水力化技術防治煤與瓦斯突出研究現狀及展望

曹垚林

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

煤炭是我國的主體能源和重要的工業原料。目 前全國共有煤礦5 695 處，其中煤與瓦斯突出煤礦757 處，高瓦斯煤礦1 024 處[1]，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占比較高，使得煤礦安全形式十分嚴峻。我國煤層的普遍具有煤質松軟、透氣性差、瓦斯含量高、地應力大等特點，并且隨著煤礦開采深度的不斷增加，瓦斯壓力和地應力將繼續增大，煤層滲透率將進一步降低，煤與瓦斯突出危險性將持續增加，防治煤與瓦斯突出的難度增大。對于突出礦井而言，經區域預測為突出危險區的煤層必須采取區域防突措施并進行區域防突措施效果檢驗。而《防治煤與瓦斯突出細則》中明確：區域防突措施包括開采保護層和預抽煤層瓦斯2 類。而不具備開采保護層條件的和保護層開采保護范圍外的突出危險區的煤層必須采用預抽煤層瓦斯區域防突措施并進行區域防突措施效果檢驗。突出煤層透氣性差導致常規的鉆孔預抽很難達到消突效果。常用的卸壓增透技術措施包括水力壓裂、水力沖孔、水力割縫、松動爆破、深孔預裂爆破等技術，按照作用機理可分為為機械力、爆破力和水力，而機械力措施和爆破力措施操作復雜、易產生火花且卸壓范圍有限，應用范圍較小；水力化措施效果明顯、效果持續時間長，安全性較好，近年來國內科研單位和煤礦企業對水力化卸壓增透措施的研發和應用處于蓬勃發展階段?；诖?，結合煤與瓦斯突出機理，回顧了水力化卸壓增透措施的發展歷程，簡要介紹水力化卸壓增透措施的作用機理、工藝及適用條件，分析了水力化卸壓增透措施存在的問題，并對發展趨勢進行了展望。

1 煤與瓦斯突出機理研究進展

煤與瓦斯突出的過程包括準備、激發、發展和終止4 個階段，煤與瓦斯突出機理是指導制定防治瓦斯突出技術措施的前提，大量地國內外科研人員對煤與瓦斯突出機理開展了大量的研究和大膽假設[2-3]，形成了單因素假說、綜合假說、現代假說及其他假說。

2 水力化技術防治煤與瓦斯突出研究現狀

針對煤與瓦斯突出危險煤層，水力化措施是防治煤與瓦斯突出的有效途徑，通過改變煤巖體中的瓦斯和地應力等煤與瓦斯突出影響因素來實現防治煤與瓦斯突出。例如可以通過煤層注水增加煤體含水率，改變煤的力學性質，改變煤體的壓力分布狀態；水力割縫、水力沖孔可以破碎煤體并經鉆孔排出，擴大鉆孔直徑，鉆孔周圍煤體向鉆孔中心方向移動，改變鉆孔周圍應力狀態，使鉆孔周圍卸壓范圍增大，擴展、連通煤層內裂隙通道，促進煤層瓦斯解吸滲流，提高煤層瓦斯抽采效果；水力壓裂可以形成若干宏觀裂隙和分支裂隙，使得應力重新分布，提高煤層含水率，同時為煤層瓦斯解吸滲流提供通道，從而消除煤與瓦斯突出危險性。

2.1 單項水力化卸壓增透技術措施

2.1.1 煤層注水防治煤與瓦斯突出技術

煤層注水防止煤與瓦斯突出最早在20 世紀30年代前蘇聯煤礦使用，20 世紀60 年代，我國煤炭科學研究院撫順分院、北票礦務局合作采用煤層注水取得了較好的煤與瓦斯突出防治效果[10]。目前已經大量應用于國內外現場實踐，并作為我國采煤工作面的局部防突措施寫入《防治煤和瓦斯突出細則》。由于煤與瓦斯突出機理尚無突破，煤層注水防治煤與瓦斯突出的機理主要集中在煤巖體力學性質軟塑化導致煤巖體應力環境改變和煤體濕潤吸水對瓦斯解吸的封堵效應。秦文貴、張延松[11]認為煤層注水的實際意義是溝通煤體內的孔隙；蔣承林[12]基于煤與瓦斯突出的球殼理論，認為煤層注水主要是破化了球殼密封性使得瓦斯提前釋放；王兆豐等[13]、劉明舉等[14]認為是煤層注水能增大突出阻力，減小突出能量；大量現場實踐表明煤層注水有效減少了采掘期間的瓦斯涌出量，印證了瓦斯封堵效應。

