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.西安科技大學能源學院，西安 710054；2．國家能源集團寧夏煤業有限責任公司雙馬煤礦，銀川 750011;3.西安科技大學安全科學與工程學院，西安 710054；)

煤炭、石油、天然氣等資源共存的煤油重疊區是中國西北地區典型的地質現象[1]。H2S氣體是油氣資源中的主要氣體成分之一，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氣體進入到采掘空間中，成為威脅煤礦安全生產的災害性氣體，中國對井下H2S氣體容許濃度有著明確的規定。針對煤礦H2S氣體災害的嚴重威脅，煤礦科技工作者對煤礦H2S氣體異常區的形成原因[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]等進行了卓有成效的研究，有力地保障了煤礦的安全生產。

油井抽采是石油、天然氣等資源開發的主要形式[11]，廢棄油井改變了煤油重疊區煤層中H2S氣體的分布狀態，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域，存在H2S氣體涌入工作面的重大危險，嚴重影響著煤礦的安全高效生產[12-15]。已有煤礦工程技術人員對廢棄油井周圍煤層H2S氣體的來源、擴散規律、危害及其治理方案等進行了研究。其中，周東等[16]對煤層中H2S氣體的來源進行了初步的分析，靳華等[17]研究了廢棄石油井對煤礦采掘活動的危害，馬智等[18]對煤礦井田內廢棄油井風險進行了分類并提出了相應的治理方案，張儉讓等[19]和孫四清[20]分別研究了巷道掘進過程中油型氣的擴散規律[19]和涌出機理[20]，索永錄等[21]通過數值模擬對廢棄油井周圍煤層內氣體流動壓力與影響半徑的變化規律進行了研究，以上研究為廢棄油井周圍煤層的采掘活動提供了安全保障，但是由于還尚未確定廢棄油井周圍煤層中H2S氣體的分布規律，特別是采掘作業中H2S氣體的涌出規律及其對采掘作業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。現以雙馬煤礦為研究區，采用數值模擬方法研究廢棄油井周圍煤層中H2S氣體的滲透規律，通過測試和統計分析H2S氣體的分布規律及其對采掘作業的影響范圍，以期為廢棄油井礦區H2S的治理提供一定的指導。

1 廢棄油井周圍煤層H2S滲透規律數值模擬

1.1 研究區概況

雙馬煤礦隸屬于神華寧夏煤業集團，行政區劃屬于寧夏回族自治區靈武市，設計生產能力4.0 Mt/a，井田內主采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。經過統計該井田范圍內廢棄石油井170余口，油井內氣體壓力在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，該油井為裸孔，距工作面回風巷80 m，距工作面運輸巷203 m，從上到下一次穿過4-1煤層、4-2煤層和4-3煤層，井上下現場揭露油井情況如圖1所示。現場監測表明當采掘作業接近油井時，巷道內及抽放鉆孔內的硫化氫氣體濃度嚴重超標，給礦井安全高效生產造成嚴重威脅。

圖1 馬探31廢棄油井現場揭露情況Fig.1 Field exposure of abandoned oil well Matan 31

1.2 數值計算模型及方案

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°。基于該幾何模型建立長400 m、寬400 m、高50 m的三維數值模型，模型中廢棄油井孔徑為200 mm(直徑)，采用四邊形單元對幾何模型進行網格劃分，巖層網格劃分長度為1.0 m，煤層網格劃分長度為0.5 m，并在油井周圍進行網格加密處理，數值模型及網格劃分如圖3所示。

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

圖3 數值計算模型及網格劃分Fig.3 Numerical calculation model and grid division

采用流體力學計算軟件ANSYS-CFX對廢棄油井內的H2S滲流規律進行數值模擬研究，模擬過程中假設煤巖層為多孔介質[22]，滲流過程中的損失系數為各向同性[23]，H2S氣體滿足理想氣體方程。通過收集和實驗等方法獲取雙馬煤礦煤巖層力學參數和氣體滲流參數見表1。

為了獲得廢棄油井內氣體壓力對H2S滲透規律的影響，油井內氣體壓力按照0.2、0.5、1.0、1.5 MPa選取；同時為了研究方便，各煤層和各巖層相關參數分別取相同值，并且由于幾何模型關于廢棄油井對稱分布，因此選擇一半計算域進行計算模擬，選取特征斷面進行分析，如圖4所示。

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

1.3 數值模擬結果及分析

1.3.1 不同斷面上H2S氣體體積濃度分布

廢棄油井內壓力對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二個斷面分析H2S氣體體積濃度分布規律。不同斷面、不同油井內壓力條件下H2S氣體濃度分布規律如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以得出，隨著廢棄油氣井內的壓力逐漸增大，受擴散系數影響[24]H2S氣體擴散范圍逐漸增大，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氣體濃度分布規律

選取計算模型中的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氣體在煤層內的運移范圍相比巖層更大一些，對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H2S滲透規律

