中国含煤盆地浅—中深部现今地应力特点和分布规律-USB迷|专注于互联网分享

2024年3月11日发(作者：耿驹)

中国含煤盆地浅—中深部现今地应力特点和分布规律

文卓;康永尚;邓泽;孙良忠;李贵中;王红岩

【摘要】在煤炭开采和煤层气勘探开发过程以及其他地质工程活动中,现今地应力

是一个不可忽略的地质因素.本文收集和估算了中国六个不同含煤盆地1300 m以

浅的现今地应力数据,对中国含煤盆地的浅—中深部的地应力特点和地应力分布规

律展开研究.研究表明:①东部地区走滑应力场(σH>σV>σh)占比高,向西北地区逐渐

降低;中—高应力场占比在中国各含煤盆地差异比较小;②地应力场类型和地应力量

级与埋深有关,随着中国含煤盆地开采深度的增加,正常应力场(σV>σH>σh)逐渐占

据主导作用,地应力量级也逐渐加大;③通过侧压系数对比,将现今中国含煤盆地浅—

中深部地应力强度分为:东北地区高应力区、两淮地区中—高应力区、滇东黔西和

沁水盆地中应力区以及鄂尔多斯盆地(东缘)和准噶尔盆地(南部)低应力区;④板块俯

冲形成了中国含煤盆地地应力强度东强西弱的分布格局,南北走向的吕梁山是中国

北部东西应力强度的分界线;⑤地应力强度向着远离应力源的方向减弱,这种变化规

律在中国大陆以及在某个应力分区内(如在沁水盆地和滇东黔西地区)皆有表现.

【期刊名称】《地质论评》

【年(卷),期】2019(065)003

【总页数】14页(P729-742)

【关键词】含煤盆地;地应力特点;地应力强度;分布规律

【作者】文卓;康永尚;邓泽;孙良忠;李贵中;王红岩

【作者单位】中国石油大学(北京)地球科学学院,北京,102249;中国石油大学(北京)

