煤层地应力形成机制及对开发利用影响的探索

牛 卫 红

(晋城市地质工程院，山西 晋城 048000)



煤层地应力形成机制及对开发利用影响的探索

牛 卫 红

(晋城市地质工程院，山西 晋城 048000)

结合我国煤气地应力开发研究的现状，从地壳构造运动、地壳深度、岩石特性、温度四方面，分析了影响煤层地应力开发的因素，并针对岩石的流变性，提出了相应的管控建议。

煤层地应力，地壳，岩石，煤炭

现如今，我国对于煤层的开发力度越来越大，要求也越来越高，它主要包含煤层气开发利用与煤炭开采两个部分。对于煤层地应力而言，需要高度重视煤层气钻井的安全管理、水力压开发、煤炭采集管理等几个方面。但是目前情况下，我国在煤层地应力开发方面依然处于刚刚起步的阶段，大多都是依据常规油气层开发利用的地应力技术，这对于整个行业的发展，存在很大的不足。

1 我国煤气地应力开发研究现状及其意义

1.1 研究现状

地应力主要是由于地壳内部的各种运动或者是由其他因素引起介质内发生的作用力所造成的。它经常容易随着时间或者空间的改变而改变，它主要涉及到了地质、水利、电力、煤矿、石油、天然气、建筑等众多行业。现如今关于地应力研究已经逐步展开并引起了相关部门的重视，然而在研究成果上却依然缺乏理论支持，所以这就需要相关科研机构继续努力为煤层地应力开发工作的顺利开展创造条件。

在地应力的形成机制方面，依据众多的实测数据表明：地应力场本身拥有较为稳定的特点，却又是一个非稳定性的应力场，它能够随着时间或者空间的改变而改变。例如板块挤压、地热流动、地壳构造运动或者地球自转等都共同形成了各式各样的应力场。与此同时，地应力也能够随着地壳历史进程的发展而不断累积，它对地应力场的形成也是极为重要的。

1.2 煤层地应力研究的意义

现如今，煤层地应力开发利用对于煤层气开发行业的发展显得极为重要。它主要干扰着煤层的渗透性以及压裂裂缝的形成，贯穿着煤层开发的整个进程，这需要引起有关部门的高度重视。关于其研究的意义主要包括以下几个方面：第一，煤层地应力的探究有利于充分提升整个煤层气开发时的钻井安全管理意识，在钻井开始之前，它深受各种作用力的影响，处于一种平衡形态，一旦开始打井后，这种平衡形态就会打破，钻井内侧的各种作用力支持容易失去控制，如果操作不当就会给工作人员的自身安全造成一定影响，所以地应力的相关研究结论的正确与否会直接干扰到整个钻井的顺利进行；第二，煤层地应力的探究还能够影响到煤层气井内部的水力压裂开发工作，在我国煤层的渗透率普遍较低，其产量也不高。因此急需对煤层气井的压裂方式进行相关探究，进而提升煤层地应力的认知，并为其机制的形成与管控创造条件；第三，煤层地应力的探究还能够确保煤炭开发的钻井安全，在煤炭开发时通常要采用开挖巷道的模式，因此在开挖时必须确保其开挖强度以及支护位置的合理性，这样就能够最大可能的避免突发情况的发生。因此，煤层地应力严重干扰着煤层开发利用的各个环节，它的探究能为煤炭行业的可持续发展奠定坚实的基础。

2 煤层地应力开发的影响要素

2.1 地壳构造运动对地应力的干扰

通过大量的地应力测量表明，地壳构造运动引发了构造应力的形成，它是干扰地应力的主要成分之一，特别是给水平方向地应力带来极大的干扰。地壳构造活动的特性和大小会干扰到地层应力的形态，一旦构造运动越发激烈，其对应形成的构造应力也就越强烈，地壳的整体地应力水平也将越发明显。通过探究发现，在地壳浅层，它的构造应力一般较为薄弱，内层大多处于一种扩张应力场中，以地表静力场的形式体现；在地壳中层附近，煤层主要处于由扩张形态转换为收缩形态的过渡区域，大多以准静态压力场的形式体现；在地壳深层，煤层则处于承受挤压的形态，通常体现为地壳动力场的状态，在构造运动方面通常以逆断层形态体现。

