寺河井田采空區(qū)下伏煤層應(yīng)力特征及其對(duì)煤層氣開發(fā)的影響

劉亮亮，李國慶，李國富,丁德民，王 越，吉澤宇,張怡冬

(1.煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 晉城 048012；2.中國地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司,山西 晉城 048012；4.武漢綜合交通研究院有限公司，湖北 武漢 430015)

煤炭地下采掘后形成自由面，打破了原巖應(yīng)力平衡，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，進(jìn)而引起圍巖的變形、移動(dòng)甚至破壞。對(duì)于層狀的含煤地層而言，中厚硬巖層是對(duì)于礦山壓力及巖層移動(dòng)破壞起控制作用的關(guān)鍵層。一般而言，采場(chǎng)覆巖在垂向上可劃分為垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，采場(chǎng)在橫向上可劃分為原始應(yīng)力區(qū)、增壓區(qū)、減壓區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)。位于采空區(qū)中部的采動(dòng)裂隙被重新壓實(shí)，而在采空區(qū)四周存在呈“O”形環(huán)狀采動(dòng)離層裂隙帶，即采動(dòng)裂隙“O”形圈。采場(chǎng)覆巖下部巖體的卸壓程度高，而上部瓦斯體積分?jǐn)?shù)高，存在一個(gè)瓦斯高效抽采的高位環(huán)形裂隙體。與普通鉆井相比，大直徑地面鉆井在抽采效果、服務(wù)年限和鉆井穩(wěn)定性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。煤層滲透性與有效應(yīng)力大小呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，采動(dòng)誘發(fā)的裂隙及卸壓作用，導(dǎo)致采動(dòng)影響范圍內(nèi)的煤層滲透性增強(qiáng)，這為采用地面井開發(fā)煤層氣創(chuàng)造了有利的條件。下伏被保護(hù)煤層滲透率隨上保護(hù)層開采厚度增加而呈“S”形增加，存在一個(gè)合理有效的保護(hù)層開采厚度范圍，被保護(hù)層水平滲透率高于垂直滲透率。隨著底板裂隙發(fā)育深度的增大，被保護(hù)層卸壓范圍變小。

應(yīng)力是影響煤層含氣性與滲透性的關(guān)鍵因素之一，并在一定程度上決定了壓裂適宜性以及開發(fā)工程的有效性。良好的含氣性和滲透性是煤層氣井取得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)地質(zhì)條件。研究表明，最小主應(yīng)力越小，滲透率及產(chǎn)氣量越高；主應(yīng)力差越大，越有利于保持蓋層的封閉性以及實(shí)現(xiàn)煤層壓裂增透。煤層滲透率與有效應(yīng)力之間存在負(fù)指數(shù)關(guān)系，而基質(zhì)收縮和滑脫效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致滲透率升高。已有裂隙的張開壓力隨著埋深的增大以及裂隙面走向與最大主應(yīng)力方位之間夾角的增大而增大。斷層損傷區(qū)滲透性增強(qiáng)，裂隙與最大水平主應(yīng)力方向角度較小時(shí)，滲透性高，高一個(gè)數(shù)量級(jí)。在澳大利亞Bowen和Surat盆地的斷層附近及巖性變化地段，煤層應(yīng)力發(fā)生很大的變化，最大水平主應(yīng)力的方位隨平面位置及深度變化而發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)；大多數(shù)開放性裂隙的方位角與最大主應(yīng)力方位角近平行或2者夾角呈小于40°，大部分高滲煤層分布在應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)的區(qū)域，且其應(yīng)力機(jī)制主要為走滑斷層、正斷層應(yīng)力機(jī)制。San Juan盆地煤層氣儲(chǔ)層滲透率低于滲透率模型預(yù)測(cè)值，可能是由于在排采后期煤層應(yīng)力變化導(dǎo)致煤層發(fā)生破壞，產(chǎn)生的煤粉降低了煤層滲透率。

