煤储层渗透性及其煤层气井开发效果与地应力具有非常密切的关系。地应力较小的地区,渗透率较高,煤储层产气量也高;在地应力高的地区,煤储层渗透率较低,导致煤储层产气困难。煤储层地应力是控制煤层气井产能的重要地质因素,因此研究煤储层的地应力条件对于确定煤储层高渗区带和采用合理的开发方式具有重要的理论和实际意义。本文以沁水盆地南部为依托,应用岩石(体)力学、流体力学和煤层气开发地质学等多学科理论,通过地质力学分析、实验研究和理论分析以及数值模拟计算等方法综合研究,系统分析了研究区煤岩石基本力学特性和煤储层现今地应力条件,并建立了基于断层摩擦强度的地应力预测模型;探讨了考虑煤岩弹塑性变形的煤储层应力场控制方程和非线性渗流条件下的煤储层渗流场控制方程,构建了适合煤矿区煤层气抽采的多物理场耦合模型;运用COMSOL-Multiphysics多场耦合有限元软件,分析了煤矿区煤与煤层气开发过程中煤储层应力场、孔隙压力场、应变场及渗流场的动态变化规律;在此基础上,进一步研究了现今地应力对煤层气井产能影响的程度和控制机理,为提高煤层气井产能提供合理的理论依据。取得的主要研究成果和认识如下:1.以沁水盆地南部为依托,对研究区煤岩进行单轴压缩试验,研究煤岩的基本力学特征、煤岩破裂的宏观形貌及其变形破坏的煤岩全应力-应变过程,揭示煤岩变形破坏的全应力-应变过程中声发射-波速特征。结果表明:在煤岩达到峰值强度发生破坏之前,随应力的增加,波速逐渐也呈增加趋势,当煤岩达到峰值强度发生破坏后,应力减小,波速也呈降低趋势,两者呈线性正相关性;引入了新裂隙萌生点Sc和裂隙速生点Sq的概念,并采用应力-应变和声发射参量-应变来综合判定煤岩变形破坏过程中的新裂隙萌生点和裂隙速生点,这个两个关键点为煤岩变形破坏过程提供了重要的前兆信息。2.通过对沁水盆地南部煤储层现今地应力资料进行系统分析,建立煤储层最小水平主应力与垂直主应力和储层压力之间的关系和计算模型,揭示煤储层地应力分布规律,并对樊庄区块煤储层现今地应力分布进行了评价,在区块尺度范围内,把樊庄区块的煤储层地应力条件划分为低应力分布区、中等应力分布区和高应力分布区。由于樊庄区块煤层埋藏深度小,煤储层渗透性相对较好,是煤层气勘探开发的有利区(带)。3.地壳煤岩层中地应力大小受断层、裂缝等不连续面摩擦强度的约束,基于断层摩擦强度理论,分析了断层摩擦强度对地应力的约束机制,建立了最大与最小主应力比值与断层摩擦强度的相关关系,基于Anderson断层理论将原岩应力分为3种应力状态,建立了考虑断层摩擦强度的正断层、平移断层和逆断层地应力计算模型。通过对沁水盆地南部地应力资料的系统分析,揭示了沁水盆地南部煤储层处于不同深度的两种不同应力机制中,当煤层埋藏深度小于650m时,最大水平主应力小于覆岩压力(垂直应力),原岩应力表现为形成正断层应力机制;而当煤层埋藏深度大于650m时,最大水平主应力大于覆岩压力,原岩应力可能属于形成平移断层的应力机制,也就是在深部地层中存在较大的水平应力。4.在对煤岩力学条件研究的基础上,根据有效应力原理,对葛氏地层应力计算模型进行了改进,考虑煤层气抽采过程中煤基质收缩效应对煤储层有效地应力影响,建立考虑煤基质收缩效应的地应力动态变化模型;并以kozeny-carman方程为桥梁,建立气固耦合作用下煤储层的渗透率动态模型。通过对煤岩结构、物性、瓦斯吸附解吸、瓦斯渗流及所处应力条件等进行假设,探讨了煤矿区煤层气抽采中考虑煤岩弹塑性变形的煤储层应力场控制方程和非线性渗流条件下的煤储层渗流场控制方程,构建适合煤矿区煤层气抽采的多物理场耦合模型,该模型包括:煤储层应力场控制方程、瓦斯渗流场控制方程和定解条件,建立了由应力平衡方程、几何方程和本构方程组成的煤岩体变形的应力场模型,该模型中含有孔隙压力项,实现了孔隙压力与煤岩变形的耦合;同时,构建了由瓦斯流动连续性方程、瓦斯流动状态方程和瓦斯含量方程组成的煤层气抽采中煤储层瓦斯渗流场模型,该模型中含有体应变项,实现了瓦斯渗流与煤岩体变形的耦合。