地球科学学院,北京,102249;油气资源与探测国家重点实验室,北京,102249;中石油

勘探开发研究院,北京,100083;中国石油大学(北京)地球科学学院,北京,102249;中

石油勘探开发研究院,北京,100083;中石油勘探开发研究院,北京,100083

【正文语种】中文

地应力是指存在于地壳中的内应力，主要由重力应力、构造应力、孔隙应力、热应

力和残余应力等耦合而成(廖新武等，2015)。地应力场研究是岩石力学与采矿工

程中的一项重要内容，随着煤矿向深部开采，地应力的作用更加凸显(李鹏等，

2016)。地应力不仅能够引起储层构造变形，而且也能够影响到油气的运移(康永

尚等，1999)。而在煤层气的勘探开发过程中，地应力的作用显得尤为重要，在这

方面，国内外学者开展了大量的研究工作。地应力对煤层气成藏具有显著的控制作

用(赵庆波等，2012)，古应力场高值区断裂发育，水动力活跃，煤层矿化严重，

含气量低；应力场低值区一般位于局部构造高点，煤层割理发育，处于承压水封闭

环境，渗透率高，煤层气保存条件好，煤层没被水洗刷，含气量高(陈刚等，2009；

姚艳斌等，2010)。地应力影响了煤层的含气量，进而影响了煤储层的吸附、解吸、

扩散和渗流(逄思宇等，2014)，同时地应力对煤储层渗透率具有十分重要的影响

(叶建平等，1999)，并且煤储层渗透率随着现今地应力的增加呈指数降低的关系

(何伟钢等，2000)，现今地应力场类型在垂向上的转换，更导致了渗透率随埋深

变化规律复杂化(孙良忠等，2017)。古应力及构造演化导致煤体结构碎粒化和糜

棱化，对煤储层渗透率有降低作用，现今应力主要通过影响裂缝的开启程度对渗透

率产生影响(康永尚等，2017a)。美国黑勇士盆地煤层气高产区与煤储层现今最小

主应力有着较好的相关关系，其中Oak Grove气田迪姆地区煤层气产量≥ 2265

m3/d的井的原地应力< 6.2 MPa，Cedar Cove气田克林地区产量≥ 2832 m3/d

的井也分布在原地应力< 15.5 MPa的相对低值区(刘洪林等，2007)。早在1989

年澳大利亚学者就撰文论证了现今应力是影响澳大利亚含煤盆地水力压裂效果的关

键因素(彭格林等，1998)，现今地应力类型对储层压裂缝的发育至关重要(康永尚

等，2016)，在煤储层当中，当垂向主应力为最小主应力时，发育水平或低角度压

裂缝，当垂向主应力为中间主应力或最大主应力时，发育垂直或高角度压裂缝(康

永尚等，2017b)；现今地应力状态也影响到了煤层气资源的可动用性(康永尚等，

2017c，2018)。高地应力是中国煤储层所处的基本应力状态，地应力场类型的垂

向转换使水力压裂的方向复杂化，因此搞清现今煤层气区块的地应力强度和类型对

煤层气的开发至关重要(康永尚等，2017a)。

表1 不同地区现今地应力测点数据统计Table 1 Statistics of current in-situ

stress measuring points in different areas含煤盆地/地区测点个数(个)测点埋

深(m)含煤盆地/地区测点个数(个)测点埋深(m)东北地区13296.0～850.0沁水盆

地180 165.0～1272.8两淮地区64351.0～1150.0鄂尔多斯盆地(东

缘)39322.0～1298.0滇东黔西地区91127.9～1243.6 准噶尔盆地(南

部)15391.0～1117.05

目前国内外已发展和应用了多种地应力测量方法，主要有扁千斤顶法、水压致裂

(HF)法、刚性圆筒应力计、声发射(AE)法、应力解除法、应变恢复法、钻孔崩落法、

差应变曲线分析法、地球物理探测法及地质方法等(李鹏等，2016)，储层压裂前

通过微型破裂实验也可获得现今地应力参数(康永尚等，2017b)。其中水压致裂

(HF)法与应力解除法是比较成熟的地应力测量手段，测量精度较高，是目前普遍采

用的地应力测量方法，也是本文收集的地应力数据的两种测量方法。水压致裂(HF)

法无需知道岩石的力学参数就可直接测得地层中应力状态，广泛应用于深部地应力

测量，目前主要以二维测量为主；应力解除法采用一个钻孔就能确定出一个测点的

三维地应力状态，测量结果可靠性更高，广泛应用于各项重大工程中的浅孔应力测

量(张重远等，2013)。

国内学者对中国现今地应力场已经做了很多研究。孙守增(2003)认为中国矿区最

大水平主应力值σH普遍大于垂直应力值σV，有时最小水平主应力值σh也可能

大于垂直应力值σV，实测垂直应力与自重应力公式计算的应力基本相等。李鹏等

(2016)对中国煤矿矿区219组埋深范围在149～1283 m的实测地应力数据进行

了研究分析，认为目前中国煤矿矿区在此开采深度的地应力场类型主要是以σH >

σV > σh为主，矿区以高地应力值为主，中等应力值和超高应力值矿区也占有一

定比例。陈世达等(2018)对中国四个主要的煤层气地区进行了研究，认为中国煤

层气区块以中—高应力值为主，地应力场类型以σH > σV > σh和σV > σH >

σh为主，侧压系数均小于Hoek-Brown平均值。

随着煤层气的勘探开发，逐渐获得了煤层气开发最大深度(1300 m左右)以浅的现

今地应力数据，需要深化对中国现今地应力场的认识。本文系统收集了中国煤炭系

统的现今地应力数据，结合近几年在煤层气勘探开发过程中获得的微破裂测试数据，

估算了三向主应力，研究了六个主要的含煤盆地和地区的地应力大小和侧压系数，

总结了我国不同含煤盆地的地应力场类型及特点，并在全国范围内进行区域性的侧

压系数对比，最终得到中国含煤盆地在现今煤层气开发最大深度以浅部位的地应力

分布规律，以期为煤炭开采、煤层气开发和其他领域的工程应用提供关于地应力方

面的认识基础。

1 现今地应力资料收集和估算

笔者共整理和筛选了402组地应力数据，覆盖了中国26个煤矿和煤层气区块(图

1)，各含煤盆地的测点个数与埋深范围统计如表1，由表1可知测点数据最小埋深

为165 m，最大埋深为1298 m，总体来看，各深度段数据都有，能够很好地反

映我国1300 m以浅部位煤储层的地应力场特点；各个含煤盆地测点数据都集中

在300～1300 m，在进行区域性对比探究地应力分布规律时也比较有说服力。以

上地应力数据有两个来源：一是从文献中收集；二是根据近几年煤层气勘探开发过

程中的微破裂测试数据估算。下面分别论述。

1.1 现今地应力资料收集和筛选

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location map of the study areas1—鹤岗矿区;