巖石應(yīng)力是時(shí)間和空間的函數(shù)，隨巖性、巖石力學(xué)性質(zhì)及埋深等因素變化。力學(xué)強(qiáng)度高的巖石可以承受較高的應(yīng)力。軟弱巖石(如煤層和頁巖等)通常具有比硬的圍巖(如砂巖)更高的最小主應(yīng)力，而較小的剪切應(yīng)力可能觸發(fā)軟弱巖石中已有斷裂的滑動(dòng)；最小主應(yīng)力升高可避免弱斷面發(fā)生剪切滑動(dòng)，即砂巖具有較低的泊松比和較低的最小主應(yīng)力，而頁巖可以具有較高的最小主應(yīng)力。因?yàn)閹r性的差異，含煤盆地基底通常比蓋層更硬，Surat盆地煤層水平應(yīng)力差隨著埋深的增加而減小。

煤層應(yīng)力機(jī)制隨深度而變化，淺部表現(xiàn)為擠壓型，深部表現(xiàn)為伸展型。在鄂爾多斯盆地東緣，700 m以淺煤層應(yīng)力機(jī)制以走滑斷層為主，1 000 m以下以正斷層應(yīng)力機(jī)制為主。Bowen和 Surat盆地400 m以淺煤層處于逆斷層應(yīng)力機(jī)制，400 m以深主要為走滑斷層應(yīng)力機(jī)制。在Powder River盆地的煤層中，3種應(yīng)力機(jī)制并存，在厚度大于18 m的厚煤層中，最小水平主應(yīng)力明顯低于垂直應(yīng)力，高泵速洗井容易誘發(fā)垂直裂縫。寺河井田地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，東區(qū)最大水平主應(yīng)力方位為北西西向，為中等應(yīng)力礦區(qū)。

晉城礦區(qū)寺河井田通過在地面施工穿越采空區(qū)的煤層氣井抽采下伏煤層瓦斯，是實(shí)現(xiàn)多煤層條件下煤與煤層氣共采的創(chuàng)新性技術(shù)措施。應(yīng)力是影響采空區(qū)下伏煤層瓦斯抽采效果的關(guān)鍵因素之一，而目前相關(guān)的研究鮮有報(bào)道。筆者介紹了寺河井田地質(zhì)背景，分析了主應(yīng)力確定方法以及基于摩擦平衡理論的主應(yīng)力估算方法，基于研究區(qū)地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)以及煤層氣井壓裂資料，探討了研究區(qū)3號(hào)煤層采動(dòng)對(duì)下伏煤層應(yīng)力、滲透性及產(chǎn)氣效果的影響，所獲得的認(rèn)識(shí)可為采空區(qū)下伏煤層甲烷氣開發(fā)提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

寺河井田位于沁水盆地東南部，主要含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組(P)和太原組(P)，平均厚136.02 m；含煤14層，煤層總厚14.67 m，含煤系數(shù)10.8%，其中3號(hào)和15號(hào)為主要可采煤層，9號(hào)為大部可采煤層，其余為不可采煤層。5號(hào)煤層平均厚度為0.75 m，距離3號(hào)煤14.19 m；7號(hào)煤厚度為0.64 m，距離3號(hào)煤27.5 m，9號(hào)煤層平均厚度為1.34 m，距離3號(hào)煤48 m；15號(hào)煤層平均厚度為2.67 m，底板距離3號(hào)煤層平均約83.92 m。寺河礦采用斜井盤區(qū)式開拓方式、走向長壁綜合機(jī)械化采煤方法。南北走向長約12 km，東西傾斜寬約23 km，地質(zhì)儲(chǔ)量為15億t，按采區(qū)布置劃分為東區(qū)、西區(qū)。

