煤層地應力形成機制及對開發利用影響的探索

牛 衛 紅

(晉城市地質工程院，山西 晉城 048000)

?

煤層地應力形成機制及對開發利用影響的探索

牛 衛 紅

(晉城市地質工程院，山西 晉城 048000)

結合我國煤氣地應力開發研究的現狀，從地殼構造運動、地殼深度、巖石特性、溫度四方面，分析了影響煤層地應力開發的因素，并針對巖石的流變性，提出了相應的管控建議。

煤層地應力，地殼，巖石，煤炭

現如今，我國對于煤層的開發力度越來越大，要求也越來越高，它主要包含煤層氣開發利用與煤炭開采兩個部分。對于煤層地應力而言，需要高度重視煤層氣鉆井的安全管理、水力壓開發、煤炭采集管理等幾個方面。但是目前情況下，我國在煤層地應力開發方面依然處于剛剛起步的階段，大多都是依據常規油氣層開發利用的地應力技術，這對于整個行業的發展，存在很大的不足。

1 我國煤氣地應力開發研究現狀及其意義

1.1 研究現狀

地應力主要是由于地殼內部的各種運動或者是由其他因素引起介質內發生的作用力所造成的。它經常容易隨著時間或者空間的改變而改變，它主要涉及到了地質、水利、電力、煤礦、石油、天然氣、建筑等眾多行業。現如今關于地應力研究已經逐步展開并引起了相關部門的重視，然而在研究成果上卻依然缺乏理論支持，所以這就需要相關科研機構繼續努力為煤層地應力開發工作的順利開展創造條件。

在地應力的形成機制方面，依據眾多的實測數據表明：地應力場本身擁有較為穩定的特點，卻又是一個非穩定性的應力場，它能夠隨著時間或者空間的改變而改變。例如板塊擠壓、地熱流動、地殼構造運動或者地球自轉等都共同形成了各式各樣的應力場。與此同時，地應力也能夠隨著地殼歷史進程的發展而不斷累積，它對地應力場的形成也是極為重要的。

1.2 煤層地應力研究的意義

現如今，煤層地應力開發利用對于煤層氣開發行業的發展顯得極為重要。它主要干擾著煤層的滲透性以及壓裂裂縫的形成，貫穿著煤層開發的整個進程，這需要引起有關部門的高度重視。關于其研究的意義主要包括以下幾個方面：第一，煤層地應力的探究有利于充分提升整個煤層氣開發時的鉆井安全管理意識，在鉆井開始之前，它深受各種作用力的影響，處于一種平衡形態，一旦開始打井后，這種平衡形態就會打破，鉆井內側的各種作用力支持容易失去控制，如果操作不當就會給工作人員的自身安全造成一定影響，所以地應力的相關研究結論的正確與否會直接干擾到整個鉆井的順利進行；第二，煤層地應力的探究還能夠影響到煤層氣井內部的水力壓裂開發工作，在我國煤層的滲透率普遍較低，其產量也不高。因此急需對煤層氣井的壓裂方式進行相關探究，進而提升煤層地應力的認知，并為其機制的形成與管控創造條件；第三，煤層地應力的探究還能夠確保煤炭開發的鉆井安全，在煤炭開發時通常要采用開挖巷道的模式，因此在開挖時必須確保其開挖強度以及支護位置的合理性，這樣就能夠最大可能的避免突發情況的發生。因此，煤層地應力嚴重干擾著煤層開發利用的各個環節，它的探究能為煤炭行業的可持續發展奠定堅實的基礎。

2 煤層地應力開發的影響要素

2.1 地殼構造運動對地應力的干擾

通過大量的地應力測量表明，地殼構造運動引發了構造應力的形成，它是干擾地應力的主要成分之一，特別是給水平方向地應力帶來極大的干擾。地殼構造活動的特性和大小會干擾到地層應力的形態，一旦構造運動越發激烈，其對應形成的構造應力也就越強烈，地殼的整體地應力水平也將越發明顯。通過探究發現，在地殼淺層，它的構造應力一般較為薄弱，內層大多處于一種擴張應力場中，以地表靜力場的形式體現；在地殼中層附近，煤層主要處于由擴張形態轉換為收縮形態的過渡區域，大多以準靜態壓力場的形式體現；在地殼深層，煤層則處于承受擠壓的形態，通常體現為地殼動力場的狀態，在構造運動方面通常以逆斷層形態體現。

