長壁開采區(qū)內(nèi)垂直頁巖氣井穩(wěn)定性研究.pdf

1、近年來隨著美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在東部阿巴拉契煤田內(nèi)出現(xiàn)了很多穿長壁開采區(qū)的垂直頁巖氣井。由于井筒直徑較?。?5~40 cm），對煤層開采引起的巖層移動變形更為敏感，尤其是在具有高采出率的長壁開采影響下，井筒容易出現(xiàn)大變形甚至失穩(wěn)。針對該問題，論文以美國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巖氣的協(xié)調(diào)開采為工程背景，運用理論分析、理論計算和數(shù)值模擬等研究方法對長壁開采區(qū)內(nèi)垂直頁巖氣井的穩(wěn)定性問題展開較為系統(tǒng)地研究，主要研究

2、工作及成果如下：
　?。?）長壁開采引起的覆巖運動是導(dǎo)致穿過采區(qū)的垂直頁巖氣井發(fā)生各類變形的根本原因。煤層采動影響下，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)是垂直頁巖氣井失穩(wěn)的最主要模式。
　　（2）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數(shù)函數(shù)減小，垂向拉伸離層近似線性減??；隨接觸面內(nèi)摩擦角增大，層間剪切位移按對數(shù)函數(shù)減小，垂向拉伸和壓縮變形近似按線性和對數(shù)函數(shù)增加。井筒上述變形對于巖體的彈性參數(shù)、強度參數(shù)的變化敏感性很弱。
　?。?）通過開展圍巖賦存特征對氣井變形影響的數(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數(shù)或線性函數(shù)增大。巖層組合為“上硬下軟”形態(tài)時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，其與上方表土層間的接觸面上并不會出現(xiàn)很大的剪切位移；覆巖內(nèi)極薄軟弱夾層對井筒剪切變形無特殊影響。傾斜煤層傾角愈大，井筒愈易發(fā)生剪切扭曲失穩(wěn)；傾斜煤層走向長壁工作面宜按照“先深水平、后淺水平”的順序開采，傾斜長壁工作面采用仰斜、俯斜開采皆可。
　　（4）通過開展賓尼法尼亞州西南部地區(qū)長壁開采區(qū)內(nèi)垂直頁巖氣井穩(wěn)定性的地質(zhì)評價，認為：無論氣井穿過水平地表還是山體布置，井筒變形都是在開采淺埋煤層時較為嚴(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)擴大；地表起伏山體對井筒各類變形具有不同程度的“強化”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)險最高；橫向上，對30~70 m寬保護煤柱而言，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）通過三維數(shù)值模擬揭示了氣井變形隨工作面推進的動態(tài)演化規(guī)律。隨保護煤柱兩側(cè)工作面逐漸接近和遠離井筒，井筒各類變形按照“緩慢?快速?再次緩慢”的動態(tài)過程變

6、化。井筒發(fā)生快速變形（增大或減?。?yīng)的工作面推進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)工作面尤其是后開采的工作面推過井筒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。
　　我國海相頁巖氣開發(fā)已進入規(guī)?；_發(fā)初期階段，煤系頁巖氣與上部煤層協(xié)調(diào)開采的情況在我國尚未見諸報道，但我國沁水、鄂爾多斯等盆地既是頁巖氣資源的富集區(qū)，也賦存豐富的煤炭資源，預(yù)