根據(jù)晉煤集團(tuán)地面勘探孔的取心測(cè)試結(jié)果，寺河井田3號(hào)煤層含氣量為4.24～28.96 m/t，平均為19.51 m/t；9號(hào)煤層含氣量為2.87～31.94 m/t，平均為17.84 m/t；15號(hào)煤層含氣量為15.12～31.46 m/t，平均為24.10 m/t。寺河井田煤炭開采底板破壞深度一般為15～20 m，多重煤層卸壓開采后，下向卸壓距離最高達(dá)15～100 m。寺河井田3號(hào)煤層滲透率在1.37×10～38.83×10m，滲透性較好。3號(hào)煤儲(chǔ)層壓力0.70～1.04 MPa，與國內(nèi)其他主要煤層氣試驗(yàn)區(qū)相比，煤儲(chǔ)層壓力屬于低等水平。

2 儲(chǔ)層應(yīng)力確定方法

2.1 垂直應(yīng)力的估算

地應(yīng)力大小主要受3方面因素的影響，包括上覆巖層的重力、構(gòu)造應(yīng)力和巖石力學(xué)性質(zhì)。對(duì)于埋深超過幾十米的巖土體而言，正應(yīng)力總是壓應(yīng)力，在地質(zhì)工程中，一般定義壓應(yīng)力為正值，這與工程力學(xué)中正應(yīng)力的正負(fù)值含義剛好相反。即地下巖土體總是處于被壓縮狀態(tài)。除了地表淺層巖土體和深部鹽腔附近之外，埋深在幾十米以上的巖土體應(yīng)力主方向一般為垂直方向和水平方向，垂直應(yīng)力是主應(yīng)力之一。垂直應(yīng)力也稱為上覆自重應(yīng)力，是確定應(yīng)力機(jī)制的重要參數(shù)之一。垂直應(yīng)力由上覆巖體的自重引起，由式(1)估算：

(1)

其中，為埋深，m；為重力加速度，9.81 m/s；()為埋深處的密度，kg/m，可以由測(cè)井得到。然而，測(cè)井的密度是隨深度變化的，而且是一種間接的測(cè)試數(shù)據(jù)，也并非所有的井都有測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。因此，由試井密度計(jì)算的垂直應(yīng)力仍存在一些不確定性。在常規(guī)油氣儲(chǔ)層應(yīng)力研究中發(fā)現(xiàn)，沉積盆地的垂直應(yīng)力隨深度而增加，上覆巖層平均表觀密度約2 300 kg/m，平均孔隙度約15%。本次研究中基于沉積巖石平均密度2 300 kg/m估算垂直應(yīng)力。

==0022 56

(2)

式中，為上覆巖層平均密度。

2.2 主應(yīng)力測(cè)試

由于應(yīng)力本身的復(fù)雜性以及巖土體非均質(zhì)各向異性特征，地應(yīng)力大小的測(cè)試一直是比較困難的事。常用的地應(yīng)力測(cè)試方法包括應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、水壓致裂法、鉆孔崩落法、聲發(fā)射凱瑟效應(yīng)法(Kaiser法)等。其中，水壓致裂法是測(cè)量最小主應(yīng)力最為實(shí)用、可靠的方法。

據(jù)水力壓裂原理，壓裂液總是沿著最小阻力方向流動(dòng)，壓裂面為張性破裂面，壓裂面法線方向?yàn)樽钚≈鲬?yīng)力方位。試井中采用小型壓裂試驗(yàn)可獲得地層破裂壓力、地層閉合壓力，一般地層閉合壓力近似等于最小主應(yīng)力，由此估算最大水平主應(yīng)力。

=

(3)

當(dāng)最小主應(yīng)力為水平方向時(shí)，最小水平主應(yīng)力為最小主應(yīng)力，即=。最大水平主應(yīng)力為

=3--+

(4)

其中，為最大水平主應(yīng)力；為最小水平主應(yīng)力；為破裂壓力；為地層壓力；為比奧系數(shù)；為儲(chǔ)層抗拉強(qiáng)度。假設(shè)比奧系數(shù)=1.0，式(5)可簡(jiǎn)化為

=3--

(5)