由于靜壓注水一般不會改變煤體的結構，且注水范圍十分有限，鉆孔工程量大。高壓注水可以提高煤層注水范圍，但過高壓力會造成煤體內能量攀升導致煤巖體應力及瓦斯壓力升高且在煤體內無法精確控制，存在誘導突出的風險。脈動注水利用注水壓力短時間內的循環升降使煤體結構產生疲勞破壞，增大注水范圍的同時降低注水能量，但對設備和工藝的要求較高。由于水力壓裂等水力化措施對煤層結構改變等優點，煤層注水已有與其它水力化措施融合發展的趨勢。

2.1.2 水力壓裂防治煤與瓦斯突出技術

水力壓裂首先應用于油氣開發，1965 年煤炭科學研究總院撫順分院將該技術引入煤礦開采領域，其原理是采用水壓致裂改變煤巖體結構及力學性質來增加煤層透氣性從而強化瓦斯抽采，以此來防治煤與瓦斯突出。由于構造及構造應力的存在，煤與瓦斯突出具有很大的不確定性，目前的突出危險性是根據瓦斯動力事故/現象或突出經驗指標來鑒定，突出機理尚未完全掌握，過大能量的水力壓裂對煤巖體應力擾動及結構改變是否會誘導突出尚有待進一步觀察確認，因此目前水力壓裂防治煤與瓦斯突出多用穿層鉆孔進行。

第4年 英文學、歐美史學、哲學、政學及列國交際法[注]東京大學百年史編集委員會編：《東京大學百年史》部局史1，東京：東京大學出版會，1986年，第414頁。

具體根據煤層埋藏深度預壓裂控制范圍選擇地面壓裂或井下壓裂。井下壓裂防突技術研究主要集中在松軟低透煤層增透[15-16]技術及工藝方面，研究手段有理論分析[17]、數值模擬[18]、現場實踐[19-20]等，得出了積極的結論。井下壓裂靈活性強，但是受到井下作業空間的限制及高壓對井下作業空間的生產影響，對壓裂設備及工藝的要求更高。地面鉆孔壓裂脫胎于石油及頁巖氣巖層增滲提產，其裝備及工藝相對成熟，也取得了很好的瓦斯抽采效果[21-22]，但施工成本高。由于煤體是典型的雙重孔隙結構，相較于油氣儲層，節理裂隙發育，局部應力環境差異很大，壓裂效果受構造及煤層原生裂隙影響很大，壓裂效果不盡相同；且壓裂方向不確定問題難以解決，存在很大的壓裂空白帶和應力集中帶，因此，單純的地面井壓裂防治煤與瓦斯突出控制技術仍需深入研究[23]。

2.1.3 水力割縫防治煤與瓦斯突出技術

水力割縫技術通過高壓水射流切割破碎煤巖體，增大鉆孔自由面，促使煤體大范圍快速卸壓，從而提高煤層透氣性和減小煤層內部壓力，以達到防治煤與瓦斯突出的目的，適用于煤層較厚、瓦斯含量大、煤體碎軟及低滲的煤層。

