雙馬煤礦廢棄油井周圍煤層H2S分布特征及其采掘影響范圍劃分

張 剛，索永錄，徐 剛

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，西安 710054；2．國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司雙馬煤礦，銀川 750011;3.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054；)

煤炭、石油、天然氣等資源共存的煤油重疊區(qū)是中國西北地區(qū)典型的地質(zhì)現(xiàn)象[1]。H2S氣體是油氣資源中的主要?dú)怏w成分之一，也是一種刺激性和窒息性氣體，煤炭開采過程中煤層及其附近巖層中的采H2S氣體進(jìn)入到采掘空間中，成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的災(zāi)害性氣體，中國對(duì)井下H2S氣體容許濃度有著明確的規(guī)定。針對(duì)煤礦H2S氣體災(zāi)害的嚴(yán)重威脅，煤礦科技工作者對(duì)煤礦H2S氣體異常區(qū)的形成原因[2-4]、煤層H2S吸附特性[5-6]及煤炭開采過程中H2S的防治方法[7-10]等進(jìn)行了卓有成效的研究，有力地保障了煤礦的安全生產(chǎn)。

油井抽采是石油、天然氣等資源開發(fā)的主要形式[11]，廢棄油井改變了煤油重疊區(qū)煤層中H2S氣體的分布狀態(tài)，給煤層的開采帶來了重大的安全隱患，采掘巷道一旦接近廢棄油井影響區(qū)域，存在H2S氣體涌入工作面的重大危險(xiǎn)，嚴(yán)重影響著煤礦的安全高效生產(chǎn)[12-15]。已有煤礦工程技術(shù)人員對(duì)廢棄油井周圍煤層H2S氣體的來源、擴(kuò)散規(guī)律、危害及其治理方案等進(jìn)行了研究。其中，周東等[16]對(duì)煤層中H2S氣體的來源進(jìn)行了初步的分析，靳華等[17]研究了廢棄石油井對(duì)煤礦采掘活動(dòng)的危害，馬智等[18]對(duì)煤礦井田內(nèi)廢棄油井風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分類并提出了相應(yīng)的治理方案，張儉讓等[19]和孫四清[20]分別研究了巷道掘進(jìn)過程中油型氣的擴(kuò)散規(guī)律[19]和涌出機(jī)理[20]，索永錄等[21]通過數(shù)值模擬對(duì)廢棄油井周圍煤層內(nèi)氣體流動(dòng)壓力與影響半徑的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，以上研究為廢棄油井周圍煤層的采掘活動(dòng)提供了安全保障，但是由于還尚未確定廢棄油井周圍煤層中H2S氣體的分布規(guī)律，特別是采掘作業(yè)中H2S氣體的涌出規(guī)律及其對(duì)采掘作業(yè)的影響范圍尚不清楚，不能為煤礦H2S的治理提供充分的依據(jù)?，F(xiàn)以雙馬煤礦為研究區(qū)，采用數(shù)值模擬方法研究廢棄油井周圍煤層中H2S氣體的滲透規(guī)律，通過測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析H2S氣體的分布規(guī)律及其對(duì)采掘作業(yè)的影響范圍，以期為廢棄油井礦區(qū)H2S的治理提供一定的指導(dǎo)。

1 廢棄油井周圍煤層H2S滲透規(guī)律數(shù)值模擬

1.1 研究區(qū)概況

雙馬煤礦隸屬于神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)，行政區(qū)劃屬于寧夏回族自治區(qū)靈武市，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.0 Mt/a，井田內(nèi)主采4-1煤層、4-2煤層和4-3煤層，煤層平均厚度分別為4.0、1.4、1.6 m，煤層埋深約300 m，煤層自然瓦斯含量較低，平均為2.54 m3/t。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)該井田范圍內(nèi)廢棄石油井170余口，油井內(nèi)氣體壓力在9～14.992 MPa，其中H2S氣體含量約為6%[21]。

馬探31廢棄油井位于I0104105綜采工作面內(nèi)，該油井為裸孔，距工作面回風(fēng)巷80 m，距工作面運(yùn)輸巷203 m，從上到下一次穿過4-1煤層、4-2煤層和4-3煤層，井上下現(xiàn)場(chǎng)揭露油井情況如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明當(dāng)采掘作業(yè)接近油井時(shí)，巷道內(nèi)及抽放鉆孔內(nèi)的硫化氫氣體濃度嚴(yán)重超標(biāo)，給礦井安全高效生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。

圖1 馬探31廢棄油井現(xiàn)場(chǎng)揭露情況Fig.1 Field exposure of abandoned oil well Matan 31