2.2 地壳深度对地应力的干扰

一般情况下，地壳垂向应力主要由岩石层重力所形成，然而部分人认为个别地区的地壳垂向应力超过了地壳岩层所受重力，这主要是因为地壳剥蚀现象给地壳岩石层带来了压力所造成的。当然，这只是个例，大多数存在于沉积岩当中，所以垂向应力通常会伴随着地壳深度的增加而逐步扩增。除此之外，还可能因为地壳岩石密度方面所存在差异，会使得应力的梯度也有所不同，通过大量的测量数据研究可以发现，地壳三个方向所受的应力都会伴随着地壳深度的增加而增加。当然，根据不同区域的地壳构成、岩石差异、温度差异、间隙压力、构造运动的激烈程度等方面存在的差异也会有所区别。

2.3 岩石特性对地应力造成的干扰

通过目前已有的地应力研究的资料可以发现，一般情况下在相同区域、不同的岩石地层之间所形成的地应力也通常会存在很大的差异性。岩层所受的压力特性经常会给地壳的地应力产生很大的影响，它主要表现在岩石泊松以及岩石弹性模量两个方面。在岩石泊松方面，岩石层侧面所受压力的大小通常与垂直方向的应力值呈现正相关关系，与弹性材质的泊松比也存在正比例关系。在岩石弹性模量方面，在相同区域相同应变量的情形之下，地壳所受弹性模量越高，它的水平方向所受的地应力也就越高。

2.4 温度对地应力的干扰

地壳的岩石层通常会由于温度的突然变化而产生应变。一般情况下，岩石构造过程中一旦受到火烧油层或者注入热水等活动的干扰，就会引发局部或者整体油藏的应力发生剧变。所以在这种情况下，进行区域地应力探究时必须将温度改变所引发的热应力考虑进去，然而一旦温度的变化早于地应力场的产生，或者是温度变化不大，则温度的干扰因素将不予计量。

3 岩石流变性及管控意见

3.1 岩石流变性

岩石流变性通常是指岩石在长期受到压力的作用下，它受到的地壳应变力会随着时间的改变而发生特性的改变。岩石所受到的非弹性现象主要表现在岩石的弹性、弹塑性、滞弹性以及蠕变性等方面，在某种程度上来说，岩石具有一定的流动性。弹性方面是指岩石在应变力解除之后会立即恢复原形；塑性则是指岩石所受变形是长久性的，不可恢复的。

3.2 管控意见

随着社会经济的快速发展，我国对于煤层气的开发也提出了越来越高的要求。现就对煤层气开发进程中的管控提出相关意见：第一，强化企业开发行为的统一管控，相关部门要能够综合规划，并逐步强化项目的审核标准，严格执法力度；第二，组建相关单位专门管理，使煤层气开发的保障机制与管控常态化；第三，注意开采进程中重点区域的保护行为，对于那些重点景区、水源地、文物区等有必要进行保护，禁止进入；第四，坚持可持续发展战略，注重绿色环保理念的培养，对于煤层气开发进程中那些临时建立的巷道、挖井等要能够及时填埋，并注重开采后的生态恢复与环境治理，这样有利于整个煤气层开采行业的发展。

4 结语

随着人民生活水平的日益提升，我国对于能源的开发利用也变得越来越重视。在煤层地应力的研究中发现，其煤层地应力形成机制尚不完善，研究成果较少，需要引起有关部门的高度关注，要能充分结合煤层分层地应力预测软件，在对现场经过确认之后，逐步搭建起一套科学有效、切实可行的煤层气探究机制，并要求有关部门强化管控，进而提升其开采效率。

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[3] 张崇生.集团财务管控体系的建设意见[J].商,2015(25):17-18.

Inquiry on coalbed stress forming mechanism and its impact upon development and utilization

Niu Weihong

(Jincheng Geology Engineering Institute, Jincheng 048000, China)

Combining with domestic coalbed stress development research status, starting from four aspects of crustal structure movement, crustal structure depth, rock characteristics and temperature, the paper analyzes factors influencing coalbed stress development, and puts forward corresponding management suggestions in light of rock rheology.

coalbed stress, crustal structure, rock, coal

1009-6825(2016)34-0079-02

2016-09-28

牛卫红(1968- )，男，工程师

TD822

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