20 世紀70 年代鶴壁六礦、四礦等水采礦井進行過大量試驗[24]，取得了較好效果。目前，水射流割縫破煤割縫過程中縫槽擴展的時空演化機理尚未得到揭示，射流參數與煤體的切割深度、增透量化關系等方面存在空白[25]，現場應用的參數選擇大多依賴以往經驗，工藝技術的完善進步缺乏必要的理論指導。低壓力、大流量的純水射流切割方法最為常見，應用時容易造成工作面積水；同時，在深部高瓦斯低透煤層條件下鉆孔割縫作業時容易引發塌孔，造成鉆孔堵塞、排渣困難等影響成孔長度、消突效果的問題，且需要解決排水、排渣、抽采塌孔問題。近年來重慶研究院研發出超高壓研制出工作壓力達100 MPa 的超高壓水力割縫成套裝置[26]，實現了超高壓狀態下不退出鉆桿的鉆割一體化工藝和遠程操作功能，割縫鉆孔平均單刀出煤量為0.32 t，等效割縫半徑達1.51～2.08 m，割縫后鉆孔瓦斯抽采濃度同比提高了1.44 倍，瓦斯抽采純流量提高了3 倍，有效抽采半徑為對比普通鉆孔的3.6 倍，鉆孔施工時間縮短約30%，抽采達標時間縮短40%左右。應用表明，采用超高壓水力割縫增透技術后，煤層的透氣性明顯改善，達到了快速卸壓增透的目的。

2.1.4 水力沖孔造穴防治煤與瓦斯突出技術

水力沖孔是以保護煤巖巖柱或煤柱作為安全屏障，向利用高壓水沖擊、破壞有自噴能力的突出煤層施工鉆孔，并在孔內利用高壓水沖擊、破壞鉆孔周圍煤體，誘導和控制噴孔，形成空洞，周圍煤體在地應力和瓦斯壓力作用下發生徑向位移，鉆孔周邊應力重新并產生裂隙，增加煤層透氣性，通過抽采有效降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量；同時鉆孔周圍煤體濕潤，降低煤體彈性，增加煤體塑性，增大工作面超前卸壓帶長度，進而降低煤層突出潛能，達到防治煤與瓦斯突出的目的。

我國是世界上主要采煤國家中研究和應用水力沖孔技術較早的國家之一，1958 年，重慶煤科院、重慶南桐礦務局共同進行了水力沖孔研究，并在重慶南桐礦務局魚田堡礦取得水力沖孔試驗成功[27]。此后水力沖孔措施在南桐、焦作等礦區得到推廣應用，應用表明煤質是影響水力沖孔效果的諸多因素中最主要的因素。2010 年，魏建平等[28]、劉明舉等[29]在淮南多地煤礦等地進行水力沖孔試驗，試驗表明淮南礦區的得出了水為沖孔最佳的破煤壓力、水力沖孔和有效影響范圍。2012 年，彭偉[30]在總結現有水力沖孔增透技術的基礎上，對水力沖孔水射流動力特性、影響水射流破煤因素、一些常見的煤體破壞準則和水射流破煤機理等方面做了進一步的進行了分析和歸納，一致認為水力沖孔使煤層得到充分卸壓，促進瓦斯解吸和排放。沖孔裝備和工藝尚需進一步研究以提高其集成性和易用性。

2.1.5 可控沖擊波增透防治煤與瓦斯突出技術

瓦斯是煤與瓦斯突出的動力來源，抽采突出煤層瓦斯可實現煤與瓦斯突出防治的目的。西安交通大學張永民等[31]以電脈沖沖擊波為動力源，以清水為介質耦合到煤層，破壞煤體結構、提高煤層透氣性、降低煤層應力并促進瓦斯解吸，以此防治煤與瓦斯突出。其技術優點是精細、均衡、可控，在保德煤礦和中井煤礦等企業應用，鉆孔工程量節約80%、瓦斯抽采量提高11 倍、抽采達標時間縮短61%。

2.2 復合水力化防治煤與瓦斯突出防治措施

單一的水力化煤與瓦斯突出防治技術特點明顯，各有其針對性和適用性。由于煤礦井下條件復雜限制了部分水力化措施的使用，如煤層注水對低滲透煤層效果有限，水力壓裂難以在高應力粉碎煤中產生長久裂隙；且不同的水力化措施在工藝和設備方面存在共性，如注水泵和高壓膠管等，因此催生了復合水力化煤與瓦斯突出防治技術。

