索永錄，李 凡，劉穎凱

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引言

我國(guó)有不少煤礦處于煤炭資源與石油資源共儲(chǔ)區(qū)[1]，先期開采石油后遺留的廢棄石油井會(huì)給后續(xù)煤炭資源的安全開采造成巨大困難[2]。神華寧煤雙馬煤礦位于寧東地區(qū)馬家灘礦區(qū)，雙馬井田內(nèi)共有170個(gè)廢棄石油井。由于廢棄石油井將煤層和含油層相互貫通，并將煤層與含水層導(dǎo)通，井內(nèi)大量高壓油氣和含水層內(nèi)大量水會(huì)向臨近采掘工作面泄入，從而嚴(yán)重威脅到煤層安全高效開采。開展廢棄石油井對(duì)煤層安全開采影響進(jìn)行評(píng)價(jià)研究,有助于對(duì)因石油井引發(fā)的災(zāi)害進(jìn)行有效防治，以保證井下安全高效采煤。

關(guān)于煤礦生產(chǎn)安全評(píng)價(jià)，優(yōu)良可劣評(píng)價(jià)法將煤礦各生產(chǎn)活動(dòng)定性地劃分為優(yōu)、良、可和劣4個(gè)等級(jí)[3]；礦山安全評(píng)價(jià)法[4]通過(guò)建立瓦斯爆炸、水災(zāi)、火災(zāi)和冒頂評(píng)價(jià)函數(shù)分別對(duì)各評(píng)價(jià)因子評(píng)價(jià)，然后對(duì)照危險(xiǎn)性分級(jí)表確定礦井危險(xiǎn)等級(jí)；Denby B[5]基于專家系統(tǒng)法提出了煤礦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法；朱國(guó)宏[6]基于危險(xiǎn)性識(shí)別原則提出了預(yù)先危險(xiǎn)性分析法，并對(duì)臨時(shí)停工的獨(dú)頭巷道進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)；基于模糊數(shù)學(xué)理論，有學(xué)者提出了模糊故障樹分析法和模糊概率法[7-8]；徐暢[9]應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)對(duì)露天礦山的安全生產(chǎn)狀況進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)；程衛(wèi)民[10]基于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)和模糊統(tǒng)計(jì)提出了能有效確定具有隨機(jī)、模糊性質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)安全度值的集值統(tǒng)計(jì)法；曹慶奎[11]等基于煤礦安全評(píng)價(jià)影響因素建立了較客觀的煤礦安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；杜震宇[12]等根據(jù)物元和可拓理論建立了煤礦安全評(píng)價(jià)的可拓優(yōu)度評(píng)價(jià)模型；王玉環(huán)[13]等基于層次分析法建立了多級(jí)模糊評(píng)價(jià)模型，并對(duì)煤礦生產(chǎn)安全評(píng)價(jià)進(jìn)行了實(shí)例分析。以上研究多為對(duì)整個(gè)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行大致安全評(píng)價(jià)，方法較單一，評(píng)價(jià)結(jié)果主觀性較大，且對(duì)深入考慮廢棄石油井對(duì)井下采煤安全影響的類似評(píng)價(jià)研究較少。為此，根據(jù)雙馬煤礦范圍內(nèi)存留的廢棄石油井及其周圍煤巖層的實(shí)際情況，綜合運(yùn)用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，針對(duì)廢棄石油井對(duì)煤層安全開采的影響進(jìn)行深入研究[14]。首先分析廢棄石油井對(duì)煤層安全開采的影響；然后在此基礎(chǔ)上用層次分析法確定評(píng)價(jià)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次和各層次評(píng)價(jià)因素、指標(biāo)所占的權(quán)重；最后運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法分別對(duì)評(píng)價(jià)因素和評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以得到各評(píng)價(jià)因素對(duì)煤層安全開采的影響程度以及廢棄石油井對(duì)煤層安全開采的整體影響等級(jí)。

1 廢棄石油井對(duì)煤層安全開采的影響分析

雙馬煤礦位于寧夏回族自治區(qū)靈武市東南約60 km處，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量539.81 Mt，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.0 Mt/a，服務(wù)年限為96.4 a。該礦處于石油資源與煤炭資源共儲(chǔ)區(qū)，目前在該井田范圍內(nèi)共排查出170口廢棄石油井。以當(dāng)前對(duì)井下采掘工作面影響最大的馬探31號(hào)石油井為具體對(duì)象進(jìn)行分析。