2—鸡西矿区; 3—红菱矿区; 4—沈阳矿区; 5—阜新矿区; 6—南票矿区; 7—淮南矿

区; 8—淮北矿区; 9—老厂区块; 10—恩洪区块; 11—盘县区块; 12—比德—三塘区

块; 13—成庄区块; 14—寺河区块; 15—潘庄区块; 16—柿庄区块; 17—郑庄区块;

18—潞安区块; 19—寿阳区块; 20—古交区块; 21—韩城区块; 22—延川南区块;

23—大宁—吉县区块; 24—柳林区块; 25—阜康区块; 26—白杨河区块;Ⅰ—东北

地区; Ⅱ—两淮地区; Ⅲ— 滇东黔西地区; Ⅳ—沁水盆地; Ⅴ—鄂尔多斯盆地(东缘);

Ⅵ—准噶尔盆地(南部)1—Hegang block; 2—Jixi block; 3—Hongling block;

4—Shenyang block; 5—Fuxin block; 6—Nanpiao block; 7—Huainan block;

8—Huaibei block; 9—Laochang block; 10—Enhong block; 11—Panxian

block; 12—Bide—Santang block; 13—Chengzhuang block; 14—Sihe block;

15—Panzhuang block; 16—Shizhuang block; 17—Zhengzhuang block;

18—Lu’an block; 19—Shouyang block; 20—Gujiao block; 21—Hancheng

block; 22—Yanchuannan block; 23—Da’ning—Jixian block; 24—Liulin

block; 25—Fukang block; 26—Baiyanghe block; Ⅰ—The northeast area;

Ⅱ—Lianghuai area; Ⅲ—The Eastern Yunnan—Western Guizhou area; Ⅳ—

Qinshui basin; Ⅴ—Ordos basin (east edge); Ⅵ—Junggar basin (south)

在收集地应力资料时，应避免选取局部构造十分强烈的煤矿或煤层气区块的地应力

资料。在此前提条件下，笔者收集了18个煤矿或煤层气区块的地应力数据，分别

为东北地区的红菱煤矿、鹤岗煤矿、阜新煤矿、鸡西煤矿、沈阳煤矿和南票煤矿

(韩军等，2007；赵卫华等，2008；蔡忠朝等，2009；Han，et al，2011)；两

淮地区的淮南矿区和淮北矿区(张永坤，2012；郑贵强等，2013；马杰等，2015)；

沁水盆地的寺河矿区、潞安矿区、郑庄区块、成庄区块、潘庄区块(康红普等，

2009；康红普等，2010；徐玉胜，2010；王庆伟，2013；李叶朋等，2017)；

鄂尔多斯盆地(东缘)的韩城区块、柳林区块、延川南区块和大宁—吉县区块(孟召

平等，2013；李勇等，2014；黎文焰等，2016)和准噶尔盆地(南部)的阜康矿区

(陈世达等，2018)。

收集到的地应力数据需要进行以下处理：① 当某一深度的地应力数据过多时，为

避免数据重复，仅保留具有代表性的测点；② 剔除主应力信息不够完整的数据，

比如只有最大主应力或者只有最小主应力的数据点；③ 剔除最小水平主应力值σh

大于最大水平主应力值σH的测点数据；④ 由于偶然误差的存在，个别测点数据

会远离大多数数据分布的区域，这些奇异测点数据也同样需要剔除；⑤垂向主应力

σV可以根据上覆岩石的自重应力计算(Brown等，1978)，即：

σV = ρgh

(1)

