重复采动影响下地面井综合破坏机理及煤层气空间运移特征研究

The surface borehole casing structure stability and negative drawing gas travel characteristics decide the surface borehole drainage effect great. To solve the questions that surface borehole well fracture serious and building region selection difficult the surface borehole, under repeat excavations influence condition, deformation fracture characteristics, negative drawing gas travel space characteristics and synthesis protection theory and technology are made this project core contents. The surface borehole structure limit analysis and mining-induced fissure subarea percolation-diffusion analysis will be the major analysis methods. Then the surface borehole, under repeat excavations influence condition, synthesis deformation fracture mechanics distinguish model, distinguish conditions and the surface borehole best drainage area and so on will be set up. The surface boreholes, under repeat excavations influence condition, synthesis deformation fracture rule and gas travel space rule will be found. The surface borehole, under repeat excavations influence condition, protection technology rule that make the 'region building position optimization +parts emphases protection' be the core principle will be given. So we will gain the surface borehole drainage optimization and protection theory and technology, which is adapted to the coal mine gas great excavation influence, repeat influence and many origin source characteristics.

地面煤层气抽采井的结构稳定性和负压抽采条件下的煤层气运移特征对地面井的抽采效果有着决定性的影响。为了有效解决重复采动影响下地面井井身破坏严重、抽采布井区域不明确、抽采效果不好的难题，本项目将以重复采动影响下地面煤层气抽采井的变形破坏特征、地面井负压抽采煤层气的空间运移特征和地面井综合防护理论及技术措施为核心，以井身结构极限量化分析和采动裂隙场分区渗流-扩散分析为主要分析方法，研究提出重复采动影响下的地面井综合变形破坏力学判别模型及临界判别条件和重复采动影响下地面井抽采煤层气的最佳抽采范围及布井区域，获得重复采动影响下地面井变形破坏防护的力学作用规律和煤层气负压抽采空间运移分布规律，建立以"区域优化布井+局部重点防护"为核心的重复采动影响下地面井综合防护理论及技术原则，初步形成适用于煤矿区大扰动、重复扰动、多来源等煤层气开发条件的地面井优化和工程防护理论体系。

煤层气（煤矿瓦斯）是我国非常规油气资源的重要组成部分，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006－2020年)》已经将“复杂地质油气资源勘探开发利用”列为优先支持主题。在地面施工地面井进入煤矿采动影响区直接抽采回采空间内高浓度涌出煤层气，可以充分利用煤层开采的卸压增透增流效应，并极大地缓解回采空间瓦斯超限、瓦斯爆炸风险。但采场上覆岩层的复杂运动对井身破坏巨大、井下采动裂隙场内煤层气流动及分布对抽采效果影响巨大，为提高井身安全性和抽采效果，本项目重点对重复采动影响下地面井的变形破坏特征、重复采动影响下地面井抽采煤层气的空间运移特征、地面井综合防护措施防护效应等三项核心内容进行了重点攻关，取得3项主要成果：. （1）建立了重复采动过程中采场上覆岩层界面剪切滑移位移和离层拉伸位移的动态计算方法，发现了岩层层间剪切“增大→减小→增大→减小”的反复错动特征和岩层层间离层“增大→增大→增大→增大”的持续增加特征；建立重复采动下地面井变形破坏判识模型和井身套管变形破坏判识准则，发现了地面井套管高危破坏位置极限应力随重复采动呈现“波状起伏”的变化规律。. （2）建立了采动裂隙场内孔隙空间模型函数，发现“o”型圈区域裂隙空间在垂直和水平方向上随时间呈动态弱化规律和关键层影响下的区域分化特征；建立了基于气体压力衰减梯度的地面井抽采有效半径确定方法，获得了地面井布井在回风巷侧抽采效果优于其他区域的规律，提出了重复采动后布井范围向采场外延的布井原则。. （3）建立了地面井井身防破坏力学模型，研发了偏转、伸缩、厚壁刚性和自适应柔性等井身局部防护结构，提出了井身局部高危破坏位置判识方法和安设方法，形成了“区域布井+局部防护”为核心的重复采动影响下地面井抽采优化技术。. 2015年以来，岳城矿先后利用核心成果施工9口地面井，三年抽采瓦斯量1000万m3，工作面瓦斯浓度超限问题得到有效解决；该成果正在山西“地面瓦斯抽采全覆盖”行动中发挥重要作用。