1.1 石油井基本結(jié)構(gòu)

馬探31號(hào)廢棄石油井成井于1970年前后，由于年代久遠(yuǎn)，相關(guān)資料非常缺乏，其套管、固井及封井等情況不明。一般石油井都下設(shè)有套管，在套管與井壁之間的環(huán)形空間內(nèi)注入石油水泥漿進(jìn)行固井，雙馬礦區(qū)石油井結(jié)構(gòu)如圖1所示。也有一些特殊的石油井不下設(shè)套管(可稱裸眼井)。

圖1 石油井結(jié)構(gòu)示意

1.2 災(zāi)害因素分析

通過(guò)對(duì)雙馬煤礦的煤層及礦井基本條件和油層及石油井特征的綜合分析，發(fā)現(xiàn)開采井周圍煤層存在3類災(zāi)害：油氣因素、水因素和頂板因素災(zāi)害。

油氣因素災(zāi)害分析：油氣災(zāi)害是指石油井將煤層與含油層導(dǎo)通，含油層內(nèi)的原油和與原油伴生或從原油中裂解的油層氣順著石油井大量涌入井下采掘工作面，從而造成井下人員傷亡和設(shè)備損壞的災(zāi)害。油氣災(zāi)害主要體現(xiàn)在油氣易燃易爆、有毒及腐蝕井下設(shè)備、污染井下環(huán)境等方面。含油層中的油氣在廢棄石油井內(nèi)可能會(huì)積聚大量的高壓有毒有害氣體和原油，當(dāng)工作面推至石油井附近以及揭露石油井時(shí)，高壓有害氣體和原油可能會(huì)通過(guò)石油井突然大量涌入、甚至噴入煤礦井下采掘工作面，油氣災(zāi)害示意圖如圖2所示。油氣災(zāi)害危害程度主要取決于井內(nèi)有無(wú)套管、套管損壞程度、封井情況以及井內(nèi)油氣壓力大小。套管完好時(shí)，井內(nèi)油氣與井周圍煤層基本被隔離，開采井周圍煤層所受油氣危害程度較小。封井水泥質(zhì)量好且將各含油層都徹底封堵住時(shí)，含油層內(nèi)的油氣無(wú)法侵入石油井以及煤層，井周圍采煤及揭井較安全。井內(nèi)油氣壓力高時(shí)，高壓油氣會(huì)在周圍煤層內(nèi)大范圍擴(kuò)散滲流并異常突出，造成煤層內(nèi)易燃易爆油氣大量積聚以及巷道與工作面內(nèi)有毒有害氣體濃度嚴(yán)重超限，導(dǎo)致井周圍采煤困難；此外，揭井時(shí)面臨高壓油氣噴入工作面的威脅大。

圖2 油氣災(zāi)害示意

水因素災(zāi)害分析：水災(zāi)害是指開采煤層上方含水層中的水通過(guò)石油井突然大量潰入井下采掘工作面而引發(fā)的災(zāi)害。水災(zāi)害主要體現(xiàn)在潰水會(huì)惡化井下工作環(huán)境及淹井等方面?？赡鼙皇途畬?dǎo)通的含水層中的水會(huì)在井內(nèi)大量匯集，無(wú)套管時(shí)，井內(nèi)的水可能會(huì)在揭井時(shí)潰入工作面；有套管且固井高度不足時(shí)，工作面還可能會(huì)在切割套管時(shí)遭受二次潰水災(zāi)害，其災(zāi)害示意圖如圖3所示。水災(zāi)害危害程度主要取決于井內(nèi)有無(wú)套管、套管損壞程度、封井情況、固井質(zhì)量、含水層導(dǎo)通情況、含水層富水性以及水頭高度。套管與封井水泥對(duì)水災(zāi)害的影響作用與對(duì)油氣災(zāi)害的類似。固井質(zhì)量好且固井高度高于含水層時(shí)，潰水危害小；固井高度低于含水層但高于煤層頂板時(shí)，揭井時(shí)不會(huì)遭受二次潰水災(zāi)害。含水層和煤層被石油井很好地導(dǎo)通且含水層富水性強(qiáng)時(shí)，揭井時(shí)將會(huì)有源源不斷的水體從含水層涌向工作面。井內(nèi)或套管與巖層之間空隙內(nèi)存在高水頭地下水時(shí)，揭井時(shí)面臨高壓水沖擊工作面的威脅大。