式中，σV为垂向主应力，MPa；ρ为上覆地层密度，g/cm3；g为重力加速度，

9.8 m/s2；h为煤层中部埋深，m。本文根据前人在中国不同地区对ρ的取值范

围，将ρ取值为2.75。

表2 不同地区现今最大水平主应力方向统计表Table 2 Statistics on the

direction of current maximum horizontal principal stress in different areas

含煤盆地/地区最大水平主应力方向资料来源东北地区南部为NE70°向,中部为

NE100°向,北部为NE58°向姚立珣等,1992两淮地区NEE向马杰等,2015;秦巍

等,2013滇东黔西地区NW向孙业君等,2017;高振鲲,2008沁水盆地ESE—WSW

向秦勇等,1999鄂尔多斯盆地(东缘)EEW—SSN,近EW向薛茹斌,2006准噶尔盆地

(南部)优势方位为NS向李民河等,2005;王佟等,2016

经过以上处理，将低质量、低可靠性的数据删除，只对较高质量的数据进行研究分

析，能够获得可靠的研究成果。数据处理之后最终剩下192组地应力数据符合本

文研究所用，其中水力压裂法测得的数据共有132组，应力解除法测得的数据有

60组。

另外，笔者从前人资料中，收集了六个含煤盆地/地区的最大水平主应力方向(表2)。

1.2 地应力估算

随着煤层气的勘探开发，煤层气参数井的微破裂测试数据逐渐积累，为估算和认识

含煤盆地浅—中深部煤储层的地应力提供了新的数据支撑。笔者根据8个煤层气

区块共210个井层的微破裂测试数据，对三向主应力进行了估算。这8个煤层气

区块包括老厂区块、恩洪区块、盘县区块、比德—三塘区块、柿庄区块、古交区

块、寿阳区块和白杨河区块。垂向主应力用式(1)进行计算，最大、最小水平主应

力估算依据公式(2)(孙良忠等，2017)：

σh = Pc

σH = 3Pc-Pf-Po+T

(2)

式中，σh为最小水平主应力，MPa；Pc为闭合压力，MPa；σH为最大水平主应

力，MPa；Pf为破裂压力，MPa；Po为地层压力，MPa；T为煤层抗张强度，取

0.45 MPa。

经过公式(1)和(2)的计算之后，最终得到210组地应力估算数据。

2 含煤盆地浅—中深部地应力特点

2.1 现今地应力场类型

研究地应力场主要是对三向主应力大小进行对比分析，它是表征一个地区地应力场

基本特征的主要因素。现有的地应力数据表明3个主应力值大小往往是不相等的，

且3个主应力的大小和方向在时间和空间上都是不稳定的，因为地应力状态往往

受到地形地貌等非构造因素的影响而发生不同程度的改变(李鹏等，2016)。于双

忠(1994)根据地应力场的空间关系将原岩分为大地静力场、大地动力场和准静水

压力场等3种类型，大地静力场的3个主应力值中的最大主应力接近垂直方向，

数值上约等于自重应力，中间主应力和最小主应力在水平方向；大地动力场的3

个主应力中的最大主应力在近水平方向；准静水压力场的3个主应力近似相等。

本文收集和估算的地应力资料所涉深度范围较广，而在不同深度段内地应力场类型

也是不同的。数据表明三向主应力是不相等的，且最大水平主应力、最小水平主应

力和垂向主应力之间的相对大小关系在空间上也是变化的。根据Anderson断层

类型，本文将地应力场划分为正常应力场(σV > σH > σh)、反转应力场(σH > σh >

σV)和走滑应力场(σH > σV > σh)3种类型(图2)，另对中国六个主要含煤盆地地

应力场类型进行了统计，如表3。

表3 不同地区现今地应力场类型统计表

Table 3 Statistics table of current in-situ stress field types in different areas

含煤盆地/地区σV > σH > σh占比(%)σH > σh > σV占比(%)σH > σV > σh占

比(%)东北地区7.697.6984.62两淮地区28.139.3862.50滇东黔西地区

49.4512.0938.46沁水盆地43.333.3353.33鄂尔多斯盆地(东缘)53.85046.15准

噶尔盆地(南部)73.33026.67

图2 地应力场类型示意图(改自王平，1992)Fig. 2 Sketch showing in-situ stress

field types (modified from Wang Ping, 1992&)