1.2 數(shù)值計(jì)算模型及方案

建立以雙馬煤礦廢棄油井為中心的幾何模型如圖2所示。在該幾何模型中，廢棄油井在中間，從上到下依次分布著4-1煤層、4-2煤層和4-3煤層，煤層厚度分別為4.0、1.4、1.6 m，層間距分別為10、23 m，煤層平均傾角7°?；谠搸缀文Ｐ徒㈤L400 m、寬400 m、高50 m的三維數(shù)值模型，模型中廢棄油井孔徑為200 mm(直徑)，采用四邊形單元對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，巖層網(wǎng)格劃分長度為1.0 m，煤層網(wǎng)格劃分長度為0.5 m，并在油井周圍進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 廢棄油井與煤層關(guān)系模型Fig.2 Relationship model between abandoned oil wells and coal seams

圖3 數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分Fig.3 Numerical calculation model and grid division

采用流體力學(xué)計(jì)算軟件ANSYS-CFX對(duì)廢棄油井內(nèi)的H2S滲流規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬過程中假設(shè)煤巖層為多孔介質(zhì)[22]，滲流過程中的損失系數(shù)為各向同性[23]，H2S氣體滿足理想氣體方程。通過收集和實(shí)驗(yàn)等方法獲取雙馬煤礦煤巖層力學(xué)參數(shù)和氣體滲流參數(shù)見表1。

為了獲得廢棄油井內(nèi)氣體壓力對(duì)H2S滲透規(guī)律的影響，油井內(nèi)氣體壓力按照0.2、0.5、1.0、1.5 MPa選?。煌瑫r(shí)為了研究方便，各煤層和各巖層相關(guān)參數(shù)分別取相同值，并且由于幾何模型關(guān)于廢棄油井對(duì)稱分布，因此選擇一半計(jì)算域進(jìn)行計(jì)算模擬，選取特征斷面進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 特征斷面示意圖Fig.4 Schematic diagram of characteristic section

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

1.3.1 不同斷面上H2S氣體體積濃度分布

廢棄油井內(nèi)壓力對(duì)H2S氣體體積濃度分布有顯著影響。為了研究上方便選取y=200 m和y=300 m二個(gè)斷面分析H2S氣體體積濃度分布規(guī)律。不同斷面、不同油井內(nèi)壓力條件下H2S氣體濃度分布規(guī)律如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以得出，隨著廢棄油氣井內(nèi)的壓力逐漸增大，受擴(kuò)散系數(shù)影響[24]H2S氣體擴(kuò)散范圍逐漸增大，并且相同距離下的H2S氣體濃度逐漸增大；此外，y=200 m特征斷面靠近廢棄油井，其附近的H2S氣體濃度要大于y=300 m特征斷面，這說明在相同的廢棄油井內(nèi)壓力條件下，越靠近廢棄油井，H2S氣體濃度越大。

1.3.2 不同油井壓力條件下4-1煤層H2S氣體濃度分布規(guī)律

選取計(jì)算模型中的4-1煤層，提取不同油井壓力條件下的4-1煤層內(nèi)的H2S氣體濃度，如圖7所示。

圖5 y=200 m特征斷面處H2S氣體濃度Fig.5 H2S gas concentration at y=200 m characteristic section

圖6 y=300 m特征斷面處H2S氣體濃度Fig.6 H2S gas concentration at y=300 m characteristic section

從圖7可以得出，廢棄油井內(nèi)壓力越高，其周圍煤層中H2S氣體濃度越大，越靠近油井中心，硫化氫濃度越大；由于煤層滲透率大于巖層，H2S氣體在煤層內(nèi)的運(yùn)移范圍相比巖層更大一些，對(duì)煤層開采的危害性也較高。

1.3.3 不同油井壓力條件下4-1煤層內(nèi)H2S滲透規(guī)律

選取4-1煤層對(duì)不同井內(nèi)壓力條件下的H2S運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行瞬態(tài)分析，圖8為4-1煤層最終穩(wěn)定狀態(tài)的H2S氣體速度云圖。從圖8可以得出，隨著井內(nèi)壓力升高，H2S氣體在煤層內(nèi)運(yùn)移速度增加，并且井內(nèi)壓力越高其高速運(yùn)移區(qū)域面積也越大。

而當(dāng)下崔永元手撕演藝界黑幕，就源于馮導(dǎo)之流在巨大財(cái)富的誘惑下，早已貪婪成性的這幫人，居然敢冒天下之大不韙（從當(dāng)下輿情一邊倒預(yù)判），甚至是身敗名裂之巨大風(fēng)險(xiǎn)，直接把本有宿怨未消，又敢和方舟子之流死磕到底的“平頭哥”（獾的一種，有敢于和比自己強(qiáng)勢(shì)的對(duì)手死磕到底的膽魄）給生生的惹毛了……本事件極有可能成為“利令智昏”所出的最大昏招的典型范例。

