鄂尔多斯盆地“煤气走廊”开采模式研究_王文.pdf

鄂尔多斯盆地 “煤气走廊” 开采模式研究 王文 1 任建东 1 王付斌 2 董淼 2 罗懿 2 苗春光 21 （1. 河南理工大学能源科学与工程学院， 河南 焦作 454003； 2. 中国石油化工集团公司华北油气分公司， 河南 郑州 454000） 摘要研究采动影响下煤与油气资源共赋存区域内的地表运移变形规律， 可以准确地预测地表沉降范围和 变形破坏形态， 对于开展多种资源协调开采模式研究， 确保油气集输工程安全稳定具有重要的现实意义。通过对 鄂尔多斯盆地煤炭资源和油气资源的赋存情况进行调查， 分析了多种资源埋深特征、 多种资源开采工艺和参数应 用现状以及采动影响下的地表沉降变形规律。结合鄂尔多斯盆地地表冲积沙较厚的特点， 讨论了煤矿开采引起的 地表移动破坏特征以及影响因素， 依据表土应力状态， 将地表塌陷区划分为压缩、 拉伸、 稳定3个区域。以盆地内 某矿42105回采工作面地表岩层为例， 对地表运移变形量进行了实时监测和数据采集， 依据工作面地表覆岩的沉 降范围和运移规律， 分析得出油气井与回采工作面巷道之间的安全避让距离为278 m， 并提出了煤炭资源与油气资 源共同开发的 “煤气走廊” 开采模式， 为交叉开采区内油气井布置提供了新方法， 为盆地后期多种资源交叉区域协 调开采提供了新思路。 关键词煤气走廊开采沉陷协调开采开采模式 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-023-09 DOI10.19614/ki.jsks.201910004 Study on the Mining Mode of “Gas Corridor” in Erdos Basin Wang Wen1Ren Jiandong1Wang Fubin2Dong Miao2Luo Yi2Miao Chunguang22 （1. School of Energy Science Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454003， China； 2. North China Oil and Gas Branch， China Petrochemical Corporation， Zhengzhou 454000， China） AbstractStudying the laws of surface movement and deation in the coexisting area of coal and oil and gas resourc- es under the influence of mining， can accurately predict the surface settlement range and deation and failure modes.It is of great practical significance to explore the multi-resource coordinated mining mode and ensure the safety and stability of oil and gas gathering and transportation projects.Through the investigation of the occurrence of coal resources and oil and gas re- sources in the Ordos Basin， the characteristics of multi-resource burial depth，the status quo of various resource mining pro- cesses and parameters and the deation law of surface settlement under the influence of mining are mastered.Combined with the characteristics of thicker surface alluvial sand in the Ordos Basin， the damage characteristics and influencing factors of surface movement caused by coal mining are analyzed.According to the topsoil stress state， the surface subsidence area is di- vided into three areas