深埋藏高应力顺层水力冲孔煤体卸压规律及应用

张建国，翟成

（1.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司，河南 平顶山 467000；
2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116）

我国煤矿已进入深部开采阶段，煤层开采普遍面临瓦斯含量大、应力高问题[1-3]，且深部煤层渗透率普遍较低[4-5]，导致瓦斯抽采困难，煤与瓦斯突出危险性高。煤体卸压是提高瓦斯抽采效果的重要因素。普通瓦斯抽采钻孔有效影响半径小，瓦斯抽采效率低，打钻工作量大[6-7]。为提高煤体卸压效果，改善煤层渗透性能，低温流体冲击、微波、声波、静态破碎剂、高压电脉冲等[8-13]煤层致裂方法不断提出，二氧化碳驱替[14-15]也为煤层瓦斯治理提供了新思路。然而，受装备技术水平、施工作业条件等因素影响，上述方法多处在基础研究阶段，在实际工程中尚无广泛应用。

相比之下，以水力压裂、水力冲孔、水力割缝为主的水力化方法技术成熟、装备完善，是目前煤矿应用最广泛的煤层致裂增透方法[16]。水力化方法在不断总结中得到创新和发展：Xu Jizhao 等[17]在水力压裂的基础上，研究了脉动水压在煤体中的传播规律，发现脉动水压在裂纹尖端产生应力叠加，可显著降低煤体的起裂压力；
Zhang Rong 等[18]分析了煤层瓦斯流动特征，利用COMSOL Multi-Physics 数值模拟软件优化了水力冲孔的钻孔布置形式；
刘明举等[19]利用底板岩巷穿层钻孔技术对上部煤层进行水力冲孔，使得新安煤矿的煤层渗透率和瓦斯抽采量提高了10 倍以上。

工作面顺层水力冲孔煤层增透技术是由工作面煤巷向煤层内打顺层钻孔，如图1 所示。钻孔长度一般达几十米至上百米。每个钻孔间隔一段距离进行一次冲孔作业，在煤层内形成孔洞，冲孔孔洞周围煤体在应力作用下发生形变，应力降低，从而促进煤层瓦斯抽采。本文以河南平宝煤业有限公司首山一矿12090 工作面瓦斯治理为例，介绍顺层水力冲孔技术，分析水力冲孔后冲孔区域煤体变形和卸压规律，讨论深埋藏高应力环境下实际工程中遇到的问题及处理方法，根据现场试验结果分析水力冲孔的瓦斯治理效果。

图1 工作面顺层水力冲孔施工Fig.1 Bedding hydraulic flushing construction in working face

首山一矿12090 工作面走向长1 754 m，采煤工作面斜长236 m，平均煤厚5.3 m，可采储量为290 万t。采煤工作面标高为-704.5～-759.2 m，煤层埋深为845～974 m。煤层倾角为3～12°，平均为7°。煤层结构单一，厚度较稳定，煤体呈黑色粉末状，较为松软、破碎，具条带状结构，坚固性系数为0.12～0.35。基本顶为细粒砂岩，厚度为9.6～18.6 m，灰色，块状结构，以石英为主。基本底为石炭纪灰岩上段，厚度为17.8 m，深灰色，块状、隐晶质结构。煤层瓦斯压力超过0.7 MPa，瓦斯含量为6.7 m3/t 以上，煤层透气性系数为0.076 m2·MPa-2·d-1。煤层透气性低，煤质较软，受煤体赋存结构影响，瓦斯涌出异常，属于高应力低透气性松软突出煤层，瓦斯问题严重制约了安全生产。

