废弃石油井对煤层安全开采的影响评价*

2020-08-05索永录刘颖凯

陕西煤炭 2020年4期

索永录，李凡，刘颖凯

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054；2.教育部西部矿井灾害防治重点实验室，陕西西安 710054)

0 引言

我国有不少煤矿处于煤炭资源与石油资源共储区[1]，先期开采石油后遗留的废弃石油井会给后续煤炭资源的安全开采造成巨大困难[2]。神华宁煤双马煤矿位于宁东地区马家滩矿区，双马井田内共有170个废弃石油井。由于废弃石油井将煤层和含油层相互贯通，并将煤层与含水层导通，井内大量高压油气和含水层内大量水会向临近采掘工作面泄入，从而严重威胁到煤层安全高效开采。开展废弃石油井对煤层安全开采影响进行评价研究,有助于对因石油井引发的灾害进行有效防治，以保证井下安全高效采煤。

关于煤矿生产安全评价，优良可劣评价法将煤矿各生产活动定性地划分为优、良、可和劣4个等级[3]；矿山安全评价法[4]通过建立瓦斯爆炸、水灾、火灾和冒顶评价函数分别对各评价因子评价，然后对照危险性分级表确定矿井危险等级；Denby B[5]基于专家系统法提出了煤矿风险评价方法；朱国宏[6]基于危险性识别原则提出了预先危险性分析法，并对临时停工的独头巷道进行了分析评价；基于模糊数学理论，有学者提出了模糊故障树分析法和模糊概率法[7-8]；徐畅[9]应用模糊数学对露天矿山的安全生产状况进行了综合评价；程卫民[10]基于经典统计和模糊统计提出了能有效确定具有随机、模糊性质评价指标安全度值的集值统计法；曹庆奎[11]等基于煤矿安全评价影响因素建立了较客观的煤矿安全评价指标体系；杜震宇[12]等根据物元和可拓理论建立了煤矿安全评价的可拓优度评价模型；王玉环[13]等基于层次分析法建立了多级模糊评价模型，并对煤矿生产安全评价进行了实例分析。以上研究多为对整个煤矿生产系统进行大致安全评价，方法较单一，评价结果主观性较大，且对深入考虑废弃石油井对井下采煤安全影响的类似评价研究较少。为此，根据双马煤矿范围内存留的废弃石油井及其周围煤岩层的实际情况，综合运用层次分析法和模糊综合评价法，针对废弃石油井对煤层安全开采的影响进行深入研究[14]。首先分析废弃石油井对煤层安全开采的影响；然后在此基础上用层次分析法确定评价系统的结构层次和各层次评价因素、指标所占的权重；最后运用模糊综合评价法分别对评价因素和评价目标进行评价，以得到各评价因素对煤层安全开采的影响程度以及废弃石油井对煤层安全开采的整体影响等级。

1 废弃石油井对煤层安全开采的影响分析

双马煤矿位于宁夏回族自治区灵武市东南约60 km处，设计可采储量539.81 Mt，设计生产能力4.0 Mt/a，服务年限为96.4 a。该矿处于石油资源与煤炭资源共储区，目前在该井田范围内共排查出170口废弃石油井。以当前对井下采掘工作面影响最大的马探31号石油井为具体对象进行分析。

1.1 石油井基本结构

马探31号废弃石油井成井于1970年前后，由于年代久远，相关资料非常缺乏，其套管、固井及封井等情况不明。一般石油井都下设有套管，在套管与井壁之间的环形空间内注入石油水泥浆进行固井，双马矿区石油井结构如图1所示。也有一些特殊的石油井不下设套管(可称裸眼井)。

图1 石油井结构示意

1.2 灾害因素分析

通过对双马煤矿的煤层及矿井基本条件和油层及石油井特征的综合分析，发现开采井周围煤层存在3类灾害：油气因素、水因素和顶板因素灾害。

油气因素灾害分析：油气灾害是指石油井将煤层与含油层导通，含油层内的原油和与原油伴生或从原油中裂解的油层气顺着石油井大量涌入井下采掘工作面，从而造成井下人员伤亡和设备损坏的灾害。油气灾害主要体现在油气易燃易爆、有毒及腐蚀井下设备、污染井下环境等方面。含油层中的油气在废弃石油井内可能会积聚大量的高压有毒有害气体和原油，当工作面推至石油井附近以及揭露石油井时，高压有害气体和原油可能会通过石油井突然大量涌入、甚至喷入煤矿井下采掘工作面，油气灾害示意图如图2所示。油气灾害危害程度主要取决于井内有无套管、套管损坏程度、封井情况以及井内油气压力大小。套管完好时，井内油气与井周围煤层基本被隔离，开采井周围煤层所受油气危害程度较小。封井水泥质量好且将各含油层都彻底封堵住时，含油层内的油气无法侵入石油井以及煤层，井周围采煤及揭井较安全。井内油气压力高时，高压油气会在周围煤层内大范围扩散渗流并异常突出，造成煤层内易燃易爆油气大量积聚以及巷道与工作面内有毒有害气体浓度严重超限，导致井周围采煤困难；此外，揭井时面临高压油气喷入工作面的威胁大。

