田博凡,康永尚,鄧 澤,曹明亮

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249；4.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083；5.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司 非常規(guī)油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 廊坊 065000；6.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100016)

0 引 言

巖石的力學(xué)性質(zhì)是指巖石在各種靜力、動(dòng)力作用下所表現(xiàn)出的性質(zhì)，主要指巖石的變形與強(qiáng)度特性，其中變形特性主要由彈性模量和泊松比2個(gè)參數(shù)反映，強(qiáng)度特性則主要由抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度反映。其中，抗壓強(qiáng)度和彈性模量是影響煤儲(chǔ)層可壓裂性的關(guān)鍵因素，在一定程度上控制著壓裂縫在煤儲(chǔ)層中的形態(tài)、方向以及延伸規(guī)模[1-2]，也是煤巖三維應(yīng)力狀態(tài)分析、壓裂效果模擬和壓裂施工優(yōu)化設(shè)計(jì)必要的原始參數(shù)。此外，煤巖抗壓強(qiáng)度(彈性模量)也對(duì)煤層氣排采過(guò)程中煤儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化起到一定控制作用[3]，因而深入分析煤巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量及其規(guī)律性，能夠?yàn)槊簝?chǔ)層壓裂和煤層氣井排采工作制度的制定提供依據(jù)和支撐。

前人研究已表明，與常規(guī)油氣儲(chǔ)層(主要為砂巖和碳酸鹽巖)相比，煤巖力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為低抗壓強(qiáng)度和低彈性模量[2,4]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)影響因素已開(kāi)展大量研究工作，筆者、曹明亮等[5-6]基于全國(guó)多個(gè)區(qū)塊煤巖樣品綜合分析，發(fā)現(xiàn)煤巖力學(xué)性質(zhì)影響因素眾多，可分為賦存環(huán)境和自身特質(zhì)[5-6]。前者包括煤巖所處的溫度和圍壓等環(huán)境因素，一般認(rèn)為煤巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨側(cè)壓的增大而增大，而高溫(200～700 ℃)條件下對(duì)肥煤—無(wú)煙煤的三軸試驗(yàn)表明，煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨溫度的升高而降低[7]，但煤層氣開(kāi)發(fā)深度范圍內(nèi)，溫度范圍為10～40 ℃，故其影響可以忽略。后者則包括受沉積影響的煤巖物質(zhì)組成和受煤階影響的孔隙、顯微裂隙、割理、水分等。物質(zhì)組成方面，文獻(xiàn)[6，8-9]均得到了煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨鏡質(zhì)組含量的增加而減小這一認(rèn)識(shí)。水分方面，盡管注入水條件下，陽(yáng)泉3號(hào)煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度和彈性模量明顯隨水分含量(自由水)的增加而減小[10]，但是工業(yè)分析水分含量(束縛水)對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)影響較弱[6,9]。而煤化作用與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)育的孔隙、顯微裂隙、割理等對(duì)煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量影響顯著。前人[1，9，11]分別基于柳林區(qū)塊、沁南和鄂東盆地、雞西和張晨礦區(qū)研究發(fā)現(xiàn)煤巖割理發(fā)育使得煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量具有強(qiáng)烈的各向異性，且煤巖割理越發(fā)育，煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量越小[1,9,11]。

從目前認(rèn)識(shí)來(lái)看，煤巖力學(xué)性質(zhì)影響因素眾多，但是主要因素基本受到煤化過(guò)程控制，與煤階密切相關(guān)[12-13]，因此煤巖力學(xué)性質(zhì)將隨煤階變化呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。國(guó)外研究表明，煤巖抗壓強(qiáng)度隨煤階升高呈“U”型變化規(guī)律[14]。國(guó)內(nèi)這方面報(bào)道較少，傅雪海等[15]通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)表明沁水盆地瘦煤和無(wú)煙煤樣品與貧煤相比，抗壓強(qiáng)度和彈性模量相對(duì)偏低。

