按煤层气钻井在9号煤下部40 m完井计算,煤层气开发后煤炭开采过程中煤层底板突水危险性按式(11)计算,计算结果如图5(a)所示。

图4 煤层开发后3号煤层底板突水危险性评价Fig.4 Water inrush risk of the No.3 coal seam after CBM development

图5 煤层气开发后9号煤层底板突水危险性评价Fig.5 Water inrush risk of the No.9 coal seam after CBM development

本区煤层气开发后9号煤层煤炭开采过程中的中、深部煤层底板存在突水危险性,浅部为中等安全,煤层底板突水危险性类型主要为中等安全(II)、安全性差或有危险(III)和安全性极差或极有危险(Ⅳ)3类(图5(a))。

如果煤层气钻井完井深度与煤炭开采底板破坏深度15 m相同计算,煤层底板突水危险性主要为中等安全(II),仅在深部存在突水危险性(III)(图5(b))。

3.2.4 15号煤层底板突水危险性

如上分析可以看出,太原组15号煤层距奥灰含水层间距小,且变化大,煤炭开采受奥灰水威胁最大。在不考虑煤层气开发和煤炭开采煤层底板破坏深度影响下,煤层底板存在突水危险性,其危险性类型为安全性差或有危险(III)和安全性极差或极有危险(Ⅳ)2种类型(图6)。如果考虑煤层气开发和煤炭开采煤层底板破坏深度影响,主要为安全性极差或极有危险(Ⅳ)类型。

图6 15号煤层底板突水危险性评价Fig.6 Water inrush risk of the No.15 coal seam

4 结 论

(1)煤层底板突水危险性受控于煤层底板岩石破裂压力、地应力、煤层底板含水层水压和隔水层有效厚度等条件。

(2)煤层气井煤层底板完井深度h2和采动矿压与承压水的水压使底板隔水层形成贯通的破裂;如果隔水层中的最小水平主应力大于承压水的水压,即Pw＜σhmin,从应力方面,就不会发生突水,其突水危险性取决于水压与隔水层厚度比值;如果相反,就会发生突水。

(3)煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压未能使底板隔水层形成贯通的破裂,开采煤层承受的水压与煤层到主要含水层间有效隔水层厚度之比,决定了煤层底板突水危险性。

(4)根据煤层底板隔水层岩石破裂压力、水压和突水系数等关键参数,将煤层底板突水危险性划分为安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全性差或有危险(III)和安全性极差或极有危险(Ⅳ)4类。

(5)成庄井田太原组15号煤层距奥灰含水层间距小,且变化大,煤层气垂直井开发后煤炭开采受奥灰水威胁;9号煤层如果煤层气钻井完井深度与煤炭开采底板破坏深度15 m相同计算,煤层底板突水危险性主要为中等安全,仅在深部存在突水危险性;煤层气开发后3号煤层煤炭开采过程中不会发生煤层底板突水。

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Assessment of water inrush risk of coal floor after CBM development using vertical wells at Chengzhuang mine field in Jincheng

MENG Zhao-ping1,2,HAO Hai-jin3,ZHANG Dian-kun3,ZHANG Bei-bei2,OU Long-jun2

(1.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area,Ministry of Education,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;2.College of Geosciences and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;3.State Energy Key Laboratory of Joint Exploitation of Coal and Coal-Bed Methane,Jincheng 048204,China)

At Chengzhuang mine field in Jincheng mining area,the fracture pressure of coal floor rock,in situ stress, the hydraulic pressure of aquifer in the coal floor and the aquifuge thickness were analyzed after coal-bed methane (CBM)development.The theory and method for evaluating water inrush risk in coal floor after CBM development were developed.The influence mechanism of CBM vertical wells development on coal floor water inrush during coal miningwas obtained.The results show that the completion depth of CBM wells,the underground pressure in coal mining and the water pressure make the aquifuge in the coal floor break through rupture.If the minimum horizontal stress in aquifuge is greater than the hydrostatic pressure of confined water,the water inrush would not occur,otherwise,the water inrush would occur.If the completion depth of CBM wells and the underground pressure in mining and the water pressure of confined water do not make coal floor aquifuge break through rupture,the ratio of water pressure of the aquifer in the coal floor to effective aquifuge thickness between coal seam and the aquifer determines the water inrush risk of the coal floor.According to key parameters of the fracture pressure of coal floor rock,water pressure and the ratio of water pressure to aquifuge thickness,the water inrush risk in the coal floor is divided into four types:safety(I),medium safety(II),poor safety or danger(III)and extremely dangerous(IV).The distance between No.15 coal seam of Taiyuan formation and the Ordovician limestone aquifer is small,and the variation is large.The coal mining after CBM vertical wells development is threatened by the confined water in Ordovician limestone.Water inrush from No.3 coal floor does not occur in coal mining after CBM development.If the completion depth of CBM wells for No.9 coal seam and the coal floor damage depth caused by the coal mining are same according to the calculation under coal floor 15 m,the water inrush risk of coal floor is mainly the type of medium safety,however,there is a water inrush risk in the deep area.

coal-bed methane(CBM);vertical wells development;coal floor;water inrush risk;Chengzhuang mine field in Jincheng

P618.11;TD745

A

0253-9993(2014)09-1899-08

2014-05-21 责任编辑:韩晋平

国家自然科学基金资助项目(41372163,41172145);山西省煤层气联合研究基金资助项目(2012012014)

孟召平(1963—),男,湖南汨罗人,教授,博士生导师,博士。E-mail:mzp@cumtb.edu.cn

孟召平,郝海金,张典坤,等.晋城成庄井田煤层气直井开发后煤层底板突水危险性评价[J].煤炭学报,2014,39(9):1899-1906.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8021

Meng Zhaoping,Hao Haijin,Zhang Diankun,et al.Assessment of water inrush risk of coal floor after CBM development using vertical wells at Chengzhuang mine field in Jincheng[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1899-1906.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8021