多循環(huán)壓裂試驗(yàn)可以避免測(cè)試抗拉強(qiáng)度，可以從第1次和第2次裂隙開啟壓力之差估算巖石抗拉強(qiáng)度。

如果最小主應(yīng)力方位不是水平方向，或者說的方位為垂直方向，即=，則只能得到最小主應(yīng)力。式(3)～(5)的假設(shè)前提是儲(chǔ)層為連續(xù)、均質(zhì)、彈性各向同性介質(zhì)，且比奧系數(shù)=1.0。

2.3 基于摩擦平衡理論的主應(yīng)力估算

在晉城礦區(qū)煤層氣勘探開發(fā)工程中，只有少量試驗(yàn)井開展了地應(yīng)力試井測(cè)試，相當(dāng)一部分煤層氣井沒有做試井，這些井在采用套管完井后，進(jìn)行套管射孔、壓裂增透，通過分析壓裂曲線可得到閉合壓力，作為儲(chǔ)層最小主應(yīng)力。由于沒有破裂壓力及地層壓力數(shù)據(jù)，無法估算最大水平主應(yīng)力。在沒有應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，依據(jù)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力特征，可以應(yīng)用斷層摩擦平衡理論對(duì)應(yīng)力值范圍進(jìn)行估算或約束。

根據(jù)摩擦平衡理論(FEQ)，最大最小主應(yīng)力之間存在以下約束關(guān)系：

(6)

式中，為最大主應(yīng)力；為內(nèi)摩擦因數(shù)，對(duì)于絕大多數(shù)巖石，0.6≤≤1.0。

不同的應(yīng)力機(jī)制下，最大、最小主應(yīng)力的方向不同，摩擦平衡約束關(guān)系也不同。

(1)正斷層應(yīng)力機(jī)制下，≥≥，垂直應(yīng)力為最大主應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力次之，最小水平主應(yīng)力為最小主應(yīng)力。主應(yīng)力之間的摩擦約束關(guān)系為

(7)

(8)

(2)在逆斷層應(yīng)力機(jī)制下，>>，最大水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力，垂直應(yīng)力為最小主應(yīng)力，摩擦約束關(guān)系為

(9)

(10)

(3)在平移斷層應(yīng)力機(jī)制下，≥≥，最大水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力，垂直應(yīng)力為中間主應(yīng)力，摩擦約束關(guān)系為

(11)

最大水平主應(yīng)力的上限為

(12)

對(duì)于理想的靜水壓力條件地層，地層壓力梯度為9.8 kPa/m，垂直應(yīng)力梯度約23.1 kPa/m。由摩擦平衡理論，可以得到正斷層應(yīng)力機(jī)制下地層的最小水平主應(yīng)力≥06，逆斷層應(yīng)力機(jī)制下地層的最大水平主應(yīng)力≤22。在伸展型應(yīng)力機(jī)制下，≈，即接近下限06，而接近其上限；而在擠壓型應(yīng)力機(jī)制下，≈，最小水平主應(yīng)力接近，最大水平主應(yīng)力為≤22。

3 結(jié)果與討論

3.1 主應(yīng)力與應(yīng)力機(jī)制

天然應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)指天然水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比，用表示，=(+)(2)。取決于巖石物理力學(xué)性質(zhì)及所經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)歷史，反映構(gòu)造擠壓程度的高低。一般隨深度增加而減小。根據(jù)寺河井田18個(gè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)(表1)，為0.78～1.81，平均值為1.22；/為0.53～1.00，平均為0.82；反映應(yīng)力場(chǎng)為擠壓型。最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值(-)的一半等于該點(diǎn)的最大剪應(yīng)力，只有硬巖才可能承受較高的剪應(yīng)力。寺河井田3號(hào)煤最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差(-)為3.66～9.69 MPa，平均為6.10 MPa，反映3號(hào)煤具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。基于水力壓裂法的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，未采動(dòng)的3號(hào)煤層主要處于走滑斷層應(yīng)力機(jī)制，即≥≥(表1,2，圖1，2)。

表1 基于水力壓裂法的寺河井田地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)[23-24]