为解决瓦斯问题，在12090 工作面中间布置中煤巷并施工水力冲孔钻孔，以提高煤层瓦斯抽采效果。冲孔设计如图2 所示。由中煤巷自切眼向外30 m 至终采线位置范围内分别在上下帮垂直煤壁向采煤工作面施工顺层钻孔，钻孔平行于煤层顶板，钻孔间距为4 m，孔深90 m。顺层钻孔施工完毕后开始后退式冲孔，每个钻孔间隔7～8 m 进行一次冲孔，形成冲孔孔洞。冲孔作业在后退至距巷帮30 m时停止，以减小对巷帮的应力扰动，避免应力集中影响。打钻采用ZDY7300LXY 型矿用履带式液压钻机，配套清水泵站和履带式煤水分离器。打钻设计采用直径94 mm 钻杆，实际钻孔施工位置控制在采煤工作面前方约100 m 处，以减小对采煤工作面的影响。

图2 12090 工作面冲孔设计Fig.2 Hydraulic flushing design in 12090 working face

2.1 数值模型建立

根据首山一矿12090 工作面实际情况进行适当简化，利用FLAC3D建立如图3 所示的数值模型。模型在工作面走向（X方向）、倾向（Y方向）、竖直方向（Z方向）上的长度分别为300，210，50 m，煤巷宽5 m，煤层厚5 m，顶底板厚度分别为25，20 m。根据12090 工作面应力分布，模型顶面施加22.5 MPa 的垂直应力，底面固定约束；
模型X方向水平应力为18 MPa，Y方向水平应力为27 MPa，模型四周为滑动边界。根据水力冲孔设计方案，模型中建立相应的冲孔区域。水力冲孔钻孔间距为4 m，共布置12 组水力冲孔钻孔，钻孔位于煤层高度的中心位置。煤体的力学性质通过实验测得，顶底板岩性根据地质条件进行简化。模型物理力学参数见表1。

图3 12090 工作面顺层水力冲孔数值模型Fig.3 Numerical model of bedding hydraulic flushing in 12090 working face

表1 数值模型物理力学参数Table 1 Mechanical mechanics parameters of numerical model

数值模拟过程分为3 阶段。第一阶段为模型初始化：建立好模型后赋值并计算至平衡状态，观察模型建立及参数设置是否正确。第二阶段为巷道开挖：依次开挖煤巷和切眼，并将模型计算至平衡状态。第三阶段为水力冲孔：将模型中预先定义的冲孔部分删除并计算至平衡状态。水力冲孔阶段简化为将冲孔区域的单元直接删除，未考虑时间因素。

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 冲孔区域煤体变形

水力冲孔区域煤体在水平方向上的位移云图如图4 所示。可看出冲孔后煤体均朝向冲孔孔洞变形，且呈对称分布。孔洞X方向两侧煤体均朝向孔洞中心变形，2 个相邻孔洞之间变形小，说明2 个孔洞之间存在一个小变形区。煤体在Y方向的变形与X方向相似，如图4（b）中虚线框所示，孔洞两侧煤体Y方向位移相互连通，形成煤体的整体变形，有利于煤体裂隙扩展和贯通。由于Y方向应力较高，所以孔洞周围煤体在Y方向的位移较大。由此可知，应力高的方向上煤体变形范围和位移大，且Y方向的变形盲区恰好为X方向的主要变形区，因此除相邻孔洞的正中间位置外，孔洞周围一定范围内的煤体均能发生有效变形。

图4 冲孔区域煤体水平方向位移云图Fig.4 Horizontal coal displacements nephogram in flushing area

为了分析整个冲孔区域的变形情况，同时考虑冲孔孔洞周围煤体变形呈对称分布的情况，位移提取线选择一条斜线。以Y方向上的变形为例，位移提取线如图4（b）中黑色实线所示。提取线的起点为第1 排钻孔2 个孔洞的中心位置，终点为最后一排孔洞的边缘，因此提取线能反映Y方向3 m、X方向44 m 范围的煤体变形情况。X方向位移用相同的提取方法，能反映X方向1.5 m、Y方向56 m 范围内的煤体变形情况。