图2 油气灾害示意

水因素灾害分析：水灾害是指开采煤层上方含水层中的水通过石油井突然大量溃入井下采掘工作面而引发的灾害。水灾害主要体现在溃水会恶化井下工作环境及淹井等方面。可能被石油井导通的含水层中的水会在井内大量汇集，无套管时，井内的水可能会在揭井时溃入工作面；有套管且固井高度不足时，工作面还可能会在切割套管时遭受二次溃水灾害，其灾害示意图如图3所示。水灾害危害程度主要取决于井内有无套管、套管损坏程度、封井情况、固井质量、含水层导通情况、含水层富水性以及水头高度。套管与封井水泥对水灾害的影响作用与对油气灾害的类似。固井质量好且固井高度高于含水层时，溃水危害小；固井高度低于含水层但高于煤层顶板时，揭井时不会遭受二次溃水灾害。含水层和煤层被石油井很好地导通且含水层富水性强时，揭井时将会有源源不断的水体从含水层涌向工作面。井内或套管与岩层之间空隙内存在高水头地下水时，揭井时面临高压水冲击工作面的威胁大。

图3 水灾害示意

顶板因素灾害分析：顶板灾害分为2种，一种是指有套管并且固井质量好的石油井在地层中会起到“超级锚杆”作用，加固煤层附近的岩层，致使采场局部顶板不易垮落，形成的大面积悬顶突然大范围垮落而造成的灾害；另一种是指地质条件差时，井壁容易坍塌，在揭井时石油井附近顶板发生严重冒落的灾害[15]。顶板灾害示意图如图4所示。2种顶板灾害危害程度主要取决于井内有无套管、套管损坏程度、封井情况、固井质量以及煤层上覆岩层地质条件。套管完好且封井效果好时，“超级锚杆”的强度好，更容易引发第1种顶板灾害。固井水泥质量好且泥浆与各岩层紧密结合时，“超级锚杆”对各地层的加固作用更大，同样也更容易引发第1种顶板灾害。煤层上覆岩层强度较差且容易破碎时，井下面临第2种顶板灾害的威胁较大。

图4 顶板灾害示意

2 废弃石油井对煤层安全开采影响的层次分析

2.1 层次分析法选用依据

层次分析法是一种用于确定评价指标因素权重向量的系统分析方法。废弃石油井对采煤影响评价的系统较为复杂，影响指标因素多且存在不确定性，各指标因素的重要程度也较难把握。层次分析法不仅适用于存在不确定性和主观信息的情况，还允许以合乎逻辑的方式运用经验、洞察力和直觉去较准确地衡量各指标因素的相对重要性[16]，可以通过特定的处理方法将影响安全采煤的定性指标转化为定量指标，从而能够较好地保证权重值的客观性和准确性。因此该方法在本文中具有很好的实用性。

2.2 分析过程

建立层次结构模型：明确各层次及各因素之间的逻辑关系，将系统划分为目标层、准则层和指标层。根据废弃石油井对煤层安全开采的影响分析，确定准则层为油气、水和顶板3类灾害，指标层为各类灾害下的影响因素，评价系统层次结构模型如图5所示。

图5 评价系统层次结构模型

构造判断矩阵：对同一层次中同属一个子系统的各因素进行两两权重比较，并构造判断矩阵。假设某因素C所包含的下一层指标为C1、C2、…、Cn，构造出如下判断矩阵C。

(1)

式中，cii=1；cij·cji=1。在进行两两比较分析时，一般引用1～9标度法来实现判断矩阵的量化[17]，见表1。

表1 标度及其含义

邀请双马煤矿现场有关专家对3类灾害及影响各类灾害因素彼此之间相对重要性进行评判，由此构造以下4个判断矩阵。

(2)

求出最大特征值及其对应特征向量：借助Matlab软件求出各判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量，并对特征向量进行归一化处理，见表2。