從目前我國(guó)煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量研究現(xiàn)狀來(lái)看，一方面，前人研究多集中于某一含煤盆地或區(qū)塊，針對(duì)某一特定煤階區(qū)，尚缺乏不同煤階區(qū)系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。另一方面，前人研究側(cè)重于多因素分析，并未深入探討因素背后的控制作用。通過(guò)巖石單軸壓縮試驗(yàn)和煤質(zhì)測(cè)試，獲得了我國(guó)不同煤階區(qū)20塊煤巖樣品的力學(xué)參數(shù)(抗壓強(qiáng)度、彈性模量)和最大鏡質(zhì)體反射率Ro,max數(shù)據(jù)，并綜合前人部分測(cè)試數(shù)據(jù)，系統(tǒng)探討了從低煤階到高煤階(Ro,max=0.33%～3.44%)煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量的變化規(guī)律，分析了煤階控制下孔隙、裂隙、割理等對(duì)煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響作用，并對(duì)煤層氣井水力壓裂優(yōu)化以及排采工作制度優(yōu)化提出建議。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

筆者測(cè)試了來(lái)自我國(guó)二連盆地、海拉爾盆地、沁水盆地、鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地共18個(gè)礦區(qū)(圖1)20塊煤巖樣品的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及Ro,max數(shù)據(jù)(表1)。

圖1 本文研究涉及的18個(gè)礦區(qū)平面分布Fig.1 The distribution map of 18 mines involved in this study

表1 單軸力學(xué)測(cè)試參數(shù)和Ro,max測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Data of uniaxial mechanical test and Ro,max test

續(xù)表

為了盡可能排除其他因素干擾，探討煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量與煤階關(guān)系，力學(xué)參數(shù)測(cè)試遵循以下原則：①選擇裂隙不發(fā)育和相對(duì)完整的煤樣，剔除了煤體結(jié)構(gòu)因素對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響；②統(tǒng)一采用?25 mm×50 mm柱樣并沿垂直層理方向單軸施壓，剔除了樣品尺寸、各向異性和圍壓等因素對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響。另外，煤巖物質(zhì)組成對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)存在影響，但是這種影響可以視作隨機(jī)因素，雖會(huì)引起一定的統(tǒng)計(jì)誤差，但不影響煤階與煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量關(guān)系的基本統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

制作垂直層理尺寸為?25 mm×50 mm的柱樣，部分柱狀煤樣如圖2所示。表1所列數(shù)據(jù)之中，抗壓強(qiáng)度和彈性模量通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得，參照GB/T 23561—2009《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》，Ro,max測(cè)試參照GB/T 6948—2008《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測(cè)定方法》。需要說(shuō)明的是，煤階劃分采用業(yè)內(nèi)廣泛接受的方案，將Ro,max≤0.65%歸為低煤階，0.65%≤Ro,max≤1.90%歸為中煤階，Ro,max≥1.90%歸為高煤階。研究范圍涉及到了我國(guó)內(nèi)蒙古、華北、西北地區(qū)主要的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)區(qū)和煤炭開(kāi)采區(qū)，同時(shí)涵蓋了低、中、高等不同煤階區(qū)，數(shù)據(jù)對(duì)于煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨煤階的變化規(guī)律研究具有一定的代表性。

圖2 部分礦區(qū)煤巖柱樣照片F(xiàn)ig.2 Photos of coal samples selected from several regions

2 煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨煤階的變化規(guī)律

2.1 煤階對(duì)孔隙、割理的控制作用

煤階是一個(gè)用來(lái)描述煤化程度的量，參考ISO11760,MT-T1158-2011及前人煤階劃分方案[16-21]，結(jié)合煤層氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐，將Ro,max≤0.65%歸為低煤階，0.65%≤Ro,max≤1.90%歸為中煤階，Ro,max≥1.90%歸為高煤階(表1)，這也是業(yè)內(nèi)廣泛接受的方案。