因此,煤矿区煤层气抽采的多物理场耦合模型较为全面地反映了煤与煤层气开发的应力场、变形场与煤层气在煤储层孔裂隙内渗流过程的耦合作用机制,并为煤矿区煤与煤层气高效开发提供了依据。5.利用comsol-multiphysics数值模拟软件,建立了以平面应变和通用型偏微分方程模式组成的煤矿区煤层气抽采多物理场耦合数值计算模型。通过对煤体单钻孔煤层气抽采、不同煤层参数和不同工况下单钻孔煤层气抽采及多钻孔煤层气抽采条件下多物理场耦合效应的研究,结果表明:煤矿区煤层气抽采的多物理场耦合模型可以完整地模拟和计算钻孔抽采煤层气过程中煤体的应力场、孔隙压力场、应变场、渗流场的时空变化规律,通过对煤层气抽采的影响因素进行对比分析可知,煤层气抽采受煤层埋藏深度、煤层孔隙度和渗透率影响较为明显,而受煤层弹性模量和抽采负压大小的影响很小;多钻孔(孔群)煤层气抽采条件下,其应力场、应变场和渗流场的时空变化规律与单钻孔大致相同,且得到了多钻孔煤层气抽采条件下该煤层的极限抽采半径略大于1m,在实际生产当中,受到抽采时间和抽采条件的限制,很多情况下达不到极限平衡状态,瓦斯抽采孔间距应当设定在2m之内。通过对不同钻孔间距和不同钻孔布置方式的数值模拟研究,结果表明:钻孔间距越小,分布越密,储层压降越明显,煤层气开发效果越好。6.以沁水盆地南部二叠系山西组3#煤岩层为地质背景,对煤与煤层气联合开发过程中采动煤岩变形和煤层气渗流特征进行研究,初步探究了联合开发过程中上覆岩层应力场、塑性应变场和渗流场的时空演化规律。结果表明:煤层开挖后,沿煤层走向采空区上覆岩层及下覆底板岩层出现卸压区,工作面开切眼及工作面前方的煤柱出现应力集中;而煤层顶底板塑性应变区主要是沿应力集中区和卸压区的分界线进行扩展,最终形成两端高凸、中间低凹形状如马鞍状的分布形态;随工作面的推进,应力集中使得孔隙被压缩,孔隙度不断减小;由于煤储层渗透性受有效应力的作用,工作面前方的渗透率随着有效应力的增加呈降低趋势。7.在达西定律和气体渗流的平面径向流理论的基础上,推导了考虑应力敏感性的煤层气井产能模型,建立了应力敏感性对煤层气井产能的影响评价模型,并对沁水盆地南部樊庄区块和沁南东-夏店区块17口典型煤层气井产能变化规律进行计算及应力敏感性分析,得到以下结论:沁水盆地南部樊庄区块山西组3#煤层渗透率应力敏感回归系数为0.26~0.54MPa-1,平均为0.37MPa-1,其9口煤层气井产量下降幅度?值分别为2.53%~15.84%、3.00%~35.46%、4.84%~51.07%、2.55%~32.71%、2.84%~34.29%、5.15%~42.70%、3.51%~31.56%、5.13%~34.68%和7.70%~40.05%;而沁南东-夏店区块山西组3#煤层应力敏感回归系数为0.099~0.115MPa-1,平均为0.108MPa-1。沁南东-夏店区块的8口煤层气井产量下降幅度β值分别为1.13%~12.16%、1.55%~20.02%、0.98%~11.74%、0.74%~11.41%、1.07%~19.03%、0.74%~9.08%、1.13%~18.96%和1.34%~17.17%,由此说明煤储层应力敏感性对产量的影响程度较大。8.随着生产压差的增加,煤层气井的产量增加幅度减小,生产压差达到一定值,煤层气井产量逐渐趋向稳定,尤其是煤层气排采初期,利用增加生产压差的方法来获得煤层气井的最大产量具有较大的盲目性;特别是煤层气排采初期地层压力大,容易引起煤储层较强的应力敏感性,盲目地快速降低井底压力,并不一定增加气井的产能,因此需要制定合理的排采工艺,以保障煤层气井高产稳产。