1）“鉆-沖-割”耦合卸壓防突措施技術。針對在以往的工作實踐中，水力沖孔和水力割縫均表現出具有局限性，在此基礎上，高亞斌等[32]提出了一種“鉆-沖-割”耦合卸壓防突技術，結合水力沖孔和水力割縫的技術優勢，將該技術應用于穿層鉆孔施工中，以“低壓鉆進-中壓沖孔-高壓割縫”的耦合形式將沖孔與割縫相結合，提高卸壓范圍；同時根據不同的現場施工條件和煤層賦存條件，將普通鉆孔與卸壓鉆孔的施工布置方式進行優化，使不同鉆孔之間功能配合更加趨于合理化，效果達到最優。并利用FLAC3D進行了數值模擬研究，結果表明：采用“鉆-沖-割”耦合卸壓后，鉆孔周圍的煤體的受到擾動范圍和程度均明顯增加，卸壓范圍明顯增大，塑性區明顯增大，瓦斯流動通道增多，有效防治了煤與瓦斯突出。在現場試驗中，試驗結果表明：“鉆-沖-割”耦合卸壓防突技術可以有效優化鉆孔施工布置方式，穿層鉆孔數量減少約32.5%，鉆孔施工總長度減少42.9%，在區域驗證達標后，掘進工作面可實現連續進尺，顯著提升了掘進速度，同事提高卸壓增透效果。

2）“鉆-割-壓-抽”綜合防突措施。在實際工作中出現的煤層構造復雜、質地松軟等原因，傳統的水力壓裂技術會造成水力壓裂方向并不容易控制，水力壓裂效果大打折扣，影響目標煤層整體的增透效果。針對上述所產生的相關實際工程問題，王耀鋒等[16，33]提出了一種新型的“導向槽定向水力壓裂”技術。該技術通過射流深穿透射孔技術或水力割縫技術在煤體中預先形成導向槽，控制水力壓穿的方向，使鉆孔之間的煤體形成裂隙網，達到可觀的增透效果。技術可以總結為4 步：鉆-割-壓-抽。首先，按照設計在煤體中施工鉆孔；然后利用預置導向槽進行割縫；再用高壓水流對煤體進行壓裂；最后連接瓦斯抽放管路進行瓦斯抽采。利用數值模擬方法確定中心鉆孔為常規孔、周邊孔為擴孔且中心孔周邊孔同時進行壓裂的施工方案效果最好。該技術在河南演馬莊礦進行現場試驗，鉆孔壓穿數量高達65%，單個鉆孔的水力壓裂增透有效影響范圍提高1 倍，施工后鉆孔的瓦斯抽采濃度提高了1.27 倍，平均百米鉆孔瓦斯抽采流量提高了2.67 倍，使預抽時間縮短了22%。在山西屯蘭煤礦開展工業性應用表明：高壓水射流能夠預置直徑555～696 mm 的導向槽，瓦斯濃度比傳統鉆孔提升了1.34 倍，瓦斯抽采量對比傳統鉆孔提升了2.79 倍，措施效果檢驗合格，確保煤巷順利掘進。

3）“壓-鉆-沖”一體化綜合防突技術。作為區域化煤層防突增透技術，水力壓裂影響范圍大、增透效果好，但由于煤層地質條件的影響，裂縫方向不易控制，裂縫發育不均勻，局部區域存在壓裂不充分現象，而在壓裂鉆孔影響范圍邊界又容易形成瓦斯富集和應力集中區[34]。為解決這一問題，沈陽研究院提出了“壓-鉆-沖”一體化技術，結合了保壓水力壓裂、徑向回轉鉆進、大直徑分級沖孔造穴3 技術，在保壓水力壓裂基礎上通過徑向回轉鉆進在煤層中形成“十”字型通道增加煤體暴露面積，再通過大直徑分級沖孔造穴裝置將鉆孔周圍的煤體分多次大量沖出，形成直徑可達1.8 m 的球型孔洞，大幅度地釋放了煤層中的彈性潛能和瓦斯的膨脹能[35]，解決瓦斯富集和應力集中區的問題?！皦?鉆-沖”一體化綜合防突技術在沈陽焦煤股份有公司開展了現場應用試驗，“壓-鉆-沖”一體化單元平均單孔瓦斯抽采量較常規抽采鉆孔提高了4.07 倍，鉆孔抽采濃度提高了1.64 倍，抽采效果優勢明顯，抽采鉆孔施工量減少40.1%；效果檢驗中突出危險次數相較水力壓裂區段減少了93.6%，掘進速度提高了128.6%，“壓-鉆-沖”一體化措施增透防突效果顯著，為深部突出煤層水力化防突增透提供了新的思路。