表1 雙馬煤礦煤巖層力學(xué)參數(shù)和氣體滲流參數(shù)Table 1 Mechanical parameters and gas seepage parameters of coal strata in Shuangma Coal Mine

圖7 不同油井壓力條件下4-1煤層內(nèi)H2S氣體濃度分布Fig.7 Concentration distribution of hydrogen sulfide gas in 4-1 coal seam under different oil well pressure conditions

圖8 不同井內(nèi)壓力時(shí)H2S氣體在煤層運(yùn)移速度云圖Fig.8 Cloud figure of migration velocity of H2S in coal seam under different well pressures

提取出距井口不同距離的H2S氣體運(yùn)移速度數(shù)據(jù)如圖9所示。從圖9可以得出，隨著廢棄油井內(nèi)氣體壓力逐漸增大，分別為0.2、0.5、1.0、1.5 MPa時(shí)，H2S氣體滲透運(yùn)移距離逐漸增大，分別為190、195、200、230 m。同時(shí)還可以得出，隨著時(shí)間的增加，最終H2S運(yùn)移速度區(qū)域穩(wěn)定，在油井壓力恒定條件下，H2S在廢棄油井周圍分布范圍存在一個(gè)極限值。

2 廢棄油井影響區(qū)H2S分布規(guī)律

馬探30、馬探31廢棄油井位于I0104105綜采工作面內(nèi)，對(duì)工作面的回采影響較大。為了充分獲得廢棄油井周圍煤層H2S氣體濃度分布規(guī)律，通過注吸收劑鉆孔取樣對(duì)鉆孔內(nèi)氣體進(jìn)行成分分析，測(cè)試的氣體成分包括CH4、CO2、H2S、CO、O2等。

馬探30廢棄油井沿走向200 m范圍內(nèi)實(shí)際施工測(cè)試鉆孔17個(gè)。由于馬探30廢棄油井已提前采取了封井措施，測(cè)定結(jié)果為H2S氣體濃度全部為0 mL/m3，CO2、CO氣體濃度均為0，O2濃度在20%，其中4個(gè)鉆孔CH4濃度在0.8%～1%，這說明馬探30廢棄油井密封性比較完好，沒有氣體逸散至煤層。

馬探31廢棄油井沿走向250 m范圍內(nèi)共施工測(cè)試鉆孔47個(gè)，其中105回風(fēng)巷26個(gè)，105運(yùn)輸巷21個(gè)，測(cè)定結(jié)果見表2。

根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果，H2S濃度在1×103mL/m3以上的鉆孔28個(gè)，占所有鉆孔的59.6%，其中F19鉆孔內(nèi)H2S濃度最高為1.2×104mL/m3。因此，從鉆孔H2S濃度測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)可以初步判斷馬探31廢棄油井影響區(qū)域H2S含量是比較大的。為了進(jìn)一步分析廢棄油井影響范圍內(nèi)H2S氣體濃度的分布規(guī)律，根據(jù)表2數(shù)據(jù)測(cè)試分析結(jié)果，以馬探31油井中心為基準(zhǔn)，I0104105工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷各鉆孔H2S沿走向的分布規(guī)律如圖10所示(其中0點(diǎn)為油井)。

從圖10可以得出：工作面回風(fēng)巷側(cè)和工作面運(yùn)輸巷側(cè)鉆孔內(nèi)H2S氣體濃度分布規(guī)律基本保持一致；測(cè)試范圍內(nèi)沿工作面走向越靠近油井中心，鉆孔內(nèi)H2S氣體濃度越高，以油井為中心在-80～80 m H2S氣體濃度大于遠(yuǎn)處的硫化氫氣體濃度；受油井抽采的影響H2S氣體濃度分布差異明顯，靠近工作面一側(cè)H2S氣體濃度明顯高一些。

圖9 不同井內(nèi)壓力時(shí)H2S氣體在煤層運(yùn)移速度曲線圖Fig.9 Migration velocity curve of H2S in coal seam under different pressures in wells

表2 馬探31廢棄油井沿走向250 m范圍內(nèi)鉆孔H2S濃度分類統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical table of H2S concentration in borehole within the range of 250 m along the strike of Matan 31 abandoned oil wells

圖10 I0104105工作面回風(fēng)巷側(cè)和運(yùn)輸巷側(cè)各鉆孔H2S濃度分布規(guī)律Fig.10 Distribution law of H2S concentration in each borehole of return air roadway side and transportation roadway side of I0104105 working face

3 工作面采掘廢棄油井影響范圍確定

3.1 工作面回采H2S涌出數(shù)據(jù)分析

為了保障工作面的安全回采，從2017年9月26日開始對(duì)過馬探31廢棄油井期間的風(fēng)量和H2S涌出量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，馬探31廢棄油井于2017年11月14日地面封堵完成，于2017年11月22日井下安全揭露。圖11為I0104105工作面過馬探31廢棄油井期間H2S濃度變化趨勢(shì)。