冲孔孔洞周围煤体X方向位移如图5（a）所示。提取线上的位移呈波动状，位移每经过一次降低后，峰值增大，但最后一个波峰不是最大值，原因是此处距离煤巷过近（13 m），煤体变形受到巷道开挖引起的应力集中影响。这说明冲孔不宜施工在距离巷帮较近的位置，否则容易扰动煤体，且不利于孔洞周围煤体变形，限制瓦斯抽采效果。波峰表示靠近冲孔孔洞位置的煤体位移，波谷表示普通钻孔两侧的煤体位移。波谷变化很小，说明普通钻孔段的煤体在X方向的变形有限，即使在提取线越来越临近钻孔的过程中，位移变化也不明显。从波峰变化可看出，冲孔孔洞周围的煤体变形非常明显，且随提取线长度增加呈非线性增大趋势。这说明冲孔孔洞周围煤体变形更加充分，能有效促进煤体的裂隙发育。冲孔孔洞周围煤体Y方向位移如图5（b）所示。可看出提取线上前15 m 的位移近似呈线性缓慢增大，说明普通钻孔两侧煤体受冲孔影响较小。

图5 煤体水平方向位移Fig.5 Horizontal coal displacements

图5 给出了冲孔孔洞周围煤体X，Y方向位移DX，DY与距孔洞距离l的拟合关系（R2为拟合度）。可看出煤体在X，Y方向的位移均呈指数规律，且Y方向位移大于X方向。

2.2.2 冲孔区域煤体应力分布

冲孔区域煤体水平方向应力分布如图6 所示。从图6（a）可看出，冲孔对X方向应力产生了明显影响，孔洞两侧应力降低，且应力降低区域相互连通，形成了冲孔区域X方向上的卸压条带。应力降低区域的煤体易变形，瓦斯易释放，因此卸压条带内的煤层瓦斯更容易抽采。在钻孔46，54 m 处，冲孔孔洞周围煤体卸压范围更大，形成的卸压条带范围也更大；
30，70 m 处冲孔孔洞周围煤体卸压范围相似；
78，86 m 处卸压范围最小，卸压区域没有相互连通形成卸压条带，原因是受到巷道开挖引起的应力转移影响。普通钻孔两侧的应力降低范围十分有限。钻孔周围X方向卸压区域分布形态与位移分布类似，以冲孔孔洞为中心呈放倒的“8”形，并互相连接。

图6 煤体水平方向应力分布Fig.6 Horizontal coal stress distribution

Y方向上的煤体应力分布与X方向存在明显差异。受钻孔影响，冲孔孔洞周围Y方向上的煤体卸压区域呈“X”状，如图6（b）所示。较为明显的卸压区域分布在孔洞Y方向两侧，在2 个相邻孔洞之间产生应力升高。与X方向上的卸压条带不同，Y方向应力卸压区域相互贯通，形成了更大范围的网状卸压区。即使是在普通钻孔段，两侧煤体在Y方向上的应力也有效降低。86 m 处孔洞周围煤体Y方向上的卸压范围较小，原因是受到巷道开挖引起的应力集中影响。应力升高区域与图4（b）中小变形区相对应。

综合X，Y方向上的煤体变形和应力分布可看出，冲孔孔洞在Y方向上产生的小变形区和应力升高区恰好是X方向上的主要变形区和应力降低区，因此冲孔孔洞可起到释放煤层应力、促进煤体变形的作用，从而促进瓦斯运移与抽采。

2.2.3 钻孔间距对煤体卸压的影响

为了探究钻孔间距对卸压效果的影响，建立钻孔间距为8 m 的数值模型。钻孔间距为4，8 m 时煤体变形对比如图7 所示。可看出钻孔间距为4 m时，相同冲孔条件下冲孔区域内煤体变形明显。冲孔孔洞覆盖范围内的变形区域相互连通，形成煤层的整体变形。而钻孔间距增至8 m 时，因冲孔孔洞影响范围有限，孔洞周围煤体变形没有连通，孔洞之间还存在大范围的未受影响区。因此，钻孔间距为4 m 时冲孔后的煤体变形效果更好。

图7 钻孔间距为4，8 m 时煤体变形对比Fig.7 Coal deformation comparison under the borehole spacing of 4 m and 8 m separately