圖3 水災(zāi)害示意

頂板因素災(zāi)害分析：頂板災(zāi)害分為2種，一種是指有套管并且固井質(zhì)量好的石油井在地層中會(huì)起到“超級(jí)錨桿”作用，加固煤層附近的巖層，致使采場(chǎng)局部頂板不易垮落，形成的大面積懸頂突然大范圍垮落而造成的災(zāi)害；另一種是指地質(zhì)條件差時(shí)，井壁容易坍塌，在揭井時(shí)石油井附近頂板發(fā)生嚴(yán)重冒落的災(zāi)害[15]。頂板災(zāi)害示意圖如圖4所示。2種頂板災(zāi)害危害程度主要取決于井內(nèi)有無(wú)套管、套管損壞程度、封井情況、固井質(zhì)量以及煤層上覆巖層地質(zhì)條件。套管完好且封井效果好時(shí)，“超級(jí)錨桿”的強(qiáng)度好，更容易引發(fā)第1種頂板災(zāi)害。固井水泥質(zhì)量好且泥漿與各巖層緊密結(jié)合時(shí)，“超級(jí)錨桿”對(duì)各地層的加固作用更大，同樣也更容易引發(fā)第1種頂板災(zāi)害。煤層上覆巖層強(qiáng)度較差且容易破碎時(shí)，井下面臨第2種頂板災(zāi)害的威脅較大。

圖4 頂板災(zāi)害示意

2 廢棄石油井對(duì)煤層安全開采影響的層次分析

2.1 層次分析法選用依據(jù)

層次分析法是一種用于確定評(píng)價(jià)指標(biāo)因素權(quán)重向量的系統(tǒng)分析方法。廢棄石油井對(duì)采煤影響評(píng)價(jià)的系統(tǒng)較為復(fù)雜，影響指標(biāo)因素多且存在不確定性，各指標(biāo)因素的重要程度也較難把握。層次分析法不僅適用于存在不確定性和主觀信息的情況，還允許以合乎邏輯的方式運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)、洞察力和直覺(jué)去較準(zhǔn)確地衡量各指標(biāo)因素的相對(duì)重要性[16]，可以通過(guò)特定的處理方法將影響安全采煤的定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)，從而能夠較好地保證權(quán)重值的客觀性和準(zhǔn)確性。因此該方法在本文中具有很好的實(shí)用性。

2.2 分析過(guò)程

建立層次結(jié)構(gòu)模型：明確各層次及各因素之間的邏輯關(guān)系，將系統(tǒng)劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。根據(jù)廢棄石油井對(duì)煤層安全開采的影響分析，確定準(zhǔn)則層為油氣、水和頂板3類災(zāi)害，指標(biāo)層為各類災(zāi)害下的影響因素，評(píng)價(jià)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 評(píng)價(jià)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模型

構(gòu)造判斷矩陣：對(duì)同一層次中同屬一個(gè)子系統(tǒng)的各因素進(jìn)行兩兩權(quán)重比較，并構(gòu)造判斷矩陣。假設(shè)某因素C所包含的下一層指標(biāo)為C1、C2、…、Cn，構(gòu)造出如下判斷矩陣C。

(1)

式中，cii=1；cij·cji=1。在進(jìn)行兩兩比較分析時(shí)，一般引用1～9標(biāo)度法來(lái)實(shí)現(xiàn)判斷矩陣的量化[17]，見表1。

表1 標(biāo)度及其含義

邀請(qǐng)雙馬煤礦現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)專家對(duì)3類災(zāi)害及影響各類災(zāi)害因素彼此之間相對(duì)重要性進(jìn)行評(píng)判，由此構(gòu)造以下4個(gè)判斷矩陣。

(2)

求出最大特征值及其對(duì)應(yīng)特征向量：借助Matlab軟件求出各判斷矩陣的最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量，并對(duì)特征向量進(jìn)行歸一化處理，見表2。

表2 最大特征值、特征向量及一致性檢驗(yàn)表

進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：對(duì)判斷矩陣偏離的一致性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算判斷。一般認(rèn)為當(dāng)CR<0.1時(shí)，判斷矩陣的一致性可以被接受，即判斷矩陣選取合理[18]，其特征向量即為各指標(biāo)對(duì)上一層指標(biāo)因素的權(quán)重向量。一致性指標(biāo)計(jì)算公式為

(3)

式中，RI—平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值見表3；n—判斷矩陣階數(shù)。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

