長(zhǎng)壁開(kāi)采區(qū)內(nèi)垂直頁(yè)巖氣井穩(wěn)定性研究.pdf

1、近年來(lái)隨著美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在東部阿巴拉契煤田內(nèi)出現(xiàn)了很多穿長(zhǎng)壁開(kāi)采區(qū)的垂直頁(yè)巖氣井。由于井筒直徑較?。?5~40 cm），對(duì)煤層開(kāi)采引起的巖層移動(dòng)變形更為敏感，尤其是在具有高采出率的長(zhǎng)壁開(kāi)采影響下，井筒容易出現(xiàn)大變形甚至失穩(wěn)。針對(duì)該問(wèn)題，論文以美國(guó)賓夕法尼亞州西南部地區(qū)匹茲堡煤層與深部馬塞勒斯頁(yè)巖氣的協(xié)調(diào)開(kāi)采為工程背景，運(yùn)用理論分析、理論計(jì)算和數(shù)值模擬等研究方法對(duì)長(zhǎng)壁開(kāi)采區(qū)內(nèi)垂直頁(yè)巖氣井的穩(wěn)定性問(wèn)題展開(kāi)較為系統(tǒng)地研究，主要研究

2、工作及成果如下：
　?。?）長(zhǎng)壁開(kāi)采引起的覆巖運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致穿過(guò)采區(qū)的垂直頁(yè)巖氣井發(fā)生各類(lèi)變形的根本原因。煤層采動(dòng)影響下，氣井失穩(wěn)模式包括剪切失穩(wěn)、拉伸失穩(wěn)、壓縮（屈曲）失穩(wěn)以及剪切和拉伸或壓縮變形共同作用下的扭曲失穩(wěn)，其中剪切失穩(wěn)是垂直頁(yè)巖氣井失穩(wěn)的最主要模式。
　?。?）軟硬巖層間的弱接觸面是影響垂直氣井穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。接觸面上的水平剪切、垂向拉伸和壓縮變形對(duì)于接觸面的法向、切向剛度和內(nèi)摩擦角的變化更為敏感。隨接觸面的剛度增

3、加，層間水平剪切和垂向壓縮近似按對(duì)數(shù)函數(shù)減小，垂向拉伸離層近似線(xiàn)性減小；隨接觸面內(nèi)摩擦角增大，層間剪切位移按對(duì)數(shù)函數(shù)減小，垂向拉伸和壓縮變形近似按線(xiàn)性和對(duì)數(shù)函數(shù)增加。井筒上述變形對(duì)于巖體的彈性參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)的變化敏感性很弱。
　?。?）通過(guò)開(kāi)展圍巖賦存特征對(duì)氣井變形影響的數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)接觸面上的水平剪切、垂向拉伸和壓縮變形均隨煤層采高和覆巖內(nèi)單層巖層厚度增加而按對(duì)數(shù)或線(xiàn)性函數(shù)增大。巖層組合為“上硬下軟”形態(tài)時(shí)層間接觸面上的剪切

4、位移更大；基巖上部第一層巖層較薄時(shí)，其與上方表土層間的接觸面上并不會(huì)出現(xiàn)很大的剪切位移；覆巖內(nèi)極薄軟弱夾層對(duì)井筒剪切變形無(wú)特殊影響。傾斜煤層傾角愈大，井筒愈易發(fā)生剪切扭曲失穩(wěn)；傾斜煤層走向長(zhǎng)壁工作面宜按照“先深水平、后淺水平”的順序開(kāi)采，傾斜長(zhǎng)壁工作面采用仰斜、俯斜開(kāi)采皆可。
　?。?）通過(guò)開(kāi)展賓尼法尼亞州西南部地區(qū)長(zhǎng)壁開(kāi)采區(qū)內(nèi)垂直頁(yè)巖氣井穩(wěn)定性的地質(zhì)評(píng)價(jià)，認(rèn)為：無(wú)論氣井穿過(guò)水平地表還是山體布置，井筒變形都是在開(kāi)采淺埋煤層時(shí)較為嚴(yán)

5、重，隨埋深增加井筒變形先有一定程度減小，之后再繼續(xù)擴(kuò)大；地表起伏山體對(duì)井筒各類(lèi)變形具有不同程度的“強(qiáng)化”作用；井筒在煤層附近、地表或山頂附近變形量最大、失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)最高；橫向上，對(duì)30~70 m寬保護(hù)煤柱而言，井筒均是偏離煤柱中心7.5~10 m、靠近后回采的工作面布置最佳。
　　（5）通過(guò)三維數(shù)值模擬揭示了氣井變形隨工作面推進(jìn)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。隨保護(hù)煤柱兩側(cè)工作面逐漸接近和遠(yuǎn)離井筒，井筒各類(lèi)變形按照“緩慢?快速?再次緩慢”的動(dòng)態(tài)過(guò)程變

6、化。井筒發(fā)生快速變形（增大或減小）對(duì)應(yīng)的工作面推進(jìn)范圍因煤層埋深和井筒到兩側(cè)工作面的水平距離不同而異。通常，井筒在煤柱兩側(cè)工作面尤其是后開(kāi)采的工作面推過(guò)井筒50 m（煤層埋深300 m）或100 m（煤層埋深100 m）以后，累積變形量最大、失穩(wěn)幾率最高。
　　我國(guó)海相頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)已進(jìn)入規(guī)?；_(kāi)發(fā)初期階段，煤系頁(yè)巖氣與上部煤層協(xié)調(diào)開(kāi)采的情況在我國(guó)尚未見(jiàn)諸報(bào)道，但我國(guó)沁水、鄂爾多斯等盆地既是頁(yè)巖氣資源的富集區(qū)，也賦存豐富的煤炭資源，預(yù)