钻孔间距为8 m 时X方向的煤体应力分布如图8 所示。与图6（a）相比，钻孔间距由4 m 增大至8 m 时，X方向煤体应力降低区域只在冲孔孔洞附近，各孔洞之间未形成连通的卸压条带，说明钻孔间距为8 m 时煤体卸压效果受限，不利于煤层瓦斯抽采。

图8 钻孔间距为8 m 时煤体X 方向应力分布Fig.8 Coal stress distribution at X direction under the borehole spacing of 8 m

数值模拟结果表明设计的水力冲孔方案可有效促进煤体变形和卸压，利于煤层瓦斯抽采。实际冲孔钻孔施工以设计方案为基础，以数值模拟结果为补充，根据现场条件进行调整和优化。

3.1 施工参数优化

3.1.1 钻孔直径

根据煤层倾角，中煤巷上帮和下帮的钻孔角度分别控制在5～6°和-5～-4°。前期作业采用直径94 mm 钻杆，进入煤帮30～50 m 时易发生夹钻、顶钻、喷孔等现象，影响施工进度。后改用直径113 mm钻杆。不同直径的钻杆在煤巷上帮施工的孔深对比如图9 所示。可看出直径113 mm 钻杆施工的孔深明显大于直径94 mm 钻杆，以钻孔角度5～6°施工时，孔深基本能达到70 m 以上。

图9 不同直径钻杆对应的上帮孔深Fig.9 Borehole depth of upper side under different drill pipe diameters

3.1.2 钻孔间距

为确定合适的钻孔间距，需研究冲孔孔洞的等效半径和影响半径。冲孔等效半径一般通过冲孔出煤量估计。记录上下两帮连续5 组钻孔的冲孔出煤量，结果如图10 所示，其中S-1-S-5 和T-1-T-5分别为上帮和下帮钻孔。可看出除钻孔S-1 施工至74 m，钻孔S-2，T-4 施工至82 m 以外，其余钻孔施工长度均达到90 m。上帮钻孔S-1，S-2，S-3 冲孔出煤量较低，中间位置的孔洞冲孔出煤量较高。下帮钻孔T-1 和T-2 冲孔出煤量较低，其他钻孔冲孔出煤量没有明显的分布特征。冲孔的单孔出煤量为0.7～1.8 t，冲出体积为3.76～11.3 m3。

图10 冲孔出煤量Fig.10 Coal output of hydraulic flushing

假设煤体冲孔后形成圆柱形孔，通过体积换算可得冲孔等效半径为0.38～0.6 m。最大冲孔直径超过普通瓦斯抽采钻孔直径的10 倍。按照平均出煤量1.2 t 计算，可得冲孔等效半径为0.5 m。根据计算结果，冲孔间距应大于1 m。

采用流量法测定冲孔影响半径。流量法是通过预先打好的抽放钻孔作为考察钻孔，抽放一定时间后，在预计考察钻孔影响范围内实施水力冲孔作为被考察钻孔。水力冲孔和抽放期间测定钻孔瓦斯浓度和流量，瓦斯浓度和流量明显提高的距离为冲孔影响半径。经测定，首山一矿的水力冲孔影响半径为4.2～5 m，因此钻孔最大间距为8.4～10 m。试验发现，钻孔间距为1.6 m 时发生了钻孔打穿现象，间距为7 m 时2 排冲孔钻孔中间位置的瓦斯抽采钻孔受影响较小，间距为3～6 m 时瓦斯抽采效果良好。

通过不断调整发现，冲孔水压为5～6 MPa、流量为120～160 L/min 时，冲孔出煤效果较好。随着工艺流程的不断完善，每月成孔数达40 个，成孔率可达80%。