2.2 地殼深度對地應力的干擾

一般情況下，地殼垂向應力主要由巖石層重力所形成，然而部分人認為個別地區的地殼垂向應力超過了地殼巖層所受重力，這主要是因為地殼剝蝕現象給地殼巖石層帶來了壓力所造成的。當然，這只是個例，大多數存在于沉積巖當中，所以垂向應力通常會伴隨著地殼深度的增加而逐步擴增。除此之外，還可能因為地殼巖石密度方面所存在差異，會使得應力的梯度也有所不同，通過大量的測量數據研究可以發現，地殼三個方向所受的應力都會伴隨著地殼深度的增加而增加。當然，根據不同區域的地殼構成、巖石差異、溫度差異、間隙壓力、構造運動的激烈程度等方面存在的差異也會有所區別。

2.3 巖石特性對地應力造成的干擾

通過目前已有的地應力研究的資料可以發現，一般情況下在相同區域、不同的巖石地層之間所形成的地應力也通常會存在很大的差異性。巖層所受的壓力特性經常會給地殼的地應力產生很大的影響，它主要表現在巖石泊松以及巖石彈性模量兩個方面。在巖石泊松方面，巖石層側面所受壓力的大小通常與垂直方向的應力值呈現正相關關系，與彈性材質的泊松比也存在正比例關系。在巖石彈性模量方面，在相同區域相同應變量的情形之下，地殼所受彈性模量越高，它的水平方向所受的地應力也就越高。

2.4 溫度對地應力的干擾

地殼的巖石層通常會由于溫度的突然變化而產生應變。一般情況下，巖石構造過程中一旦受到火燒油層或者注入熱水等活動的干擾，就會引發局部或者整體油藏的應力發生劇變。所以在這種情況下，進行區域地應力探究時必須將溫度改變所引發的熱應力考慮進去，然而一旦溫度的變化早于地應力場的產生，或者是溫度變化不大，則溫度的干擾因素將不予計量。

3 巖石流變性及管控意見

3.1 巖石流變性

巖石流變性通常是指巖石在長期受到壓力的作用下，它受到的地殼應變力會隨著時間的改變而發生特性的改變。巖石所受到的非彈性現象主要表現在巖石的彈性、彈塑性、滯彈性以及蠕變性等方面，在某種程度上來說，巖石具有一定的流動性。彈性方面是指巖石在應變力解除之后會立即恢復原形；塑性則是指巖石所受變形是長久性的，不可恢復的。

3.2 管控意見

隨著社會經濟的快速發展，我國對于煤層氣的開發也提出了越來越高的要求。現就對煤層氣開發進程中的管控提出相關意見：第一，強化企業開發行為的統一管控，相關部門要能夠綜合規劃，并逐步強化項目的審核標準，嚴格執法力度；第二，組建相關單位專門管理，使煤層氣開發的保障機制與管控常態化；第三，注意開采進程中重點區域的保護行為，對于那些重點景區、水源地、文物區等有必要進行保護，禁止進入；第四，堅持可持續發展戰略，注重綠色環保理念的培養，對于煤層氣開發進程中那些臨時建立的巷道、挖井等要能夠及時填埋，并注重開采后的生態恢復與環境治理，這樣有利于整個煤氣層開采行業的發展。

4 結語

隨著人民生活水平的日益提升，我國對于能源的開發利用也變得越來越重視。在煤層地應力的研究中發現，其煤層地應力形成機制尚不完善，研究成果較少，需要引起有關部門的高度關注，要能充分結合煤層分層地應力預測軟件，在對現場經過確認之后，逐步搭建起一套科學有效、切實可行的煤層氣探究機制，并要求有關部門強化管控，進而提升其開采效率。

[1] 楊 春.高鐵測量控制網及無砟軌道精調施工[J].低碳世界,2015(36):149-150.

[2] 季 輝.嚴格風險管控加強保薦人監管與制度約束[J].上海經濟,2013(7):56-57.

[3] 張崇生.集團財務管控體系的建設意見[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

牛衛紅(1968- )，男，工程師

TD822

A