4）基于保壓水力壓裂的超聲增透防突技術。超聲波卸壓增透技術作為近年來新興的卸壓增透措施，其作用原理是超聲波的機械振動作用使煤巖骨架及顆粒相互摩擦和松動產生微裂隙，同時液體中微小氣泡核在超聲場的作用下空化，沖破裂煤體，從而提高煤體滲透性能[36]。在超聲波致裂煤體過程中水分起著重要作用，水為超聲波提供了足夠的空化核，空化核的快速膨脹收縮和潰滅可以對煤體內產生強大沖擊波，形成新的孔隙并增加煤體內壁的連通性，提高煤體滲透性。實驗表明，超聲波激勵實驗中高含水率的煤樣新產生的孔隙更多，致裂效果更明顯[37]?；诖耍蜿栄芯吭禾岢隽嘶诒核毫训某曉鐾阜劳患夹g。其工藝流程為：采取保壓水力壓裂措施后對煤層瓦斯進行抽采，當鉆孔瓦斯抽采量明顯下降時，在水力壓裂影響范圍內施工超聲波增透鉆孔，在孔內送入超聲波換能器和注水管路并封孔注水，后利用大功率超聲波進行周期性激勵作業，改善周圍煤體透氣性狀況，提高瓦斯抽采量。該技術在紅陽二礦進行現場試驗，增透時間為20 h，抽采濃度由增透前的3.8%提高至6.16%，比值為1.62 倍；在增透后0～24 h、增透后24～50 h內濃度基本穩定在6%左右。抽采純量由0.077 3 m3/min 提高至0.167 1 m3/min，比值為2.16 倍。

3 水力化防治煤與瓦斯突出措施存在不足及展望

3.1 現有研究存在的不足

歷經半個世紀的研究，我國水力化卸壓增透技術的研究和應用取得諸多有益進展。由于煤與瓦斯突出機理不明、煤礦進入深部開采造成煤層瓦斯賦存地質條件更加復雜、煤巖力學性質發生明顯變化，突出礦井的開采方式及區域防突措施各異，以及礦井智能化開采的蓬勃發展，造成國內現有的水力化卸壓增透技術和裝備在工程應用中還存在諸多需要改進完善的的地方。

1）煤與瓦斯突出機理仍然有待進一步深入研究。國內外學者對煤與瓦斯突出機理的研究取得了豐碩的研究成果，但大多是在綜合假說的基礎上簡化分析得到的，突出發生的條件、影響因素和發生、發展、演化過程仍需要深入研究。已有研究將煤的物理力學性質、地應力、瓦斯、溫度等和突出條件割裂為多個因素未進行系統研究，導致各因素在煤與瓦斯突出中的作用闡述不清。深部的煤巖力學性質、破壞形式以及瓦斯賦存運移規律發生重大改變，造成研究成果主要為定性描述煤與瓦斯突出現象，不能確定主要影響因素及具體量化各因素的權重，影響防治煤與瓦斯突出措施的針對性和有效性。

2）深部煤巖體動力災害孕育條件發生變化。進入深部開采后，突出煤層及圍巖的物理性質、應力條件、瓦斯賦存等發生顯著改變，圍巖應力增大，煤巖體也經歷了彈性變形破壞、脆塑性轉變和大面積屈服等階段，具有變形大和強流變性的特點，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力增加，開采覆巖擾動范圍及動靜載荷顯著增大且呈突發性，煤與瓦斯突出災害、沖擊地壓并存，甚至治理過程中出現相互轉化。極高的地應力水平、瓦斯和突出煤體將導致深部圍巖大范圍塑性破壞并伴隨大量級、大規模的強烈動力失穩，現有的防突技術措施已難以適用。