受到煤化作用控制，煤巖孔隙、割理發(fā)育情況會(huì)隨煤階增加不斷演變。但是割理形成機(jī)制或成因一直是煤地質(zhì)學(xué)家爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，至今沒(méi)有公認(rèn)的、可驗(yàn)證的割理成因解釋[22]。因此，主要闡述割理隨煤階的發(fā)育變化情況，而不深入探討成因機(jī)制。

成煤初期(褐煤、次煙煤(Ro,max≤0.50%))，煤巖割理間距大、強(qiáng)度低[13,22-25]，以原生大孔為主，孔隙度最大(10%以上)[12,26]。從低煤階演化到中煤階的過(guò)程中，煤巖受到壓力和熱力共同作用，原生大孔急劇減少，小微孔逐漸增多，由于大孔減少占到絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此孔隙度降低[26]。中煤階(0.65%≤Ro,max)之后，在氣煤-肥煤階段(0.65%≤Ro,max≤1.20%)，生烴作用加強(qiáng)造成氣體流失，中孔數(shù)量增加使得孔隙度略有增大[27]。而當(dāng)煤巖演化到焦煤階段(1.20%≤Ro,max)之后，盡管小微孔的增加逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但是孔隙度不再明顯變化[26-28]。國(guó)內(nèi)外研究表明，從褐煤到焦煤的整個(gè)演化過(guò)程，割理處于不斷生成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并在焦煤、瘦煤過(guò)渡(Ro,max=1.50% 左右)階段達(dá)到最小割理間距(最大割理密度)[13,22-25]。隨著煤巖進(jìn)一步演化至高煤階(1.90%≤Ro,max)，煤巖割理密度、強(qiáng)度和尺度均大幅降低[13,22-25]，Laubach等(1998)將這種割理隨著煤階升高而消失的現(xiàn)象稱(chēng)為割理融退作用[24]。LEVINE等[29]指出這種融退作用主要是煤大分子官能團(tuán)重新聚合造成的。

2.2 抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨煤階的變化規(guī)律

JONES等統(tǒng)計(jì)了美國(guó)15個(gè)煤巖樣品的固定碳含量和單軸抗壓強(qiáng)度，認(rèn)為抗壓強(qiáng)度在高揮發(fā)性煙煤A(即0.71%≤Ro,max≤1.10%[21])開(kāi)始降低至中揮發(fā)性煙煤(即1.10%≤Ro,max≤1.50%[21])達(dá)到最低，隨著煤階升高，整體呈現(xiàn)“U”型規(guī)律[14]。但是樣品主要集中在0.47%≤Ro,max≤1.50%，缺少超低煤階、中高煤階的數(shù)據(jù)，高煤階和超高煤階各僅有1個(gè)樣品，因此認(rèn)識(shí)并不全面。

傅雪海等[13]基于三軸壓縮試驗(yàn)，在圍壓8 MPa條件下測(cè)試了4塊煤巖樣品。發(fā)現(xiàn)瘦煤、無(wú)煙煤抗壓強(qiáng)度和彈性模量小，貧煤抗壓強(qiáng)度和彈性模量大[13]。其在1.89%≤Ro,max≤2.87%的高煤階范圍內(nèi)得到了抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨煤階先增大后減小的倒“U”型規(guī)律。同樣地，這一認(rèn)識(shí)也僅源自4塊樣品，具有一定局限性。另外，需要說(shuō)明的是，雖然這一成果基于三軸壓縮試驗(yàn)，但是其樣品圍壓條件一致，剔除了圍壓影響，盡管測(cè)試數(shù)據(jù)不能同單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)一起比較，但其在1.89%≤Ro,max≤2.87%的高煤階范圍內(nèi)得到的倒“U”型規(guī)律可以成立，并可作為參考。

