我國水力沖孔卸壓增透技術(shù)研究進展

韓 穎，董博文，張飛燕，呂 帥，李偉東

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中原經(jīng)濟區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3.深井巖層控制與瓦斯抽采國家安監(jiān)局科技支撐平臺，河南 焦作 454000；4.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；5.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000)

水力沖孔通過高壓水射流破壞孔壁周圍煤體，在鉆孔內(nèi)誘導(dǎo)小型突出，利用水流沖出煤體產(chǎn)生的空間，使煤體應(yīng)力得以釋放，滲透性得以提高，有效解決了高瓦斯低滲透煤層透氣性差、瓦斯抽采難度大等問題。近年來，隨著各種水力化技術(shù)的不斷涌現(xiàn)與完善，傳統(tǒng)及新型水力沖孔技術(shù)均得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。為此，本文對我國水力沖孔卸壓增透技術(shù)進行系統(tǒng)總結(jié)與分析，為相關(guān)研究人員提供參考與借鑒。

1 水力沖孔卸壓增透機理

水力沖孔一般先施工抽采鉆孔，再換用水力沖孔噴頭沖擊鉆孔周圍的煤體。較沖孔煤層而言，煤體的膨脹變形和頂?shù)装宓南嘞蛭灰剖姑簩映浞中秹?，裂縫、裂隙增加，煤層滲透性大大提高，瓦斯吸附動態(tài)平衡被打破，使部分吸附氣體解吸為游離氣體，而游離氣體通過裂隙、裂縫運動排出，煤層及圍巖中的彈性勢能和瓦斯膨脹得到了釋放，煤的濕度增加，塑性增大，脆性降低，不僅消除了突出的動力，而且改變了突出煤層的性質(zhì)。

綜上所述，水的作用主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面沖孔孔穴使周圍煤體得到一定的卸壓，瓦斯氣體解吸量增加；另一方面煤體被水潤濕，可塑性增加，降低了煤體內(nèi)的應(yīng)力集中。相對于常規(guī)鉆孔抽采，水力沖孔沖出形成孔穴直徑較大，卸壓范圍擴大，有利于提高抽采效果；另外，其影響半徑相對較大，間接減少了突出煤層處理的鉆孔施工量，彌補了常規(guī)預(yù)抽煤層瓦斯方式的不足。

2 水力沖孔技術(shù)研究進展

2.1 水力沖孔技術(shù)發(fā)展歷程

國內(nèi)外科研單位和生產(chǎn)單位為了防止突出的發(fā)生，從防突機理和防突措施兩個方面進行了研究。蘇聯(lián)的馬凱耶夫科煤礦安全研究院率先提出了沿巷道周邊開卸壓槽的防突措施[1]，利用移動式水泵對開卸壓槽的工藝，在頓涅茨克煤管局基羅夫煤礦的突出危險煤層進行了實驗，顯現(xiàn)出了良好的消突效果[2]。同時，馬卡耶夫煤礦安全研究所提出了一種煤體水力破裂方法，并對頓巴斯等礦區(qū)進行水力疏松、水力擠出、水力沖刷和低壓濕潤煤體等研究和試驗[3-4]。

我國水力沖孔研究起步較早，1958年南桐礦務(wù)局率先開展了水力沖孔防突工作。實踐證明水力沖孔技術(shù)能夠良好地應(yīng)用于松軟突出煤層，有效地縮短了瓦斯治理所耗費的工時[5]。 俞啟香根據(jù)1958—1959年北票、焦作、南桐等地區(qū)的水力沖孔試驗，對沖孔工藝、設(shè)備和系統(tǒng)及效果檢測方法作了初步總結(jié)。此后，水力沖孔技術(shù)在全國范圍得到了有效推廣，近年來不少專家學(xué)者為水力沖孔技術(shù)的研究做出了新的貢獻。馮丹[6]自主研制了水力沖壓一體化物理模擬實驗系統(tǒng)，并實現(xiàn)了試驗結(jié)果的量化處理；武雪峰[7]通過沖壓一體化物理模擬實驗發(fā)現(xiàn)沖孔孔洞截面近似呈圓形，并認為沖孔轉(zhuǎn)速與孔洞大小成正比，推進速度與孔洞大小成反比；于寶種[8]認為沖孔鉆孔周圍煤體的增透區(qū)半徑隨鉆孔半徑的增大而線性增大；蔣一峰等[9]認為沖孔孔洞周圍煤體主要受拉應(yīng)力和切應(yīng)力的破壞作用，沖擊載荷破煤過程可分為破碎積累、快速破碎2個階段；陶云奇等[10-11]總結(jié)出基于氣體壓力測定抽采半徑的原理，認為水力沖孔的實質(zhì)是促進沖孔附近煤層孔裂隙發(fā)育進從而降低瓦斯運移阻力，并且認為鉆孔的傾角大于70°時沖煤量逐漸減少，鉆孔沖孔應(yīng)選取在40°～70°之間；王慶國等[12]認為水力沖孔鉆孔與普通預(yù)抽鉆孔協(xié)同間隔網(wǎng)格化布置的抽采方式，可以有效提高抽采效率；孫淼[13]通過電鏡掃描實驗論證了水力沖孔的實質(zhì)是煤體的宏觀和微觀孔隙改造；梁春苗等[14]通過實驗發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實測流量與理論計算流量有30%以上差別，并認為噴頭后噴角度越小水射流鉆孔自進力越大；杜昌華等[15]認為大傾角松軟破碎厚煤層沖孔時易發(fā)生垮孔、塌孔；曹佐勇等[16]根據(jù)電磁輻射信號特征將沖孔煤體破壞過程分為微破裂、穩(wěn)定破碎和異常破碎3個階段。 經(jīng)過多年實踐探索，水力沖孔技術(shù)逐漸適用于各種厚度、傾角的煤層，在“三軟”低滲透煤層綜合治理方面成效尤為明顯。

