煤層地應(yīng)力形成機制及對開發(fā)利用影響的探索

牛 衛(wèi) 紅

(晉城市地質(zhì)工程院，山西 晉城 048000)

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煤層地應(yīng)力形成機制及對開發(fā)利用影響的探索

牛 衛(wèi) 紅

(晉城市地質(zhì)工程院，山西 晉城 048000)

結(jié)合我國煤氣地應(yīng)力開發(fā)研究的現(xiàn)狀，從地殼構(gòu)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(yīng)力開發(fā)的因素，并針對巖石的流變性，提出了相應(yīng)的管控建議。

煤層地應(yīng)力，地殼，巖石，煤炭

現(xiàn)如今，我國對于煤層的開發(fā)力度越來越大，要求也越來越高，它主要包含煤層氣開發(fā)利用與煤炭開采兩個部分。對于煤層地應(yīng)力而言，需要高度重視煤層氣鉆井的安全管理、水力壓開發(fā)、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(yīng)力開發(fā)方面依然處于剛剛起步的階段，大多都是依據(jù)常規(guī)油氣層開發(fā)利用的地應(yīng)力技術(shù)，這對于整個行業(yè)的發(fā)展，存在很大的不足。

1 我國煤氣地應(yīng)力開發(fā)研究現(xiàn)狀及其意義

1.1 研究現(xiàn)狀

地應(yīng)力主要是由于地殼內(nèi)部的各種運動或者是由其他因素引起介質(zhì)內(nèi)發(fā)生的作用力所造成的。它經(jīng)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(zhì)、水利、電力、煤礦、石油、天然氣、建筑等眾多行業(yè)。現(xiàn)如今關(guān)于地應(yīng)力研究已經(jīng)逐步展開并引起了相關(guān)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(guān)科研機構(gòu)繼續(xù)努力為煤層地應(yīng)力開發(fā)工作的順利開展創(chuàng)造條件。

在地應(yīng)力的形成機制方面，依據(jù)眾多的實測數(shù)據(jù)表明：地應(yīng)力場本身擁有較為穩(wěn)定的特點，卻又是一個非穩(wěn)定性的應(yīng)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?zé)崃鲃印⒌貧?gòu)造運動或者地球自轉(zhuǎn)等都共同形成了各式各樣的應(yīng)力場。與此同時，地應(yīng)力也能夠隨著地殼歷史進程的發(fā)展而不斷累積，它對地應(yīng)力場的形成也是極為重要的。

1.2 煤層地應(yīng)力研究的意義

現(xiàn)如今，煤層地應(yīng)力開發(fā)利用對于煤層氣開發(fā)行業(yè)的發(fā)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(fā)的整個進程，這需要引起有關(guān)部門的高度重視。關(guān)于其研究的意義主要包括以下幾個方面：第一，煤層地應(yīng)力的探究有利于充分提升整個煤層氣開發(fā)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(tài)，一旦開始打井后，這種平衡形態(tài)就會打破，鉆井內(nèi)側(cè)的各種作用力支持容易失去控制，如果操作不當(dāng)就會給工作人員的自身安全造成一定影響，所以地應(yīng)力的相關(guān)研究結(jié)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(yīng)力的探究還能夠影響到煤層氣井內(nèi)部的水力壓裂開發(fā)工作，在我國煤層的滲透率普遍較低，其產(chǎn)量也不高。因此急需對煤層氣井的壓裂方式進行相關(guān)探究，進而提升煤層地應(yīng)力的認(rèn)知，并為其機制的形成與管控創(chuàng)造條件；第三，煤層地應(yīng)力的探究還能夠確保煤炭開發(fā)的鉆井安全，在煤炭開發(fā)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(fā)情況的發(fā)生。因此，煤層地應(yīng)力嚴(yán)重干擾著煤層開發(fā)利用的各個環(huán)節(jié)，它的探究能為煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

2 煤層地應(yīng)力開發(fā)的影響要素

2.1 地殼構(gòu)造運動對地應(yīng)力的干擾

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

2.2 地殼深度對地應(yīng)力的干擾

一般情況下，地殼垂向應(yīng)力主要由巖石層重力所形成，然而部分人認(rèn)為個別地區(qū)的地殼垂向應(yīng)力超過了地殼巖層所受重力，這主要是因為地殼剝蝕現(xiàn)象給地殼巖石層帶來了壓力所造成的。當(dāng)然，這只是個例，大多數(shù)存在于沉積巖當(dāng)中，所以垂向應(yīng)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(yīng)力的梯度也有所不同，通過大量的測量數(shù)據(jù)研究可以發(fā)現(xiàn)，地殼三個方向所受的應(yīng)力都會伴隨著地殼深度的增加而增加。當(dāng)然，根據(jù)不同區(qū)域的地殼構(gòu)成、巖石差異、溫度差異、間隙壓力、構(gòu)造運動的激烈程度等方面存在的差異也會有所區(qū)別。

2.3 巖石特性對地應(yīng)力造成的干擾

通過目前已有的地應(yīng)力研究的資料可以發(fā)現(xiàn)，一般情況下在相同區(qū)域、不同的巖石地層之間所形成的地應(yīng)力也通常會存在很大的差異性。巖層所受的壓力特性經(jīng)常會給地殼的地應(yīng)力產(chǎn)生很大的影響，它主要表現(xiàn)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(cè)面所受壓力的大小通常與垂直方向的應(yīng)力值呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與彈性材質(zhì)的泊松比也存在正比例關(guān)系。在巖石彈性模量方面，在相同區(qū)域相同應(yīng)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(yīng)力也就越高。

2.4 溫度對地應(yīng)力的干擾

地殼的巖石層通常會由于溫度的突然變化而產(chǎn)生應(yīng)變。一般情況下，巖石構(gòu)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(fā)局部或者整體油藏的應(yīng)力發(fā)生劇變。所以在這種情況下，進行區(qū)域地應(yīng)力探究時必須將溫度改變所引發(fā)的熱應(yīng)力考慮進去，然而一旦溫度的變化早于地應(yīng)力場的產(chǎn)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(yīng)變力會隨著時間的改變而發(fā)生特性的改變。巖石所受到的非彈性現(xiàn)象主要表現(xiàn)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(yīng)變力解除之后會立即恢復(fù)原形；塑性則是指巖石所受變形是長久性的，不可恢復(fù)的。

3.2 管控意見

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國對于煤層氣的開發(fā)也提出了越來越高的要求。現(xiàn)就對煤層氣開發(fā)進程中的管控提出相關(guān)意見：第一，強化企業(yè)開發(fā)行為的統(tǒng)一管控，相關(guān)部門要能夠綜合規(guī)劃，并逐步強化項目的審核標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格執(zhí)法力度；第二，組建相關(guān)單位專門管理，使煤層氣開發(fā)的保障機制與管控常態(tài)化；第三，注意開采進程中重點區(qū)域的保護行為，對于那些重點景區(qū)、水源地、文物區(qū)等有必要進行保護，禁止進入；第四，堅持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，注重綠色環(huán)保理念的培養(yǎng)，對于煤層氣開發(fā)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(tài)恢復(fù)與環(huán)境治理，這樣有利于整個煤氣層開采行業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)語

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

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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(wèi)紅(1968- )，男，工程師

TD822

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