據(jù)表1數(shù)據(jù)，做出了煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量與Ro,max關(guān)系散點(diǎn)圖(圖3)。發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度分布在1.36～20.11 MPa，彈性模量分布在0.579～7.679 MPa，這與其他三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果相比整體偏低，認(rèn)為與試驗(yàn)方式有關(guān)。研究表明，單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得的抗壓強(qiáng)度和彈性模量一般較三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果偏低[30-31]?？傮w來(lái)說(shuō)，當(dāng)0.33%≤Ro,max≤0.75%(主要為低煤階)時(shí)，隨煤階升高，抗壓強(qiáng)度(彈性模量)增大，基本在Ro,max=0.75%左右達(dá)到最大。隨著煤化程度繼續(xù)提高，抗壓強(qiáng)度(彈性模量)逐漸變小，并在Ro,max=1.40%左右達(dá)到低值。進(jìn)入中高煤階之后，煤巖抗壓強(qiáng)度(彈性模量)小幅增大，但在1.90%≤Ro,max≤3.00%(高煤階)范圍內(nèi)，由于缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因而參考傅雪海等的研究成果推測(cè)了變化趨勢(shì)(虛線)，認(rèn)為抗壓強(qiáng)度(彈性模量)先增大至Ro,max=2.50%左右達(dá)到高值，之后持續(xù)減小。在3.00%≥Ro,max(超高煤階)時(shí)，煤巖抗壓強(qiáng)度(彈性模量)持續(xù)變小。整體變化規(guī)律近似不對(duì)稱(chēng)的“M”型(圖4)。需要說(shuō)明的是，得到的“M”型規(guī)律是“U”型規(guī)律在考慮低煤階和高煤階后的拓展，同時(shí)參考了傅雪海等在1.89%≤Ro,max≤2.87%范圍內(nèi)得到的倒“U”型規(guī)律，更系統(tǒng)全面地反映了抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨煤階的變化規(guī)律。

圖3 煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨煤階變化規(guī)律Fig.3 Compressive strength and Young′s modulus of coal rock with change of coal rank

這一現(xiàn)象可從煤化過(guò)程中的煤巖割理和孔隙發(fā)育變化得到合理解釋。如前文所述，通常褐煤、次煙煤(Ro,max≤0.50%)割理不甚發(fā)育，但是孔隙度最大且以大孔為主，因此抗壓強(qiáng)度(彈性模量)最低。從低煤階演化到中煤階的過(guò)程中，煤巖孔隙度降低導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度(彈性模量)逐漸增大至最大值。中煤階(Ro,max≥0.65%)之后，煤巖孔隙度略有增加并趨于穩(wěn)定，但是割理逐漸發(fā)育直至Ro,max=1.50%左右達(dá)到最大割理密度，造成煤巖抗壓強(qiáng)度(彈性模量)在此范圍達(dá)到低值。另外，氣煤-肥煤階段(0.65%≤Ro,max≤1.20%)生烴作用亦能造成氣體流失，引起基質(zhì)收縮效應(yīng)，使得煤巖容易發(fā)育天然裂縫[21,27]，同樣造成強(qiáng)度降低。隨著煤巖進(jìn)一步演化至高煤階(Ro,max≥1.90%)，割理融退作用使得煤巖抗壓強(qiáng)度(彈性模量)增大。但當(dāng)Ro,max進(jìn)一步增大，認(rèn)為受到熱源和構(gòu)造作用影響，有機(jī)碳高分子的側(cè)鏈和官能團(tuán)逐步發(fā)生解離作用，同時(shí)分子結(jié)構(gòu)逐漸有序化，出現(xiàn)石墨化趨勢(shì)[32-34]。雖然3%≤Ro,max≤4%時(shí)，煤巖并不能完全石墨化，但是已有研究證實(shí)石墨化過(guò)程緩慢持久，屬于微觀結(jié)構(gòu)持續(xù)變化[32-34]，因此認(rèn)為部分微觀結(jié)構(gòu)的“石墨化”可能導(dǎo)致超高煤階抗壓強(qiáng)度(彈性模量)變低。

3 對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)的意義

以上研究表明，煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨煤階升高呈“M”型變化規(guī)律，因而針對(duì)不同煤階區(qū)討論煤層氣開(kāi)發(fā)很有必要。