2.2 新型水力沖孔技術(shù)研究進展

隨著科技發(fā)展及研究工作深入，眾多研究者基于傳統(tǒng)水力沖孔技術(shù)提出了一系列新型、復(fù)合型技術(shù)，限于篇幅，本文重點論述鉆-沖一體化技術(shù)、鉆-沖-割一體化技術(shù)、水力壓裂-沖孔聯(lián)合增透技術(shù)以及水力沖孔-預(yù)裂爆破聯(lián)合增透技術(shù)，各項技術(shù)參數(shù)對比見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)對照表

2.2.1 鉆沖一體化技術(shù)

由于鉆頭技術(shù)條件限制，目前常規(guī)水力沖孔施工都是采用先打鉆穿煤層，再退鉆更換噴頭后沖孔兩步進行，工序繁瑣。并且遇到松軟煤層時鉆孔成型困難，極易發(fā)生塌孔、堵孔現(xiàn)象，影響后期沖孔作業(yè)。針對該問題，國內(nèi)學(xué)者專家積極改良沖孔鉆頭，優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)“鉆沖一體化”作業(yè)，避免了鉆孔垮塌所帶來的不利因素，有效提高沖孔作業(yè)質(zhì)量。

邵國杰[17]研制隨鉆型壓力可調(diào)節(jié)式水力沖孔器，可以和兩種直徑鉆頭配套使用，利用調(diào)節(jié)流量控制高低壓轉(zhuǎn)換機構(gòu)，實現(xiàn)對不同流量下高低壓臨界狀態(tài)控制；鉆頭正常鉆進時使用低壓水，需要進行沖孔作業(yè)時只需增大泵量即可實現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)換，高壓水流自動從合金噴嘴噴出，實現(xiàn)沖孔作業(yè)。王志堅等[18]研發(fā)的煤層穿層鉆孔鉆沖一體化設(shè)備，可將高壓泵固定在作業(yè)巷道外，并利用高壓膠管實現(xiàn)高壓水的遠距離傳輸。王進尚等[19]研發(fā)了可同時實現(xiàn)“鉆-沖-割”綜合作業(yè)的水力沖孔設(shè)備，如圖1所示，該設(shè)備主要由鉆頭、沖孔裝置外殼和高壓密封鉆桿組成，噴頭體將壓力能轉(zhuǎn)化為動能，噴出水射流可將煤體粉碎、切割和潤濕。鉆沖一體化技術(shù)和鉆沖割一體化技術(shù)基于對沖孔設(shè)備改良和創(chuàng)新，實現(xiàn)了工序簡化，有效提高作業(yè)效率，降低工人勞動強度。

圖1 “鉆-沖-割”一體化鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 水力壓裂-沖孔聯(lián)合增透技術(shù)

目前，國內(nèi)廣泛采用的水力造穴與水力沖孔壓力一般為5～20 MPa，壓力較低[20]，在較為堅硬的煤層中應(yīng)用不理想，沖煤量少，無法達到預(yù)期卸壓效果，為此國內(nèi)眾多科研人員將兩者結(jié)合起來以達到聯(lián)合增透的目的。水力壓裂在煤層中形成主裂縫，構(gòu)造瓦斯氣體高速運移通道，煤層滲透性得以提高，且強度降低；水力沖孔沖出煤體，又使孔洞周圍煤體進一步膨脹變形，裂縫數(shù)目明顯提高；與此同時，水力沖孔誘導(dǎo)鉆孔內(nèi)小型煤與瓦斯突出，其周圍裂隙在瓦斯釋放的作用下產(chǎn)生以拉伸為主，徑向引張裂隙、周緣引張裂隙、剪切裂隙和轉(zhuǎn)向裂隙為輔，多種裂隙共存。