compression， stretching and stability.Taking the 42105 mining face surface rock ation of a mine in Ordos Basin as an engineering example， the real-time monitoring and data acquisition of surface displacement and deation are carried out.According to the settlement range and migration law of surface overburden surface， a safely avoiding distance between the oil and gas well and the mining face is gained， and the“gas corridor”mining mode jointly developed by coal re- sources and oil and gas resources is proposed， thus providing a new for the arrangement of oil and gas wells in cross- mining areas， and providing new ideas for coordinated mining of multiple resource cross-regions in the later period. KeywordsGas corridor， Mining subsidence， Coordinated mining， Mining mode 收稿日期2019-08-30 基金项目 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2018YFC0604502） ， 国家自然科学基金青年基金项目 （编号 51604093） ， 河南省产学研合作计 划项目 （编号 172107000016） 。 作者简介王文 （1983-） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 我国煤系伴生资源较多， 鄂尔多斯盆地煤系地层多资源赋存是我国的典型代表区域 ［1-3］。据统计， 23 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 2017年内蒙古全区煤炭产量达8.79亿t， 其中鄂尔多 斯盆地约占全区煤炭产量的65， 是我国重要的新兴 能源化工基地， 区内各种矿产资源 （以能源为主） 分 布点多、 面广， 煤炭分布面积占土地面积的70。鄂 尔多斯盆地是国内罕见的能源矿产 “聚宝盆” ， 截至 2014年底， 煤炭查明保有资源储量为2 132.55亿t， 占 全区保有资源储量的52.49， 占全国的13.70， 其中 基础储量269.24亿t， 资源量1 863.31亿t， 分别占查 明保有资源储量的12.63和87.37。 鄂尔多斯盆地煤系地层由下至上主要有古生界 奥陶系、 石炭系、 二叠系， 中生界三叠系、 侏罗系、 白 垩系， 新生界第三系、 第四系等， 其中天然气、 煤炭赋 存在同一盆地的不同层位， 形成了独具特色的平面 上相互叠加、 垂向上相互叠置的异体共伴生矿产资 源赋存格局。三叠纪沉积中主要赋存天然气， 二叠 纪沉积中赋存的矿产主要有天然气、 煤炭、 煤层气、 油页岩、 铀矿和高岭土矿， 奥陶纪沉积中赋存的矿产 主要有天然气和岩盐矿。鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北 部东段的大牛地油气田区是煤矿与油气开采交叉的 典型区域， 该区域双资源协调开采具有代表性 ［4-7］。 为进一步促进煤系资源协调开采， 本研究对鄂尔多 斯盆地 “煤气走廊” 的开采模式进行研究。 1鄂尔多斯煤与油气赋存状况 1. 1煤层赋存特征 鄂尔多斯盆地自下而上共分布3套煤层， 即 石 炭二叠系、 三叠系和侏罗系 ［8］。其中， 石炭二叠 系煤层主要分布在太原组和山西组， 在全盆地均有分 布， 埋深在2 000 m以下的煤层分布在盆地边部； 三叠 系煤层主要分布在瓦窑堡组， 在平面上位于黄陵、 富 县、 延安、 子长、 子洲一带； 侏罗系煤层分布在延安组， 全盆地均有分布， 埋深大于2 000 m的煤层位于盆地 西部， 埋深小于2 000 m的煤层位于盆地其他地区 ［8］， 其中东胜煤田矿区、 准格尔煤田矿区和桌子上山煤 田、 乌兰格尔煤田、 灵武煤田长城矿区的煤炭埋藏较 浅， 一般小于1 000 m； 东胜煤田深部区的杭锦旗大 部、 鄂托克旗北部、 乌审旗北部、 中东部和伊金霍洛 旗西部区域煤炭埋藏较深， 一般大于1 000 m。 