我國(guó)煤巖儲(chǔ)層普遍具有低孔低滲的特點(diǎn)，必須采取一定的人工強(qiáng)化增產(chǎn)措施，水力壓裂是目前最常用的儲(chǔ)層增透技術(shù)。水壓致裂在巖層中的造縫條件、裂縫的擴(kuò)展及展布形態(tài)等均與巖層所處地應(yīng)力狀態(tài)、力學(xué)性質(zhì)、壓裂液性質(zhì)及其注入方式等因素密切相關(guān)[1]，其中，煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響不容小覷，原因有：

1)煤巖中壓裂縫高度與彈性模量存在如下關(guān)系[35]：

(1)

式中:hf為壓裂縫高度，m；Pnet為裂縫中的凈壓，MPa；E為彈性模量，MPa；μ為壓裂液黏度，mPa·s；lf為壓裂縫長(zhǎng)度，m；Q為泵入排量，m3/min。

從式(1)可見(jiàn)，其他條件相同的前提下，垂直壓裂縫高度隨彈性模量的增大而增大。

2)根據(jù)蘭姆方程理論[36]，煤巖中形成水力裂縫的寬度與其彈性模量成反比。

與常規(guī)儲(chǔ)層相比，煤巖強(qiáng)度低，彈性模量低。在相同條件下，裂縫寬度增加，裂縫長(zhǎng)度的增加將受到限制[2]，因此煤巖容易開(kāi)裂，并易形成短寬裂縫。針對(duì)不同煤階區(qū)，不同壓裂策略如下：

在Ro,max≤0.5%(主要為褐煤、次煙煤)、Ro,max≥3.0%(主要為無(wú)煙煤)和1.0%≤Ro,max≤2.0%(主要為焦煤、瘦煤)時(shí)，煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量相對(duì)較小，相對(duì)容易起裂，但是裂縫短寬不易延伸，導(dǎo)流能力較差。開(kāi)發(fā)中可以考慮適當(dāng)提高壓裂規(guī)模，增加裂縫延伸長(zhǎng)度。

在0.5%≤Ro,max≤1.0%(主要為氣煤、肥煤)和2.0%≤Ro,max≤3.0%(主要為貧煤)時(shí)，煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量相對(duì)較大，其他條件相同時(shí)，相對(duì)而言需要較高的起裂壓力，但易獲得導(dǎo)流能力好的長(zhǎng)縫。此外，從式(1)可見(jiàn)，其他條件相同時(shí)，彈性模量越大，壓裂高度也越大。因此，需要合理控制壓裂規(guī)模，既要保證裂縫有效延伸，又要防止壓穿煤層頂?shù)装甯羲畬?，?dǎo)致壓裂縫溝通含水層，在煤系地層含水層發(fā)育的地區(qū)，這一問(wèn)題尤其重要[37]。

另外，煤層氣排水—降壓—產(chǎn)氣這一開(kāi)發(fā)過(guò)程存在有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)，即開(kāi)發(fā)導(dǎo)致煤體本身承受的有效應(yīng)力增加,煤體壓實(shí)造成滲透率降低[12]。在煤層氣開(kāi)發(fā)初期，即單相排水階段，這種有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)十分明顯。因此，控制初始排水速度，減少滲透率損失，對(duì)于提高煤層氣井產(chǎn)能至關(guān)重要[38]。

根據(jù)描述煤儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化的經(jīng)典模型P-M模型，即[39]：

(2)

(3)

基于煤層氣排采階段劃分，以臨界解吸壓力為節(jié)點(diǎn)，P-M模型[39]可進(jìn)一步表示為：

(4)

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤層壓力小于臨界解吸壓力，即處于單相排水階段時(shí)，彈性模量大小直接決定了煤巖開(kāi)發(fā)過(guò)程中的滲透率變化程度，彈性模量越大，其抵抗有效應(yīng)力的能力越強(qiáng)，滲透率損失越少[39-40]。因此，針對(duì)不同煤階區(qū)，采取不同排采策略很有必要。