選取4-1煤層對不同井內壓力條件下的H2S運移規律進行瞬態分析，圖8為4-1煤層最終穩定狀態的H2S氣體速度云圖。從圖8可以得出，隨著井內壓力升高，H2S氣體在煤層內運移速度增加，并且井內壓力越高其高速運移區域面積也越大。

而當下崔永元手撕演藝界黑幕，就源于馮導之流在巨大財富的誘惑下，早已貪婪成性的這幫人，居然敢冒天下之大不韙（從當下輿情一邊倒預判），甚至是身敗名裂之巨大風險，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，有敢于和比自己強勢的對手死磕到底的膽魄）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參數和氣體滲流參數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 不同井內壓力時H2S氣體在煤層運移速度云圖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氣體運移速度數據如圖9所示。從圖9可以得出，隨著廢棄油井內氣體壓力逐漸增大，分別為0.2、0.5、1.0、1.5 MPa時，H2S氣體滲透運移距離逐漸增大，分別為190、195、200、230 m。同時還可以得出，隨著時間的增加，最終H2S運移速度區域穩定，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極限值。

2 廢棄油井影響區H2S分布規律

馬探30、馬探31廢棄油井位于I0104105綜采工作面內，對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氣體濃度分布規律，通過注吸收劑鉆孔取樣對鉆孔內氣體進行成分分析，測試的氣體成分包括CH4、CO2、H2S、CO、O2等。

馬探30廢棄油井沿走向200 m范圍內實際施工測試鉆孔17個。由于馬探30廢棄油井已提前采取了封井措施，測定結果為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范圍內共施工測試鉆孔47個，其中105回風巷26個，105運輸巷21個，測定結果見表2。

根據表2統計結果，H2S濃度在1×103mL/m3以上的鉆孔28個，占所有鉆孔的59.6%，其中F19鉆孔內H2S濃度最高為1.2×104mL/m3。因此，從鉆孔H2S濃度測定結果統計可以初步判斷馬探31廢棄油井影響區域H2S含量是比較大的。為了進一步分析廢棄油井影響范圍內H2S氣體濃度的分布規律，根據表2數據測試分析結果，以馬探31油井中心為基準，I0104105工作面回風巷、運輸巷各鉆孔H2S沿走向的分布規律如圖10所示(其中0點為油井)。

從圖10可以得出：工作面回風巷側和工作面運輸巷側鉆孔內H2S氣體濃度分布規律基本保持一致；測試范圍內沿工作面走向越靠近油井中心，鉆孔內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H2S氣體濃度明顯高一些。

圖9 不同井內壓力時H2S氣體在煤層運移速度曲線圖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范圍內鉆孔H2S濃度分類統計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工作面回風巷側和運輸巷側各鉆孔H2S濃度分布規律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涌出數據分析

為了保障工作面的安全回采，從2017年9月26日開始對過馬探31廢棄油井期間的風量和H2S涌出量數據進行統計，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。

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涌出的態勢直到揭露馬探31廢棄油井；當工作面安全揭露馬探31廢棄油井后，隨著工作面遠離廢棄油井H2S濃度呈下降趨勢，當工作面距離馬探31廢棄油井150 m時，H2S濃度急劇下降。這說明采掘作業初期接近廢棄油井時H2S帶來的安全問題最大，應加強注意防范，避免出現安全問題；采掘作業在到達廢棄油井之前，H2S會有一段較穩定的涌出時間，此時正常的治理措施即可保障采掘作業的安全生產；采掘作業經過廢棄油井之后，硫化氫涌出明顯降低，H2S問題得到有效解決。采掘作業過程中H2S涌出規律為硫化氫的治理提供了理論依據。

3.2 廢棄油井影響范圍確定

圖12為掘進過程中H2S監測位置關系圖，結合圖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。

從掘進過程來看，I0104105工作面運輸巷掘進過程中初次發現H2S位置距離馬探30約150 m，距離馬探31約435 m；I0104105工作面回風巷掘進過程中先是聞到臭雞蛋氣味，但檢測不到濃度，隨后經過滲油段，繼續向前掘進初次發現H2S，此地點距馬探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，那么在掘進過程中初次發現的H2S氣體應是馬探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500 m。

根據前述分析，綜合掘進期間和采煤期間H2S出現位置和濃度變化情況，同時根據長期跟蹤測定提出：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域為700 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涌出濃度變化趨勢圖Fig.11 Variation trend of H2S emission concentration during exploration of 31 abandoned oil wells

圖12 掘進過程中H2S監測位置關系圖Fig.12 Position diagram of H2S monitoring during tunneling

4 結論

(1)在相同的廢棄油井內壓力條件下，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沿I0104105綜采工作面走向越靠近油井中心，鉆孔內H2S氣體濃度越高，并且以油井為中心在-80～80 m內H2S氣體濃度呈集中分布的規律。

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

(4)綜合分析廢棄油井影響區煤層的滲透半徑為500 m，廢棄油井對工作面回采的影響區域為700 m，可對工作面回采期間硫化氫氣體的治理提供依據。