大牛地气田范围内及周边分布有较多煤矿， 本 研究调查的煤矿有大柳塔煤矿、 某煤矿 （本研究煤 矿） 、 补连塔煤矿、 葫芦素煤矿、 察哈素煤矿、 活鸡兔 煤矿、 马泰壕煤矿、 小保当煤矿、 小纪汗煤矿、 母杜柴 登矿、 门克庆煤矿、 乌兰煤矿、 石拉乌素煤矿、 台格庙 矿区等。区域煤矿与大牛地气田的交叉范围如图1 所示， 区域典型钻孔剖面如图2所示。 24 ChaoXing 2019年第10期王文等 鄂尔多斯盆地 “煤气走廊” 开采模式研究 1. 2油气赋存特征 鄂尔多斯盆地油气层主要为二叠系， 盆地内分 布有苏里格气田、 乌审旗气田、 大牛地气田、 靖边气 田、 东胜气田和胜利气田， 主要位于乌审旗、 东胜区、 鄂托克前旗及鄂托克旗， 埋深大于1 500 m。 中国石油化工股份有限公司华北分公司在陕 蒙鄂尔多斯盆地北部大牛地区块内长期进行油气开 采。该区域处于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部东段， 气 田内上古生界为一套海相海陆过渡相陆相沉积， 具有良好的天然气储藏条件， 资源丰富。大牛地气田 开采的天然气来自于煤层底板， 深度约3 000 m， 位于 石炭二叠系。其实质为石炭二叠系煤层 （部分煤 分层厚度达20 m） 在高温高压下形成的瓦斯， 并由于 上部有致密岩层， 使其封存于岩层内， 成为高浓度、 高压力的天然气。大牛地气田天然气资源丰富， 是 中石化集团的五大气源地之一， 矿权面积为2 003.9 km2， 获得的三级储量约5 779.16108m3， 其中， 探明 储量4 545.63108m3， 控制储量249.72108m3， 预测 储量884.97108m3， 为油气开发奠定了坚实基础。 盆地内煤与天然气的主要赋存层位如图3所示。 2煤矿开采地表移动破坏特征 2. 1地表移动盆地形成 地表沉降盆地是煤矿工作面在回采过程中形成 的， 开采推进过程中在工作面后方形成了采空区， 因 顶板失去支撑， 工作面上覆岩层将向采空区方向发 生移动和变形， 当工作面回采至一段距离 （约为开采 深度的1/4～1/2） 后， 岩层移动将影响并波及到地面， 地面会出现下沉， 如图4所示。地表下沉盆地范围随 着工作面向前推进不断扩大， 当工作面回采到停采 线附近， 工作面回采完毕， 覆岩及地表移动将经历一 段时间后才能趋于稳定， 采空区上方地表将最终形 成稳定的地表下沉盆地W5， 也称为静态移动盆地。 在地表下沉盆地形成过程中， 其范围大小与采 空区大小成正比关系， 当工作面走向和倾斜方向均 达到充分采动时， 地表最大下沉值将不再变化， 逐步 形成具有平底的下沉盆地。在此过程中， 通常将地 表移动下沉盆地划分为3种类型， 即非充分采动的地 表下沉盆地、 充分采动的地表下沉盆地和超充分采 动的地表下沉盆地 （图5） 。 2. 2地表移动盆地破坏类型 现场实测数据表明， 地表下沉盆地范围大于采 空区实际尺寸， 采空区形状和煤层倾角对地表下沉 盆地的形状和位置起着决定性作用。各位置的移动 和变形量在下沉盆地内不相同， 一般情况下， 采动影 响范围内最终形成的静态地表移动盆地可划分为中 性区域、 压缩区域和拉伸区域， 如图6所示。 一般来说， 地表移动变形分为连续变形和非连 续变形。工作面回采上覆岩层运动反映到地表为连 续的沉降盆地时， 称为地表连续移动变形。下沉盆 地具有连续性和平缓性， 盆地外缘拉伸区可能产生 地表裂缝， 但裂缝宽度与深度较小， 在工作面回采过 程中， 先慢慢张开然后又逐渐闭合。这些裂缝周围 25 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 一般不会伴随台阶搓动， 当煤层倾角较小时， 上覆岩 层厚度与采高比大于40～60， 且采用长壁全部垮落法 处理顶板开采或者采用支撑法、 全部或部分充填法 开采时， 地表移动变形一般表现为连续分布的下沉 盆地 ［11］。以葫芦素煤矿地表变形为例， 上覆岩层厚 度与采高比约252 （大于40～60） ， 地表移动破坏以连 26 ChaoXing 2019年第10期王文等 鄂尔多斯盆地 “煤气走廊” 开采模式研究 续分布下沉为主。地表连续移动变形对采空区地表 埋地天然气管道的影响相对较小， 但是在盆地范围 内地表水平变形仍然对油气井以及管道有一定的危 险性， 可能导致管道局部屈曲或拉伸破坏， 油井随岩 层移动发生搓动， 在剪应力作用下易发生破断。 地表非连续移动变形是煤层开采后引起的地表 变形破坏， 主要以大裂缝、 台阶下沉、 塌陷坑、 漏斗等 形式出现。 （1） 地表裂缝及台阶下沉。当开采深厚比较小 且工作面上覆岩层运动剧烈时， 地表移动盆地外边 缘拉伸区域可能产生裂缝。裂缝的宽度和深度与有 无第四系松散层及其厚度等因素有关。当第四系松 散层塑性较大， 地表拉伸变形值超过6～10 mm/m时， 就会发生裂缝； 当松散层塑性较小， 地表拉伸变形达 到2～3 mm/m时， 会发生裂缝。裂缝主要包括开裂和 闭合裂缝两种， 其形成是多种因素共同作用下的结 果， 比如煤层采深、 采高、 工作面回采工艺、 采动程 度、 上覆岩层及第四系松散层厚度、 岩层物理力学性 质等。一般情况下地表裂缝与采空区不贯通， 到一 定深度时消失。根据鄂尔多斯盆地第四系风积沙松 散层特性， 可知风积沙具有抗拉能力很差、 透水性 强、 保水性较差特点， 其裂缝形态如图7所示。 （2） 地表塌陷坑形成。当煤层赋存倾角较小时， 工作面回采过程中， 地表会产生以裂缝为主的破坏 形式。若煤层倾角大或者遇到特殊的地质采矿条 件， 地表的破坏形式会以塌陷坑或漏斗状的塌陷坑 为主， 如图8所示。急倾斜煤层开采引起的塌陷坑， 由于煤层倾角大、 煤层露头附近覆岩运动剧烈， 地表 多出现漏斗状塌陷坑； 当采深很小时， 由于采高大、 工作面回采高度不一， 导致上覆岩层破坏影响范围 的高度不同， 地表会产生漏斗状塌陷坑； 松散含水 （沙） 层下采煤时， 回采工作面不恰当地增加采高会 导致上覆岩层垮落带和裂隙带导通含水 （沙） 层， 引 起水 （沙） 进入采空区， 从而在地表产生漏斗状塌陷 坑 ［12］。当工作面上方地表埋设的天然气管道或者油 气井处于裂缝、 台阶下沉和塌陷坑区域中时， 会对其 安全运营产生极大威胁， 尤其当管道处于裂缝台阶 下沉处两端时， 由于台阶上下搓动距离大， 管道受到 剪应力作用， 导致其发生剪切破坏， 严重时会造成管 道断裂、 爆燃。 27 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 3煤矿开采地表移动变形监测实例 以鄂尔多斯盆地内某煤矿42105工作面为例， 工 作面长度为230 m， 回采长度5 200 m， 煤层平均厚度 6.7 m， 煤层平均埋深372 m。本研究在42105工作面 对应的地面布置观测点， 观测工作面推进过程中地 面的沉降变化， 因4-2煤层上部局部有采空区， 局部 区域地表下沉受重复采动的影响。工作面测点布置 如图9所示， A线包括47个观测点和2个控制点S1， S2， 位于42105工作面中部， 直线长度969.93 m， 实际 长度995.369 m； B线包括27个观测点和2个控制点 R1和R2， B线垂直于A线布置， 直线长度858.92 m， 实 际长度868.147 m。 根据42105工作面回采期间其地表移动变形观 测站获得的定期观测资料， 绘制了走向和倾向地表 下沉、 倾斜、 曲率及水平移动曲线图。其中， 图10、 图 11分别为工作面倾向动态下沉曲线和走向动态下沉 曲线。 由图10、 图11可知 随着回采工作面不断推进， 地表走向和倾向下沉值逐渐增大， 其中地表走向下 沉值在工作面推进3周后显著增大， 并在9个月后距 离开切眼约110 m处， 下沉值达到最大值约2.6 m， 工 作继续向前推进， 走向下沉值逐渐减小， 走向上整体 呈现漏斗状下沉； 随着工作面的推进， 地表倾向下沉 值逐渐增大， 并在距离开切眼位置130 m处达到最大 下沉值， 继续向前推进时地表倾向下沉值保持不变， 表明此时开采达到充分采动， 地表最大下沉值趋于 稳定。根据地表倾向和走向动态下沉曲线可知， 随 着时间推移， 同一地点的下沉值会逐渐增大， 由于受 到地层扰动和地质构造的影响， 这个过程将会持续9 28 ChaoXing 个月甚至更长时间， 直至地表岩层变形趋于稳定达 到最大值。 在工作面回采初期， 地表倾斜值较小， 随着工作 面向前推进， 最大倾斜值位置由切眼附近逐渐前移 至距离切眼82 m处的A20点， 随后一段时期内没有随 工作面的推进而向前移动， 直至最大倾斜值达到24 mm/mm， 且正最大倾斜值大于负最大倾斜值。工作 面推进过程中， 最大曲率点位置未发生改变， 处于切 眼附近， 切眼外侧20 m左右曲率最大， 且负曲率绝对 值明显大于正曲率绝对值。 地表水平移动最大值位置位于切眼内侧沿工作 面推进方向80 m附近处， 且随着工作面的推进， 其位 置未发生改变， 最大水平移动值逐渐增大， 且正值绝 对值明显大于负值绝对值。最大水平变形反映工作 面开采影响下， 该点是处于拉伸还是压缩状态， 一般 情况下工作面前方的地表点先受到拉伸， 随着工作 面持续推过， 逐渐转向压缩状态。 