表2 最大特征值、特征向量及一致性检验表

进行一致性检验：对判断矩阵偏离的一致性指标进行计算判断。一般认为当CR<0.1时，判断矩阵的一致性可以被接受，即判断矩阵选取合理[18]，其特征向量即为各指标对上一层指标因素的权重向量。一致性指标计算公式为

(3)

式中，RI—平均随机一致性指标，取值见表3；n—判断矩阵阶数。

表3 平均随机一致性指标

由表2可知，将4个最大特征值代入到一致性指标计算公式进行检验，检验结果均符合要求。3类灾害中油气灾害所占权重最大，为0.648 3，说明油气灾害对煤层安全开采的威胁最大。

3 废弃石油井对煤层安全开采影响的模糊综合评价

3.1 模糊综合评价法选用依据

模糊综合评价法是美国扎德教授创立的应用模糊关系合成原理，从多个因素对被评价事物隶属度等级状况进行综合评价的一种方法[19]。废弃石油井对采煤影响的不确定指标因素多，指标模糊性大，影响程度难以量化。模糊综合评价法可以对难以定量分析的模糊影响程度进行主观定性描述，以隶属度函数为桥梁将各指标因素的模糊性加以度量，结合前文层次分析法，可以定性定量地综合考虑各种影响指标因素，能从很大程度上减少个人主观臆断所带来的弊端，使得文章评价结果准确合理。因此选用该方法具有很大的优越性。

3.2 评价过程

建立评价指标体系并确定指标权重：建立综合评价因素集以建立评价指标体系，并确定每个指标的权重。因素集是以评价对象的各种因素为元素所组成的一个普通集合，通常用U表示，即

U={u1,u2,…,um}

(4)

对应于因素集的权重集通常用A表示，即

A={a1,a2,…,am}

(5)

根据废弃石油井对煤层开采的影响分析，确定第1层因素集包括油气因素灾害(u1)、水因素灾害(u2)和顶板因素灾害(u3)，第2层因素集包括各灾害的影响因素，以此构建评价指标体系，见表4。由前文层次分析法可知，各判断矩阵均选取合理，由此确定各指标权重，见表4。

表4 评价指标体系及权重分配表

确定评价评语集并进行单因素评价：评语集是评价者对评价对象可能做出的各种评价所组成的集合，通常用V表示。

V={v1,v2,…,vn}

(6)

选用合适的隶属度函数[20]对各个评价指标进行评价，以各单因素评价集为行组成模糊综合评价矩阵R

(7)

式中，rij(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)—评价指标ui对评价等级vj的隶属度，其反映评价指标与评价等级间用隶属度表示的模糊关系。

将双马煤矿马探31号废弃石油井对采煤影响的评价指标按照等级划分，用数字区间加以约束，此文章选用5等级评语集，即V={较轻微，轻微，较严重，严重，很严重}，把评价标准模糊化，进而将主观性评判转化为客观定量评价，见表5。根据双马煤矿马探31号废弃石油井的相关资料及其地面治理时进行的现场调查，对影响井下采煤的各指标因素进行确认，并对无法确认的指标因素进行合理地推断。地面治理时未发现套管，推断无套管；井口有表层封井水泥，推断井内无封井水泥或有封井水泥但长度很短且效果很差；实测井内气体压力最大达13.992 MPa；井底有一小段固井水泥，由于固井久远，推断固井水泥强度及性能一般；水文地质资料显示煤层上方有5个主要含水层组，并且直罗组含水层局部富水性强，推断含水层组被局部导通；推断水头较高；地质资料显示顶板多为粉、细粒砂岩，其它上覆岩层岩性及赋存状态较好。

表5 评价等级划分表

邀请7位相关专家针对各指标因素的以上情况对其打分，满分10分，去掉每个指标的最高分和最低分，将剩余的进行平均，见表6。根据平均分按应用最广泛的梯形隶属度函数(表达式如下)计算每个平均分对应于每个评价等级的隶属度，并记录于模糊关系表中，见表7。由于顶板灾害中的套管、封井水泥和固井水泥指标因素所起的作用与在其他灾害中的相差太大，因此对其重新打分。油气压力按实测处理。

2011年区域内有80 394人，全部为农村人口，用水量134.3万m3，用水定额为 45.8L/（人·d）；大牲畜 37 567头，用水定额为 60 L/（头·d）；小牲畜43035 头，用水定额为 25L/（头·d）。实际灌溉面积27800亩（15亩=1 hm2，下同）其中菜田为7 700亩，用水量355.7万m3，其中菜田134.75万m3，用水定额水浇地为110m3/亩，菜田为175m3/亩。工业用水量为709万m3。2011年区域总用水量为1353.3万m3。