表2 寺河井田3號(hào)煤層主應(yīng)力

圖1 寺河井田3號(hào)煤層主應(yīng)力Fig.1 Principal stress within the No.3 coal seam in Sihe coalfield

圖2 寺河井田3號(hào)煤層主應(yīng)力比Fig.2 Principal stress ratio within the No.3coal seam in Sihe coalfield

共收集了寺河井田煤炭未開采區(qū)81個(gè)煤層段(3號(hào)、9號(hào)+15號(hào)煤層)和采動(dòng)區(qū)37個(gè)煤層段(采空區(qū)下伏的9號(hào)、15號(hào)煤層)的直井壓裂數(shù)據(jù)(表3)，得到了煤層的最小主應(yīng)力、施工壓力(裂縫傳播壓力)及破裂壓力參數(shù)。結(jié)果表明，未采動(dòng)煤層最小主應(yīng)力大小與垂直應(yīng)力大小相對(duì)接近，而采動(dòng)煤層最小主應(yīng)力普遍高于垂直應(yīng)力，且明顯大于未采動(dòng)煤層(圖3)。采動(dòng)煤層最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值(/)高于未采動(dòng)煤層(圖4)。/接近1或大于1，反映應(yīng)力機(jī)制為走滑斷層或逆斷層應(yīng)力機(jī)制，為擠壓型構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

表3 壓裂施工數(shù)據(jù)

續(xù)表

圖3 研究區(qū)煤層最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力Fig.3 Least principal stress and vertical stress in the study area

圖4 采動(dòng)區(qū)與未采動(dòng)區(qū)煤層應(yīng)力比Fig.4 Coal seam stress ratios in minedarea and unmined area

地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，未采動(dòng)3號(hào)煤層主要為走滑斷層應(yīng)力機(jī)制(圖1，2)，而3號(hào)煤的開采導(dǎo)致采空區(qū)下伏的9號(hào)、15號(hào)煤層的上覆荷載降低，9號(hào)煤和15號(hào)煤垂直應(yīng)力下降，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值升高。根據(jù)摩擦平衡理論，在擠壓型應(yīng)力機(jī)制下，最大水平主應(yīng)力的上限約為垂直主應(yīng)力的2.2倍，且與巖石內(nèi)摩擦因數(shù)成正比。

表4 理論卸壓垂距與開采深度、工作面長度之間的關(guān)系

3.2 施工壓力與破裂壓力

研究區(qū)采用套管射孔、清水壓裂工藝，排量為8 m/min。破裂壓力為地層不穩(wěn)定破裂時(shí)的壓力。當(dāng)排量小于破裂空間容量，導(dǎo)致壓力出現(xiàn)下降。破裂壓力理論值為

=3--+

(13)

破裂壓力與近井帶地層最小主應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度、施工排量、表皮系數(shù)等正相關(guān)。在實(shí)際壓裂工程中，并不總是會(huì)出現(xiàn)破裂壓力，當(dāng)?shù)貙虞^破碎或主應(yīng)力差較小時(shí)，可能不會(huì)出現(xiàn)明顯的破裂壓力點(diǎn)。

施工壓力為裂縫穩(wěn)定傳播壓力。在理論上，地層漏失壓力、施工壓力、關(guān)井瞬時(shí)壓力與閉合壓力應(yīng)大致相同，均等于地層最小主應(yīng)力。但由于射孔導(dǎo)致的流線集中、地層裂隙發(fā)育、儲(chǔ)層污染、壓裂液黏性、注入排量高等原因，施工壓力一般高于最小主應(yīng)力，但與最小主應(yīng)力正相關(guān)。地層滲透性好、吸水作用強(qiáng)，可能導(dǎo)致施工壓力偏低，進(jìn)而導(dǎo)致破裂壓力與施工壓力之差增大。因此，破裂壓力與施工壓力之差較大，推測(cè)地層滲透性相對(duì)較好。