3.2 煤层冲孔瓦斯治理效果考察

3.2.1 钻孔瓦斯浓度

为了检验水力冲孔钻孔的瓦斯治理效果，对冲孔钻孔和普通钻孔的瓦斯浓度进行4 个月连续监测。2 个冲孔钻孔和1 个普通钻孔的瓦斯浓度变化如图11 所示。可看出冲孔钻孔和普通钻孔的瓦斯浓度衰减存在较大差异。在瓦斯抽采10 d 内，瓦斯体积分数达90%以上，钻孔之间差异较小。随着抽采时间增加，普通钻孔内的瓦斯浓度衰减较快。抽采50 d 左右时，普通钻孔内的瓦斯体积分数降至20%，水力冲孔钻孔内的瓦斯体积分数为40%～60%，是普通钻孔瓦斯体积分数的2～3 倍。抽采120 d 后，普通钻孔内的瓦斯体积分数降至10%左右，而冲孔钻孔内的瓦斯体积分数仍有20%。结果表明水力冲孔钻孔内的瓦斯抽采浓度高，衰减慢，有效提高了煤层瓦斯抽采效果，降低了煤层瓦斯含量。

图11 钻孔瓦斯浓度变化Fig.11 Change of gas concentration in boreholes

3.2.2 回风流瓦斯浓度

水力冲孔冲出了大量煤与瓦斯，同时也强化了瓦斯抽采效果。为了考察冲孔钻孔瓦斯治理效果，记录连续8 d 的风流瓦斯浓度变化，如图12 所示。可看出冲孔作业后，风流瓦斯浓度明显降低，煤层瓦斯得到有效控制。1 d 中的回风流平均瓦斯体积分数维持在0.4%～0.5%，风流瓦斯浓度降低，且更加稳定。

图12 冲孔后风流瓦斯浓度变化Fig.12 Change of gas concentration in air flow after hydraulic flushing

3.2.3 打钻动力现象变化

在工作面未回采至冲孔区域时，采煤工作面回风流瓦斯含量较高，且动力现象较严重。在补充局部瓦斯抽采钻孔时，钻杆钻进煤帮6～10 m 易发生夹钻、顶钻、喷孔等现象，煤与瓦斯突出潜在危险性较大。受瓦斯影响，采煤工作面日平均进尺仅为2.4 m，生产进度缓慢。经过水力冲孔后，煤层渗透率有效提高，瓦斯抽采量增大。工作面打钻过程中的动力现象明显减少，局部瓦斯效检孔所测瓦斯参数均显著降低。采煤工作面平均日进尺由2.4 m 增加至3.2 m，提高了生产率。

（1）水力冲孔能有效促进煤体变形，降低煤层内的水平应力。水力冲孔后，不同水平方向的煤体变形相互补充，使得冲孔区域煤体朝向孔洞变形，促进了煤体裂隙发育，进而提高了煤体渗透率。同时，冲孔孔洞周围不同方向的水平应力在一定程度上得到释放，各孔洞的应力降低区域相互连通，冲孔区域内煤体水平应力整体降低，促进了瓦斯运移和抽采。

（2）实际水力冲孔作业受众多因素影响，如打钻角度、钻杆直径、射流水压和流量、钻孔间距、冲孔间距等。合适的施工参数可有效降低打钻过程中的动力现象，同时提高施工速度和成孔率。根据数值模拟结果并经过不断试验与摸索，12090 工作面确定的上帮钻孔角度为5～6°，下帮钻孔角度为-5～-4°，冲孔间距为7 m，钻孔间距为4 m，冲孔长度为1 m，冲孔水压为5～6 MPa，流量为120～160 L/min。随着工艺流程不断完善，每月成孔数达40 个，成孔率达80%。

（3）水力冲孔钻孔比普通钻孔瓦斯抽采浓度高，衰减慢，能有效提高煤层瓦斯抽采效果，降低煤层瓦斯含量；
风流瓦斯浓度和钻孔施工过程中的动力现象变化也表明，水力冲孔有效提高了瓦斯抽采效果，降低了煤层瓦斯含量。冲孔后回风流瓦斯体积分数降低至0.4%～0.5%。冲孔后，钻孔施工作业过程中的夹钻、顶钻、瓦斯喷孔等现象明显减少，瓦斯校检参数有效降低；
采煤工作面平均日进尺由2.4 m 增加至3.2 m，提高了生产率。