从表3中可以看出，在1300 m以浅部位，东北地区、两淮地区和沁水盆地的地

应力场类型以走滑应力场为主，正常应力场次之，反转应力场最少；滇东黔西地区

和鄂尔多斯盆地(东缘)的地应力类型以正常应力场为主和走滑应力场为主，两者差

别不大，反转应力场很少分布；准噶尔盆地(南部)的地应力场类型以正常应力场为

主，走滑应力场次之。从统计表中可见，中国煤储层地应力场类型以走滑应力场和

正常应力场为主，这与前人的研究结果一致(陈世达等，2018)，但各个含煤盆地

的地应力场类型和分布规律却各有不同。走滑应力场基本呈现东部占比高、西部占

比低的变化特点，而正常应力场则呈现西部占比高、东部占比低的分布规律。另外，

在统计过程中发现，不同的地应力场类型分布在其相应的埋深范围，如东北地区分

布的平均埋深为539 m，两淮地区的平均埋深为504 m，滇东黔西的平均埋深为

471.28 m，沁水盆地的平均埋深为418.75 m；正常应力场的平均埋深比较大，

如两淮地区在823.11 m，滇东黔西地区在641.64 m，沁水盆地在726.69 m，鄂

尔多斯盆地(东缘)在842.62 m；走滑应力场分布在两者埋深之间。总体来看，随

着中国含煤盆地开采到目前开采的最大深度(1300 m左右)，正常应力场占据主导

作用。

表4 不同地区现今地应力量级统计表Table 4 Statistics of current in-situ stress

magnitudes in different areas含煤盆地/地区0～10 MPa占比(%)10～18 MPa

占比(%)18～30 MPa占比(%)>30 MPa占比(%)东北地区07.6976.9215.38两淮

地区1.5620.3168.759.38滇东黔西地区15.3842.8631.879.89沁水盆地

12.7837.7847.222.22鄂尔多斯盆地(东缘)10.2623.0856.4110.26准噶尔盆地(南

部)2013.33606.67

2.2 现今地应力量级

根据应力量级相关判断标准：0～10 MPa为低应力区；10～18 MPa为中等应力

区；18～30 MPa为高应力区；大于30 MPa的为超高应力区(刘江，2011)。笔

者对整理到的402组地应力数据的最大水平主应力值σH进行统计，结果如表4。

从表4可见，中国含煤盆地中的中等应力区和高等应力区占比都达到了80%左右，

因此中国含煤盆地/地区地应力是以中—高应力区为主，这与李鹏等(2016)对我国

煤矿地应力量级的统计结果一致。但从统计表中可以看出，高等应力和超高应力在

东部地区的占比更高一些，而低应力区在西北地区占比更高一些，中等应力状态在

沁水盆地和滇东黔西地区的分布更高一些。地应力量级与统计测点的埋深有关，测

点埋深越大，地应力量级越大。准噶尔盆地(南部)的地应力数据较少且多都集中在

较深部位，因此其高等应力状态占比比较高，若要进一步了解该区地应力量级则需

要更多的数据资料来进行研究。总体来讲，在中国含煤盆地开采到1300 m左右

时，地应力量级逐渐以高地应力和超高地应力占据主导地位。

2.3 现今三向主应力随深度变化

众多学者已经对中国煤矿矿区的地应力进行了研究。康红普等(2016)通过对中国

10余个浅部煤矿区的地应力进行了分析，认为在浅部煤矿区三向主应力随着埋深

的增加而增加；李鹏等(2016)对中国含煤矿区的地应力进行了研究，认为中国煤

矿的三向主应力均随埋深增加而增加，随埋深呈近似线性的关系；陈世达等(2018)

对中国四个主要的煤层气分布区域的地应力进行了统计分析，发现其不同地区煤储

层最大水平主应力与最小水平主应力具有高度线性相关性。

图3 不同地区现今三向主应力随埋深变化图Fig. 3 The current principal stress

with depth in different areas(a)—东北地区; (b)—两淮地区; (c)—滇东黔西地区;

(d)—沁水盆地; (e)—鄂尔多斯盆地(东缘); (f)—准噶尔盆地(南部)(a)—The

northeast area; (b)—Lianghuai area; (c)—The Eastern Yunnan—Western

Guizhou area; (d)—Qinshui basin; (e)—Ordos basin(East edge); (f)—

Junggar basin(South)