未采動(dòng)井的破裂壓力與施工壓力之差為-4.9～11.7 MPa，平均值為2.14 MPa；采動(dòng)井的破裂壓力與施工壓力之差為0.5～18.0 MPa，平均值為7.1 MPa；采動(dòng)煤層的破裂壓力與施工壓力之差明顯大于未采動(dòng)煤層(圖5)。采動(dòng)煤層的破裂壓力梯度明顯高于未采動(dòng)煤層，而采動(dòng)煤層的施工壓力梯度低于未采動(dòng)煤層(圖6～8)。

圖5 寺河井田煤層氣井壓裂施工壓力與破裂壓力之差Fig.5 Fracture propagation pressure and fracturebreakdown pressure of CBM wells in Sihe coalfield

圖6 寺河井田煤層氣井壓裂施工壓力梯度與破裂壓力梯度Fig.6 Fracture propagation pressure gradient and fracturebreakdown pressure gradient of CBM wells in Sihe coalfield

圖7 寺河井田煤層氣井壓裂的施工壓力梯度Fig.7 Fracture propagation pressure gradient ofCBM wells in Sihe coalfield

圖8 寺河井田煤層氣井壓裂破裂壓力梯度Fig.8 Fracture breakdown pressure gradient ofCBM wells in Sihe coalfield

4 討 論

4.1 采動(dòng)卸壓作用影響范圍

開采保護(hù)層是最有效的區(qū)域防突措施之一。開采保護(hù)層引起被保護(hù)煤層應(yīng)力降低、滲透性增加，瓦斯解吸運(yùn)移，瓦斯含量和瓦斯壓力下降，煤體強(qiáng)度增加。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，上保護(hù)層開采后，底板巖層向采空區(qū)方向移動(dòng)和變形，應(yīng)力重新分布，同時(shí)卸壓使得被保護(hù)層的透氣性增大，在垂向上底板卸壓具有一定的范圍。對(duì)于緩傾斜、傾斜煤層而言，上保護(hù)層最大保護(hù)垂距一般不超過50 m。上保護(hù)層的最大有效垂直卸壓范圍可由式(14)計(jì)算：

=′

(14)

其中，′為理論卸壓垂距，m。′與保護(hù)層工作面的開采深度和長度有關(guān)，見表4，當(dāng)>0.3且<250 m時(shí)，則取=0.3；為影響系數(shù)，當(dāng)≤時(shí)，=，當(dāng)>時(shí)，=1；為開采上保護(hù)層的厚度，m；為上保護(hù)層的最小有效厚度，m；為層間硬巖(砂巖、石灰?guī)r)含量系數(shù)，以表示在層間巖石中硬巖所占的百分比，當(dāng)≥50%時(shí)，=1-0.4/100，當(dāng)<50%時(shí)，=1。

寺河井田3號(hào)煤層工作面長度為200～250 m，開采深度取300 m，查表得出′為90 m，=6 m，則=1，3號(hào)煤層和9號(hào)煤層間硬巖主要為5 m粗粒砂巖、6.5 m中粒砂巖、11.62 m細(xì)粒砂巖、7.3 m粉砂巖及11.1 m灰?guī)r，所占比例約為49.48%，則=1.0。根據(jù)式(14)，可得到寺河井田3號(hào)煤層采動(dòng)的最大有效垂直卸壓范圍為90 m。5號(hào)、7號(hào)、9號(hào)和15號(hào)煤與3號(hào)煤的距離分別為14.19，27.5，48.0和83.92 m。因此，推測(cè)5號(hào)、7號(hào)、9號(hào)和15號(hào)煤層均在3號(hào)煤層的開采卸壓范圍以內(nèi)。

4.2 儲(chǔ)層應(yīng)力與所處構(gòu)造部位的關(guān)系

在未采動(dòng)的3號(hào)煤層，A-097，A-098，A-101，A-102，A-103，A-105及A-108井位于向斜軸部，其破裂壓力與施工壓力之差較小，依次為-0.4，-4.9，1.8，1.8，0.5，-1.2和-0.3 MPa，其最小主應(yīng)力及施工壓力較高(圖9)。