在Ro,max≤0.5%(主要為褐煤、次煙煤)、Ro,max≥3.0%(主要為無(wú)煙煤)和1.0%≤Ro,max≤2.0% (主要為焦煤、瘦煤)時(shí)，煤巖彈性模量相對(duì)較小，有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)強(qiáng)，滲透率損失大，因此開(kāi)發(fā)初期應(yīng)該注意控制初始排水速度，減少煤儲(chǔ)層滲透率傷害，盡可能擴(kuò)大煤層氣解吸面積，防止產(chǎn)能衰減過(guò)快；在0.5%≤Ro,max≤1.0%(主要為氣煤、肥煤)和2.0%≤Ro,max≤3.0%(主要為貧煤)時(shí)，煤巖彈性模量相對(duì)較大，有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)相對(duì)較弱，滲透率損失較小，可適當(dāng)加快排水速度，提高生產(chǎn)效率。

4 結(jié) 論

1)煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨煤階的升高呈不對(duì)稱(chēng)的“M”型變化規(guī)律，表現(xiàn)為隨Ro,max增大，煤巖抗壓強(qiáng)度(彈性模量)先增大(Ro,max=0.75%左右達(dá)到最大)后減小(Ro,max=1.40%左右達(dá)到低值)。之后隨著煤階繼續(xù)升高，煤巖抗壓強(qiáng)度(彈性模量)先增大，至Ro,max=2.50%左右出現(xiàn)下降拐點(diǎn)轉(zhuǎn)而持續(xù)減小。

2)煤階影響煤巖割理和孔隙發(fā)育，進(jìn)而控制煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量變化。褐煤、次煙煤(Ro,max≤0.50%)雖然割理不發(fā)育，但以大孔為主，且孔隙度最大，因此抗壓強(qiáng)度(彈性模量)最低。隨著煤階向中煤階演化，孔隙度快速下降致使抗壓強(qiáng)度(彈性模量)逐漸增大。中煤階之后，割理逐漸發(fā)育，造成煤巖抗壓強(qiáng)度(彈性模量)下降。隨著煤巖進(jìn)一步成熟，割理逐漸融退，推測(cè)煤巖抗壓強(qiáng)度(彈性模量)增大，但當(dāng)3.00%≤Ro,max后，高溫、應(yīng)力作用下的煤巖分子結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致煤巖抗壓強(qiáng)度(彈性模量)變低。

3)在Ro,max≤0.5%(主要為褐煤、次煙煤)、Ro,max≥3.0%(主要為無(wú)煙煤)和1.0%≤Ro,max≤2.0%(主要為焦煤、瘦煤)時(shí)，煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量較小，容易起裂，但是裂縫短寬不易延伸，導(dǎo)流能力較差?？梢钥紤]提高壓裂規(guī)模，增加裂縫延伸長(zhǎng)度；在0.5%≤Ro,max≤1.0%(主要為氣煤、肥煤)和2.0%≤Ro,max≤3.0%(主要為貧煤)時(shí)，煤巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量較大，需要較高起裂壓力，但是容易獲得長(zhǎng)縫。壓裂時(shí)要控制壓裂規(guī)模，防止壓穿煤層頂?shù)装甯羲畬印?/p>

4)煤層氣排采存在有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)，在Ro,max≤0.5%(主要為褐煤、次煙煤)、Ro,max≥3.0%(主要為無(wú)煙煤)和1.0%≤Ro,max≤2.0%(主要為焦煤、瘦煤)時(shí)，煤巖彈性模量較小，有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)強(qiáng)，滲透率損失大，開(kāi)發(fā)初期應(yīng)注意控制初始排水速度，減少煤儲(chǔ)層滲透率傷害，防止產(chǎn)能衰減過(guò)快；在0.5%≤Ro,max≤1.0%(主要為氣煤、肥煤)和2.0%≤Ro,max≤3.0%(主要為貧煤)時(shí)，煤巖彈性模量較大，有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)較弱，滲透率損失較小，可適當(dāng)加快排水速度，提高生產(chǎn)效率。