本文通过对含煤盆地的地应力数据分析得知，中国煤储层最大水平主应力值的取值

范围为1.88～44.97 MPa，平均值为19.32 MPa；最小水平主应力的取值范围为

1.08～29.09 MPa，平均值为13.15 MPa。但不同含煤盆地的地应力变化情况又

各不相同。在此基础上，笔者绘制了中国六个主要含煤盆地/地区的三向主应力随

埋深变化图，如图3，其中，垂向主应力用公式(1)计算。

通过图3可以得知，中国含煤盆地的地应力大小随着埋深的增加而增加，这与前

人的研究一致。笔者采用最小二乘法对各个含煤盆地的最大、最小主应力进行了线

性拟合，拟合结果为：

东北地区(图3a)：

σH = 0.0174H+14.815，R2 = 0.228

σh = 0.0108H+5.3441，R2 = 0.1886

(3)

两淮地区(图3b)：

σH = 0.0189H+8.250，R2 = 0.3785

σh = 0.017H+2.9142，R2 = 0.4927

(4)

滇东黔西地区(图3c)：

σH = 0.0232H+3.1035，R2 = 0.5575

σh = 0.0170H+1.735，R2 = 0.7051

(5)

沁水盆地(图3d)：

σH = 0.022H+3.8771，R2 = 0.6138

σh = 0.0198H﹣0.4573，R2 = 0.7547

(6)

鄂尔多斯盆地(东缘)(图3e) :

σH = 0.0230H+1.9511，R2 = 0.6146

σh = 0.0157H+0.9587，R2 = 0.6962

(7)

准噶尔盆地(南部)(图3f)：

σH = 0.0275H-4.0862，R2 = 0.5211

σh = 0.0187H-2.5195，R2 = 0.7023

(8)

式中H为埋深，m。

式(3)～(8)反映了中国含煤盆地/地区的最大、最小水平主应力随埋深的线性变化关

系。由于东北地区和准噶尔盆地(南部)的地应力数据较少，最大、最小水平主应力

与埋深线性相关程度还不是太好，但都可以代表该地区的地应力强度。

式(3)～(8)中的应力变化梯度与常数项反映了构造作用变化的特点，应力变化梯度

小而常数项大，表明了水平构造作用较强；反之表明水平构造作用较弱(李鹏等，

2016)。σH、σh的回归方程中都含有一定的常数项，表明都存在较大的水平挤压

力。从拟合曲线中可以看出，东北地区、两淮地区、滇东黔西地区和沁水盆地都是

以水平构造应力占据主导地位，地应力类型以σH > σV > σh为主；鄂尔多斯盆

地(东缘)500 m以浅部位地应力类型以σH > σV > σh为主，500 m以深部位地

应力类型以σV > σH > σh为主；准噶尔盆地(南部)的回归方程中也有常数项且为

负值，说明准噶尔盆地(南部)以垂向地应力占主导地位，地应力类型以σV > σH >

σh为主，这与2.1中统计结果一致。

2.4 现今侧压系数分布

在研究地应力场变化规律时，常采用侧压系数K来描述某点地应力的状态(Brown

等，1978)。侧压系数是用来描述地应力状态的一个物理量，它是指某点两个水平

主应力的平均值和垂直应力的比值，用公式表示为:

K = (σH+σh)/2σV

(9)

式中，K代表侧压系数。

陈世达等(2018)对中国煤层气地区的侧压系数进行了研究，统计了232组地应力

数据，结果表明中国煤层气储层侧压系数一般为0.39～1.95，平均为0.92。在此

基础上，笔者绘制了不同含煤盆地/地区的侧压系数随埋深变化图和侧压系数统计

表，如图4和表5。

表5 不同地区现今侧压系数统计表

Table 5 Statistical table of current lateral compression coefficient in

different areas

含煤盆地/地区取值范围平均值侧压系数K >1占比(%)东北地区0.75～

1.541.1269.23两淮地区0.48～1.500.9740.63滇东黔西地区0.43～

1.580.9134.07沁水盆地0.36～1.930.8928.89鄂尔多斯盆地(东缘)0.50～

1.110.797.69准噶尔盆地(南部)0.45～1.040.706.67

从图4可以看出，中国含煤盆地/地区的侧压系数呈现出“浅部离散，深部收敛”