圖9 研究區(qū)井位與地質(zhì)構(gòu)造Fig.9 Well position and the geological structure in the study area

在受采動(dòng)影響的9號(hào)煤層，B-106，B-111，B-112，B-122及B-123井位于背斜軸部，且位于3號(hào)煤層采空區(qū)下方，其破裂壓力與施工壓力壓差較大，表明背斜軸部煤層滲透性相對(duì)較好。

B-128井位于3號(hào)煤保護(hù)煤柱上，其9號(hào)煤破裂壓力、施工壓力值均較高，分別為，21.40 MPa和19 MPa，最小主應(yīng)力值較高，為13.9 MPa，破裂壓力與施工壓力之差為2.4 MPa。反映因上部煤柱原因，該處煤層產(chǎn)生了應(yīng)力集中效應(yīng)，滲透性較差。

B-129井位于3號(hào)煤采空區(qū)下方，平面上與B-128的距離約150 m，與煤柱距離10 m，該井9號(hào)煤的破裂壓力、施工壓力分別為13.4 MPa和7 MPa，最小主應(yīng)力為8.47 MPa，破裂壓力與施工壓力之差達(dá)6.4 MPa，推測(cè)該處煤層因卸壓而滲透性較好。

4.3 采動(dòng)井產(chǎn)氣特征

統(tǒng)計(jì)分析采空區(qū)下伏煤層氣井產(chǎn)量與最小主應(yīng)力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣量與最小主應(yīng)力大小無顯著相關(guān)性(圖10)。B-103及B-128井穿越了3號(hào)煤層采空區(qū)煤柱，測(cè)試發(fā)現(xiàn)在煤柱正下方的9號(hào)煤處存在應(yīng)力集中效應(yīng)，但經(jīng)過壓裂增透后，日產(chǎn)氣量分別高達(dá)2 784，4 224 m。這表明保護(hù)層煤柱下方的煤層即使因上保護(hù)層煤柱的原因存在應(yīng)力集中效應(yīng)，經(jīng)地面井壓裂增透后，也可以取得較好的產(chǎn)氣效果。采動(dòng)井B-106，B-111，B-112，B-122及B-123位于背斜軸部，其日產(chǎn)氣量分別為1 800，1 800，3 360，5 280和2 784 m，產(chǎn)氣效果良好。

圖10 研究區(qū)日產(chǎn)氣量與最小主應(yīng)力的關(guān)系Fig.10 Correlation between gas rate and the leastprincipal stress in the study area

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)未采動(dòng)的3號(hào)煤層應(yīng)力主要為走滑斷層應(yīng)力機(jī)制；在向斜軸部存在應(yīng)力集中，最小主應(yīng)力及壓裂施工壓力相對(duì)較高,破裂壓力與施工壓力之差較小。

(2)受采動(dòng)影響，3號(hào)煤采空區(qū)下伏的9號(hào)、15號(hào)煤層垂向應(yīng)力降低，水平應(yīng)力與垂向應(yīng)力比值升高；采動(dòng)煤層破裂壓力與施工壓力之差、破裂壓力梯度大于未采動(dòng)煤層，而其施工壓力梯度低于未采動(dòng)煤層。

(3)位于采空區(qū)下方背斜軸部的煤層施工壓力與破裂壓力之差較大，滲透性相對(duì)較好；處于保護(hù)煤柱下方的煤層段存在應(yīng)力集中效應(yīng)，破裂壓力與施工壓力之差較小，滲透性較差。

(4)位于采空區(qū)下伏9號(hào)煤背斜部位的采動(dòng)井以及穿過3號(hào)煤層煤柱的采動(dòng)井，在進(jìn)行壓裂增透后，可以取得較好的產(chǎn)氣效果。研究成果可為過采空區(qū)煤層氣井布置及壓裂參數(shù)設(shè)置提供借鑒。