由表2可知，將4個(gè)最大特征值代入到一致性指標(biāo)計(jì)算公式進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果均符合要求。3類災(zāi)害中油氣災(zāi)害所占權(quán)重最大，為0.648 3，說(shuō)明油氣災(zāi)害對(duì)煤層安全開采的威脅最大。

3 廢棄石油井對(duì)煤層安全開采影響的模糊綜合評(píng)價(jià)

3.1 模糊綜合評(píng)價(jià)法選用依據(jù)

模糊綜合評(píng)價(jià)法是美國(guó)扎德教授創(chuàng)立的應(yīng)用模糊關(guān)系合成原理，從多個(gè)因素對(duì)被評(píng)價(jià)事物隸屬度等級(jí)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的一種方法[19]。廢棄石油井對(duì)采煤影響的不確定指標(biāo)因素多，指標(biāo)模糊性大，影響程度難以量化。模糊綜合評(píng)價(jià)法可以對(duì)難以定量分析的模糊影響程度進(jìn)行主觀定性描述，以隸屬度函數(shù)為橋梁將各指標(biāo)因素的模糊性加以度量，結(jié)合前文層次分析法，可以定性定量地綜合考慮各種影響指標(biāo)因素，能從很大程度上減少個(gè)人主觀臆斷所帶來(lái)的弊端，使得文章評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確合理。因此選用該方法具有很大的優(yōu)越性。

3.2 評(píng)價(jià)過(guò)程

建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并確定指標(biāo)權(quán)重：建立綜合評(píng)價(jià)因素集以建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并確定每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。因素集是以評(píng)價(jià)對(duì)象的各種因素為元素所組成的一個(gè)普通集合，通常用U表示，即

U={u1,u2,…,um}

(4)

對(duì)應(yīng)于因素集的權(quán)重集通常用A表示，即

A={a1,a2,…,am}

(5)

根據(jù)廢棄石油井對(duì)煤層開采的影響分析，確定第1層因素集包括油氣因素災(zāi)害(u1)、水因素災(zāi)害(u2)和頂板因素災(zāi)害(u3)，第2層因素集包括各災(zāi)害的影響因素，以此構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表4。由前文層次分析法可知，各判斷矩陣均選取合理，由此確定各指標(biāo)權(quán)重，見表4。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重分配表

確定評(píng)價(jià)評(píng)語(yǔ)集并進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)：評(píng)語(yǔ)集是評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能做出的各種評(píng)價(jià)所組成的集合，通常用V表示。

V={v1,v2,…,vn}

(6)

選用合適的隸屬度函數(shù)[20]對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以各單因素評(píng)價(jià)集為行組成模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣R

(7)

式中，rij(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)—評(píng)價(jià)指標(biāo)ui對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)vj的隸屬度，其反映評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)間用隸屬度表示的模糊關(guān)系。

將雙馬煤礦馬探31號(hào)廢棄石油井對(duì)采煤影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)按照等級(jí)劃分，用數(shù)字區(qū)間加以約束，此文章選用5等級(jí)評(píng)語(yǔ)集，即V={較輕微，輕微，較嚴(yán)重，嚴(yán)重，很嚴(yán)重}，把評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)模糊化，進(jìn)而將主觀性評(píng)判轉(zhuǎn)化為客觀定量評(píng)價(jià)，見表5。根據(jù)雙馬煤礦馬探31號(hào)廢棄石油井的相關(guān)資料及其地面治理時(shí)進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)影響井下采煤的各指標(biāo)因素進(jìn)行確認(rèn)，并對(duì)無(wú)法確認(rèn)的指標(biāo)因素進(jìn)行合理地推斷。地面治理時(shí)未發(fā)現(xiàn)套管，推斷無(wú)套管；井口有表層封井水泥，推斷井內(nèi)無(wú)封井水泥或有封井水泥但長(zhǎng)度很短且效果很差；實(shí)測(cè)井內(nèi)氣體壓力最大達(dá)13.992 MPa；井底有一小段固井水泥，由于固井久遠(yuǎn)，推斷固井水泥強(qiáng)度及性能一般；水文地質(zhì)資料顯示煤層上方有5個(gè)主要含水層組，并且直羅組含水層局部富水性強(qiáng)，推斷含水層組被局部導(dǎo)通；推斷水頭較高；地質(zhì)資料顯示頂板多為粉、細(xì)粒砂巖，其它上覆巖層巖性及賦存狀態(tài)較好。