的特点，这一结果与Brown等(1978)根据全球不同区域现今地应力测试资料，对

侧压系数随埋深的变化规律分析的总体特征一致，但不同含煤盆地的侧压系数分布

特点又各不相同。从图4(a)—(d)也可看出，东北地区和两淮地区的侧压系数随着

埋深的增加其值逐渐趋于1，虽然沁水盆地和滇东黔西地区的侧压系数随着埋深增

加也趋近于1，但是这两个地区的侧压系数离散程度明显大于东北地区和两淮地区，

这种异常主要受控于构造形态对地应力的控制作用：地应力包括自重应力与构造应

力。自重应力比较简单，由煤储层上覆煤层的重力引起，可用上覆煤层的容重和埋

藏深度进行计算，如式(1)；而构造应力场比较复杂，与构造运动及地质构造有关，

尤以水平方向构造运动对地应力的影响最大。沁水盆地和滇东黔西地区的煤层气区

块多被分割赋存于众多独立次级向斜单元。在这种构造格局下，煤层埋深越大越靠

近其向斜轴部，相应的水平压力梯度也将显著增加，导致原位地应力在构造挤压作

用下表现为以水平主应力为主(陈世达等，2018)。图4e、4f分别为鄂尔多斯盆地

(东缘)和准噶尔盆地(南部)的侧压系数分布图，虽然整体变化趋势也是趋近于1，

但是其值大部分都小于1，水平挤压强度明显要小于上述四个地区。因此在进行不

同地区的煤层气开发时需要注意不同地区地应力条件的特殊性。

图4 不同地区现今侧压系数随埋深变化Fig. 4 The relationship between

current lateral pressure coefficient and depth in different areas(a)—东北地

区; (b)—两淮地区; (c)—滇东黔西地区; (d)—沁水盆地; (e)—鄂尔多斯盆地(东缘);

(f)—准噶尔盆地(南部)(a)—The northeast area; (b)—Lianghuai area; (c)—The

Eastern Yunnan—Western Guizhou area; (d)—Qinshui basin; (e)—Ordos

basin(East edge); (f)—Junggar basin(South)