從圖11可以看出，工作面靠近廢棄油井過程中，初期H2S濃度較高，然后略有下降隨后保持平穩(wěn)涌出的態(tài)勢(shì)直到揭露馬探31廢棄油井；當(dāng)工作面安全揭露馬探31廢棄油井后，隨著工作面遠(yuǎn)離廢棄油井H2S濃度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)工作面距離馬探31廢棄油井150 m時(shí)，H2S濃度急劇下降。這說明采掘作業(yè)初期接近廢棄油井時(shí)H2S帶來的安全問題最大，應(yīng)加強(qiáng)注意防范，避免出現(xiàn)安全問題；采掘作業(yè)在到達(dá)廢棄油井之前，H2S會(huì)有一段較穩(wěn)定的涌出時(shí)間，此時(shí)正常的治理措施即可保障采掘作業(yè)的安全生產(chǎn)；采掘作業(yè)經(jīng)過廢棄油井之后，硫化氫涌出明顯降低，H2S問題得到有效解決。采掘作業(yè)過程中H2S涌出規(guī)律為硫化氫的治理提供了理論依據(jù)。

3.2 廢棄油井影響范圍確定

圖12為掘進(jìn)過程中H2S監(jiān)測(cè)位置關(guān)系圖，結(jié)合圖11和圖12可以看出：馬探31廢棄油井距I0104105工作面切眼走向距離376 m，工作面開始回采時(shí)H2S濃度較大便受到了廢棄油井影響；工作面回采過馬探31廢棄油井250 m后H2S濃度才降低到了較低水平，這說明馬探31廢棄油井在走向上影響的范圍至少在626 m以上。

從掘進(jìn)過程來看，I0104105工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中初次發(fā)現(xiàn)H2S位置距離馬探30約150 m，距離馬探31約435 m；I0104105工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中先是聞到臭雞蛋氣味，但檢測(cè)不到濃度，隨后經(jīng)過滲油段，繼續(xù)向前掘進(jìn)初次發(fā)現(xiàn)H2S，此地點(diǎn)距馬探30約158 m，距離馬探31約500 m。由于馬探30廢棄油井密封性比較完好，沒有氣體逸散至煤層，那么在掘進(jìn)過程中初次發(fā)現(xiàn)的H2S氣體應(yīng)是馬探31廢棄油井逸散出來的，這說明馬探31廢棄油井滲透范圍可達(dá)500 m。

根據(jù)前述分析，綜合掘進(jìn)期間和采煤期間H2S出現(xiàn)位置和濃度變化情況，同時(shí)根據(jù)長期跟蹤測(cè)定提出：廢棄油井的滲透范圍為500 m，即以廢棄油井為圓心，油井內(nèi)H2S等有害氣體滲透半徑為500 m；工作面回采期間廢棄油井影響區(qū)域?yàn)?00 m，其中工作面過廢棄油井之前為450 m，過廢棄油井之后為250 m。

圖11 過馬探31廢棄油井期間H2S涌出濃度變化趨勢(shì)圖Fig.11 Variation trend of H2S emission concentration during exploration of 31 abandoned oil wells

圖12 掘進(jìn)過程中H2S監(jiān)測(cè)位置關(guān)系圖Fig.12 Position diagram of H2S monitoring during tunneling

4 結(jié)論

(1)在相同的廢棄油井內(nèi)壓力條件下，越靠近廢棄油井，H2S氣體濃度越大；隨著廢棄油井內(nèi)氣體壓力逐漸增大，H2S氣體滲透距離逐漸增大，但是H2S在廢棄油井周圍滲透范圍存在一個(gè)極限值；H2S氣體在煤層中的滲透范圍顯著大于巖層。

(2)馬探31廢棄油井影響范圍內(nèi)沿I0104105綜采工作面走向越靠近油井中心，鉆孔內(nèi)H2S氣體濃度越高，并且以油井為中心在-80～80 m內(nèi)H2S氣體濃度呈集中分布的規(guī)律。

(3)I0104105工作面過馬探31廢棄油井過程中H2S氣體濃度呈現(xiàn)出較高—降低—平穩(wěn)—降低—急劇下降的變化規(guī)律，初期H2S的危害最大，是H2S氣體治理的關(guān)鍵階段。

(4)綜合分析廢棄油井影響區(qū)煤層的滲透半徑為500 m，廢棄油井對(duì)工作面回采的影響區(qū)域?yàn)?00 m，可對(duì)工作面回采期間硫化氫氣體的治理提供依據(jù)。