表5 評(píng)價(jià)等級(jí)劃分表

邀請(qǐng)7位相關(guān)專家針對(duì)各指標(biāo)因素的以上情況對(duì)其打分，滿分10分，去掉每個(gè)指標(biāo)的最高分和最低分，將剩余的進(jìn)行平均，見表6。根據(jù)平均分按應(yīng)用最廣泛的梯形隸屬度函數(shù)(表達(dá)式如下)計(jì)算每個(gè)平均分對(duì)應(yīng)于每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，并記錄于模糊關(guān)系表中，見表7。由于頂板災(zāi)害中的套管、封井水泥和固井水泥指標(biāo)因素所起的作用與在其他災(zāi)害中的相差太大，因此對(duì)其重新打分。油氣壓力按實(shí)測(cè)處理。

2011年區(qū)域內(nèi)有80 394人，全部為農(nóng)村人口，用水量134.3萬(wàn)m3，用水定額為 45.8L/（人·d）； 大牲畜 37 567頭，用水定額為 60 L/（頭·d）；小牲畜43035 頭，用水定額為 25L/（頭·d）。 實(shí)際灌溉面積27800畝（15畝=1 hm2，下同）其中菜田為7 700畝，用水量355.7萬(wàn)m3，其中菜田134.75萬(wàn)m3，用水定額水澆地為110m3/畝，菜田為175m3/畝。工業(yè)用水量為709萬(wàn)m3。2011年區(qū)域總用水量為1353.3萬(wàn)m3。

表6 專家評(píng)分表

表7 模糊關(guān)系表

rij(x)=

(8)

例：r111=0，x>4；r112=0，x>6；r113=0.5，6

廢棄石油井對(duì)煤層安全開采影響的單層模糊綜合評(píng)價(jià)：選用M(·，+)評(píng)價(jià)模型[18]對(duì)油氣因素災(zāi)害進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，得到評(píng)價(jià)向量B1，即

B1=A1·R1

=(0.296 9,0.539 6,0.163 5)·

=(0，0，0.181 4，0.838 1，0.818 6)

(9)

根據(jù)最大隸屬度原則，油氣因素災(zāi)害影響等級(jí)為嚴(yán)重，見表8。

表8 影響等級(jí)隸屬度表

同理，B2=(0.106 6，0.478 3，0.570 7，0.459 8，0.332 7)，水因素災(zāi)害影響等級(jí)為較嚴(yán)重；B3=(0.572 3，0.939 4，0.427 7，0，0)，頂板因素災(zāi)害影響等級(jí)為輕微。

廢棄石油井對(duì)煤層安全開采影響的雙層模糊綜合評(píng)價(jià)：在對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)時(shí)，避免不了人的主觀因素在權(quán)值分配上的影響，多級(jí)評(píng)價(jià)可以把人的主觀因素限制在單一的很小范圍內(nèi)，可以減小主、客觀因素之間的差異，從而保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

將單因素評(píng)價(jià)結(jié)果視為上一層單因素評(píng)價(jià)集，由此組成高一層的評(píng)價(jià)矩陣，對(duì)本文評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)目標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣為

R=(B1，B2，B3)T

(10)

再次運(yùn)用M(·，+)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)

B=A·R

=(0.648 3,0.229 7,0.112 0)·

=(0.094 3，0.224 5，0.300 9，0.649 0，0.607 1)

(11)

根據(jù)最大隸屬度原則，馬探31號(hào)廢棄石油井對(duì)周圍煤層安全開采的整體影響等級(jí)為嚴(yán)重。

4 結(jié)論

(1)廢棄石油井對(duì)井周圍煤層安全開采的危害分為油氣涌入、水涌入和頂板災(zāi)害3類，確定了影響各類災(zāi)害的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)得到了油氣災(zāi)害、水災(zāi)害、頂板災(zāi)害及下屬各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，3類災(zāi)害中，油氣災(zāi)害所占權(quán)重最大，即油氣災(zāi)害對(duì)煤層安全開采的威脅最大。

(3)油氣、水和頂板災(zāi)害因素對(duì)煤層安全開采的影響等級(jí)分別為嚴(yán)重、較嚴(yán)重和輕微。廢棄石油井對(duì)煤層安全開采綜合影響的模糊綜合評(píng)價(jià)向量為(0.094 3，0.224 5，0.300 9，0.649 0，0.607 1)，依據(jù)最大隸屬度原則，其影響等級(jí)為嚴(yán)重。