3）現有卸壓增透措施難以滿足智能化開采的要求。我國煤礦開采作業環境惡劣和開采條件危險，導致煤炭開采對機器替代人有天然的渴求。隨著數字化、信息化、智能化技術、先進制造裝備技術與煤炭開采的深度融合，使得煤礦實現智能化無人開采成為可能。2014 年以來，我國在薄煤層、中厚煤層、大采高及特厚煤層綜放智能化開采技術與裝備等方面取得了多項成果，但對于突出煤層而言，瓦斯治理仍需要煤礦工人井下打鉆施工，煤層卸壓增透措施需要煤礦工人近距離實際操作或者遠程操作，卸壓增透措施達到智能化開采需要時間長，不能滿足智慧礦山和智能化開采的需求。

4）現有水力化卸壓增透措施工程量大，瓦斯治理時間長。目前的綜合水力化防突措施工程量巨大，施工工期長，需要充足的瓦斯治理時間；不同水力化措施都有各自的局限性，例如水力壓裂作用范圍大，但產生的裂隙仍較小，沖、割等技術增大了局部煤體孔隙、裂隙，但增大的范圍仍顯不足；缺乏水力化措施效果實時評估和評價手段，特別是水力壓裂的壓裂影響范圍的邊界仍缺乏有效手段進行準確測量。

3.2 水力化防治煤與瓦斯突出措施展望

1）進一步開展煤與瓦斯突出機理研究。進一步研究突出發生的條件、影響因素和發生、發展、演化過程，把煤的物理力學性質、地應力、瓦斯、溫度和突出條件作為整體研究，明確各因素在突出中的作用機理。針對深部煤巖特點，研發大尺寸、大煤量的煤與瓦斯突出模擬裝置，綜合考慮地質構造、地應力、煤體強度、瓦斯含量及施工過程等影響因素下的不同煤質、不同礦區的突出現象進行定量模擬分析。

2）開展深部煤巖體復合動力災害一體化技術研究。針對深部煤巖體復合動力災害，需要同時治理煤與瓦斯突出、沖擊地壓災害，開展深部煤巖體復合動力災害預測研究，明確災害類型，針對不同災害類型，在采前、采中、采后的整個生產過程中采取有針對性的消減瓦斯內能和釋放煤巖彈性能措施，根本上實現復合動力災害的一體化防治。

3）開展智能化水力卸壓增透技術及裝備研究。隨著我國智慧礦山、智能化采煤工作面如火如荼的建設，加強水力化卸壓增透技術及裝備與數字化、信息化、智能化技術、先進制造的深度融合，使得智能化水力卸壓增透成為可能。對于突出煤層而言，研制智能化鉆機，能夠實現各種鉆孔的無人化、智能化施工；研發新的卸壓增透技術或者對現有的水力化煤層卸壓增透措施進行改造實現無人化、智能化卸壓增透，降低瓦斯治理時間，滿足智慧礦山和智能化開采的需求。

4 結 語

1）總結分析了煤與瓦斯突出機理的研究進展，并基于煤與瓦斯突出綜合假說分析了水力化防突措施的技術原理。

2）介紹了我國應用廣泛的單項水力化卸壓增透技術，指出復合水力化防治煤與瓦斯突出防治措施是水力化防突技術措施發展方向。重點介紹了“鉆-沖-割”耦合卸壓防突措施、“壓-鉆-沖”一體化綜合防突措施、基于水力壓裂的超聲波增透防突等綜合措施，為水力化技術防治煤與瓦斯突出指出新思路。

3）總結分析了水力化卸壓增透措施與深部煤巖體動力災害防治、智能化開采、精準卸壓增透等現實需求之間的差距，指明了下一步應該重點開展煤與瓦斯突出機理、深部煤巖體復合動力災害一體化防治、智能化水力卸壓增透技術及裝備研發等方面的研究。