42105工作面走向观测线布设于切眼内侧620 m 处， 为理论上的充分采动区域， 随着工作面的推进， 影响范围逐渐前移， 影响至B线时开始测量， 共完成 9次高程测量， 平面位置坐标测量相对较少。其曲线 形状基本上成对称图形， 最大下沉点位置位于工作 面中部， 工作面中部点为该走向方向的最大下沉点、 倾斜零点、 最大曲率点， 随着工作面的推进逐渐达到 最大值 ［13］。 由此可知， 工作面地表移动变形启动距远不足 平均开采深度的1/4～1/2， 超前影响角为59.2。4-2煤 层平均开采深度为372 m， 计算的最大下沉速度滞后 角为73.8。目前观测到的倾向观测线地表最大下沉 值为2 778 mm， 位于切眼内侧沿推进方向262 m处， 走向观测线观测到最大下沉值为2 633 mm， 倾向方 向最大倾斜值为23.7 mm/m， 走向方向最大倾斜值为 16.8 mm/m， 倾斜方向最大水平移动值为984 mm， 走 向方向最大水平移动值为734.5 mm。根据上述实测 数据， 取地表稳定后的边界角为 53.2， 移动角为 55.3， 裂缝角为84.2， 下沉系数0.69， 水平移动系数 0.35。根据对42105工作面地表岩层运移监测数据 的分析， 采用工作面地表稳定边界角53.2为油气井 布置边界角， 通过下式确定回采工作面与油气井的 安全避让距离L LHtan90-θ， 式中，H为采深， m；θ为地表稳定后的边界角，（） 。 根据开采过程中影响范围超前工作面的距离， 得到 42105 工作面在回采过程中的超前影响角为 59.2， 根据开采过程中最大下沉速度点的位置滞后 工作面的距离， 得到最大下沉速度滞后角为73.8。 根据观测期间下沉速度绘制的下沉速度曲线， 得到 最大下沉速度为277 mm/d， 选取推进方向观测线上 具有代表性的点， 计算得到相应的地表移动变形的 持续时间， 可知该地质条件下地表移动变形具有时 间短、 盆地形成快的特点。综合地表观测结果计算 可知， 该矿回采工作面与油气井的避让距离L为278 m， 如图12所示。 4煤与油气协调开采模式 鄂尔多斯盆地大牛地气田范围内煤矿均采用井 工开采方式， 面临诸多的安全风险源。矿区内的油 气井属于高压的易燃易爆气体源， 为重大危险源， 对 矿区煤炭安全开采造成了较大影响。国内油气与煤 炭资源重叠现象较多， 基本都采取相互避让、 互不影 响的开采方式， 在同一区域内同时密集进行油气和 煤炭资源开发尚无先例， 其中油气管道布置方式更 是需要重点解决的问题 ［14-18］。结合目前鄂尔多斯盆 地大牛气田中煤矿开采情况， 从开采时序上分析， 煤 炭和油气的开采顺序有3种 先采煤后采气、 先采气 后采煤和煤气协调开采， 本研究重点分析煤气协调 开采。 煤气协调开采方案是在天然气与煤炭开采重叠 区内， 煤和天然气在时间上同时开采， 并且做到互不 影响。具体方案是在煤矿回采工作面之间留设一定 宽度的煤柱， 在煤柱内布置油井和管路设施， 实现煤 与油气同时开采， 本研究称之为 “煤气走廊” 开采模 式。“煤气走廊” 模式是在煤炭资源和油气资源均未 开采的区域， 总体布局， 统一规划， 由于采矿权不属 于同一家单位， 协调起来难度较大， 但该模式为未来 的发展方向 ［19-21］。 矿区预留煤柱作为油气井和油气管路输送通 道， 开采活动在走廊煤柱之外进行， 待油井开采活动 结束后， 有条件地回收天然气走廊的煤炭资源。由 于油气井开采有一定的服务年限， 且远小于煤矿矿 井服务年限， 因此煤柱留设时尽可能统筹考虑， 以便 后期煤柱整体、 全部回收， 如图13所示。有关煤炭资 源开采时机与油气井布置的具体操作层面， 仍有大 2019年第10期王文等 鄂尔多斯盆地 “煤气走廊” 开采模式研究 29 ChaoXing 量的问题需要研究， 如矿井不同位置煤柱留设、 矿井 工业广场布置、 油气集气站布置、 油气主要输送管路 布置等。 5结语 （1） 通过对鄂尔多斯盆地内油气井和煤矿开采 情况的调查， 分析了盆地内煤炭资源和油气资源的 赋存特征。 （2） 结合鄂尔多斯盆地地表冲积沙较厚的特点， 分析了煤矿开采引起的地表移动破坏特征， 依据表 土应力状态， 将地表分为压缩、 拉伸、 稳定区域。以 盆地内某煤矿42105回采工作面为例， 对相关地表移 动参数进行了合理取值， 计算出的油气井与工作面 巷道的安全避让距离为278 m。 （3） 为实现煤炭资源与油气资源高效协调开采， 提出了 “煤气走廊” 开采模式， 为盆地内后期煤炭与 油气田交叉区域开采提供了思路。 参 考 文 献 黄炳香， 赵兴龙， 张权.煤与煤系伴生资源共采的理论与技术 框架 ［J］中国矿业大学学报， 2016， 45 （4） 653-662. 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