侧压系数越大，代表水平作用力越大，则挤压强度越大。从表5可以看出，东北

地区和两淮地区的侧压系数均值都大于0.92，滇东黔西地区和沁水盆地的侧压系

数接近于0.92，而鄂尔多斯盆地(东缘)和准噶尔盆地(南部)的侧压系数平均值小于

0.92，可以说明在中国北部含煤盆地，东部地区的地应力强度要大于西部地区。通

过对沁水盆地和鄂尔多斯盆地(东缘)的地应力强度差异的对比，笔者认为南北走向

的吕梁山是中国北部东西含煤盆地地应力强度的分界线，即吕梁山以西地区地应力

强度弱，以东地区地应力强度比较强，这对煤层气的勘探开发具有一定的指导意义。

3 含煤盆地浅—中深部现今地应力分布规律

本文第2部分分析了六个含煤盆地/地区的现今地应力场特点，而在实际煤层气勘

探开发中，需要我们寻找煤层气有利区块，并预测该区块的渗透率、储层压力、含

气量和储层裂缝类型等参数，这就需要我们对中国含煤盆地的地应力分布规律进行

研究。由于地应力场类型和地应力量级都与测点数据的埋深有关，而侧压系数的大

小与埋深无关，能够很好地表示该区的地应力强度。笔者根据以上对不同地区侧压

系数的研究分析，将侧压系数平均值以及侧压系数K >1的测点数据个数占该区的

比例采用柱状图的形式反应在位置图上，并用箭头表示出该区最大水平主应力的方

向，如图5。

图5 中国含煤盆地1300 m以浅部位现今地应力强度及方向示意图Fig. 5

Schematic diagram of current in-situ stress intensity and direction above

depth of 1300 meters in coal-bearing basins in China ①—高应力区; ②—中

—高应力区; ③—中应力区; ④—低应力区①—high stress area; ②—medium—

high stress area; ③—medium stress area; ④—low stress area

图5中可以直观地看出不同含煤盆地侧压系数的差异，反映了不同含煤盆地的地

应力挤压强度。从图中可知，中国含煤盆地浅—中深部煤储层的地应力强度顺序

依次为东北地区>两淮地区>滇东黔西地区>沁水盆地>鄂尔多斯盆地(东缘)>准噶

尔盆地(南部)，即中国含煤盆地的地应力强度具有一定的分布规律，大致呈从东部、

南部向西北部逐渐降低的变化趋势。图中另外反映了中国含煤盆地的最大水平主应

力方向：东北地区和两淮地区的最大水平主应力主导方向是NEE向；沁水盆地是

SWW向；滇东黔西地区的最大水平主应力方向是EWW为主；鄂尔多斯盆地(东

缘)的最大水平主应力方向为近NW向；准噶尔盆地(南部)最大水平主应力方向为

近NS向。

板块活动形成了中国含煤盆地现今地应力分布规律：中国东部地区，主要受到来自

太平洋板块西部欧亚大陆俯冲和菲律宾板块向北西朝欧亚大陆俯冲的联合作用，现

代构造应力场的主体表现为北东东—南西西方向的挤压，与相邻板块俯冲的方向

大体一致，其中，华北—东北地区的最大主压应力方向以北东东—南西西方向为

主导，而华南地区以南东—北西到南东东—北西西方向占优势；中国西部，主要

受到来自印度洋板块向北碰撞欧亚大陆的影响，现代构造应力场的主体特征为近南

北—北北东方向的挤压，与印度洋板块的推挤方向一致；新疆地区应力源主要来

自青藏块体向北的推挤，区内最大主应力方向以南北向为主(谢富仁等，2004)。

笔者根据图中侧压系数柱状图对比将中国含煤盆地地应力强度划分如下(图5)：①

东北地区为高应力区；②两淮地区为中—高应力区；③滇东黔西地区和沁水盆地

为中等应力区；④鄂尔多斯盆地(东缘)和准噶尔盆地(南部)为低应力区。总体上，

在中国大陆，地应力在应力源方向上向远离应力源的方向，呈递减趋势。

图6 寿阳区块和柿庄区块现今最大、最小水平主应力对比Fig.6 Current

maximum and minimum horizontal in-situ stress comparison in Shouyang

block and Shizhuang block(a)—最大水平主应力对比；(b)—最小水平主应力对

比(a)—comparison of maximum horizontal principal stress；(b)—

comparison of minimum horizontal principal stress

另外从每个应力区内部来看，应力强度同样从应力源向远离应力源方向，呈递减趋

势，如在沁水盆地，柿庄区块位于盆地东南部，靠近应力源，寿阳区块位于盆地北

端，远离应力源，从柿庄区块到寿阳区块，地应力强度有明显降低的趋势(图6)。

在滇东黔西地区出现同样情况，老厂区块位于恩洪区块东南方向，靠近应力源，从

老厂区块到恩洪区块，地应力强度同样呈现减弱趋势(图7)。

图7 恩洪区块和老厂区块现今最大、最小水平主应力对比Fig.7 Current

maximum and minimum horizontal in-situ stress comparison in Enhong

block and Laochang block(a)—最大水平主应力对比；(b)—最小水平主应力对

比(a)—comparison of maximum horizontal principal stress；(b)—

comparison of minimum horizontal principal stress

4 结论

(1)东部地区走滑应力场(σH > σV > σh)占比高，向西北地区逐渐降低；中—高应

力场占比在中国各含煤盆地占比差异比较小。

(2)地应力场类型和地应力量级与埋深有关，随着中国含煤盆地开采深度的增加，

正常应力场(σV > σH > σh)逐渐占据主导作用，地应力量级也逐渐加大。

(3)通过侧压系数对比，将现今中国含煤盆地浅—中部地应力强度分为：东北地区

高应力区、两淮地区中—高应力区、滇东黔西和沁水盆地中应力区以及鄂尔多斯

盆地(东缘)和准噶尔盆地(南部)低应力区。

(4)板块俯冲形成了中国含煤盆地地应力强度东强西弱的分布格局，南北走向的吕

梁山是中国北部东西应力强度的分界线。

(5)地应力强度向着远离应力源的方向减弱，这种变化规律在中国大陆以及在不同

应力强度分区内(如在沁水盆地和滇东黔西地区)皆有表现。

参考文献/ References

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(The literature whose publishing year followed by a “&” is in Chinese with English

abstract; The literature whose publishing year followed by a “#” is in Chinese without

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