豐安祥等[21]認為重復(fù)注水卸壓可以有效增加注水卸壓半徑，將穿層鉆孔“重復(fù)壓裂”及“先壓后沖”相結(jié)合的壓裂技術(shù)應(yīng)用于“三軟”煤層中，將抽采量提高3倍，抽采濃度提高了1/3以上，實現(xiàn)了煤層可抽性的有效改善；劉曉[22]基于“單元壓裂縫網(wǎng)增透，單孔出煤卸壓增透”的原則，在控制單元內(nèi)形成初次裂隙，根據(jù)裂縫進行沖孔，實現(xiàn)煤層卸壓增透；徐濤等[23]以“水力壓裂單元增透，水力沖孔出煤卸壓”為技術(shù)思路，探討了其技術(shù)流程、卸壓增透及多級裂縫的形成機理；許勝銘等[24]提出了“水力壓裂-水力沖孔-孔間壓裂-二次沖孔”多重水力卸壓增透技術(shù)相結(jié)合，具體方法如下：首先在壓裂鉆場兩側(cè)布置沖孔鉆場，并垂直于底板抽采巷道布置實驗鉆孔，如圖2所示；其次，選擇注水壓裂鉆場的b鉆孔、i鉆孔作為注水鉆孔進行第一次壓裂，壓裂后在壓裂影響區(qū)域內(nèi)施工穿層鉆孔，進行水力沖孔作業(yè)；然后，將2#鉆場鉆孔、4#鉆場鉆孔、6#鉆場鉆孔、7#鉆場鉆孔、9#鉆場鉆孔、11#鉆場鉆孔作為自由面，對1#鉆場鉆孔、3#鉆場鉆孔、5#鉆場鉆孔、8#鉆場鉆孔、10#鉆場鉆孔逐個實施孔間煤體壓裂；最后選擇自由鉆場鉆孔進行二次沖孔，保證沖出煤量大于1 t/m。

2.2.3 水力沖孔-預(yù)裂爆破聯(lián)合增透技術(shù)

水力沖孔-預(yù)裂爆破聯(lián)合增透技術(shù)是通過爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波傳播至沖孔孔洞中形成反射拉伸，由于煤巖的抗拉強度低，煤層中生成反射拉伸裂隙從而提升煤層滲透性。李冠良[25]利用水力沖孔孔洞對爆破裂隙的誘導(dǎo)作用，先對爆破孔周圍的抽采孔進行水力沖孔，沖孔孔洞為爆破提供了良好的自由面和移動的空間，爆破效果得到改善，實現(xiàn)了抽采量提高5～10倍，抽采濃度提高4～8倍的良好效果。張開加[26]在聯(lián)合增透的基礎(chǔ)上，引入CO2致裂爆破技術(shù)，提高了施工作業(yè)安全性，具體方法如圖3所示。首先施工a組穿層鉆孔并進行沖孔；其次，施工b組鉆孔，將CO2致裂爆破孔布置在a組和b組之間，依次爆破，并在爆破后封孔、接通抽采管路；在b組另一側(cè)布置第下一組爆孔，此后施工工序以此類推。

圖2 穿層鉆孔布置示意圖

圖3 鉆孔布置示意圖

3 存在問題及研究方向

3.1 理論及參數(shù)測定

如今水力沖孔的研究問題在于：由沖孔作用原理推廣到技術(shù)參數(shù)設(shè)計匹配依舊困難，多數(shù)實地應(yīng)用仍停留在經(jīng)驗估計層面；現(xiàn)場應(yīng)用效果多依據(jù)沖煤量、抽采流量與抽采純度是否提升來判斷增透效果，這些數(shù)據(jù)難以準確測量和分析。

國內(nèi)學(xué)者對沖孔機理做了大量研究，但大多通過理論分析、實驗室試驗和現(xiàn)場實測的方式進行。由于水力沖孔體系的研究涉及固-液-氣多場耦合，實驗成本高，開展難度大，且井底環(huán)境條件特殊，得出的結(jié)論不利于推廣使用，多數(shù)學(xué)者選用數(shù)值模擬的方法進行研究，并取得了一定成果。但這種研究方式模型相對簡化和理想化，難免會得出與實際不符的結(jié)論。目前國內(nèi)固-液-氣耦合沖孔物理模擬研究尚處于萌芽階段，進展相對緩慢，部分實驗數(shù)據(jù)與實際現(xiàn)象有很大出入，相關(guān)實驗設(shè)備和實驗方法都亟需改進。綜合目前研究進展，無論采用哪種研究方式，理論分析一定要抓住實質(zhì)，實驗實測一定要保證準確。

目前確定水力沖孔影響半徑的判斷方法較為單一，主要依靠瓦斯壓力降低法和SF6氣體示蹤法。這兩種方法都受到煤層和頂?shù)装鍘r層條件的限制。并且在實際現(xiàn)場試驗中，測試鉆孔數(shù)量較少，往往只有5～7個，最終得到的影響半徑只是某個區(qū)間值；但如果一直增加測壓孔數(shù)量來提高測量精度，孔與孔之間的相互影響作用便會顯著提高。因此，如何提高測試精度，能否從能量的角度來創(chuàng)新沖孔影響范圍檢測方法，是亟待解決的重要問題。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新與推廣

目前，鉆沖一體化技術(shù)發(fā)展相對良好，實現(xiàn)了工序上的簡化，但鉆-沖-割一體化的進展相對緩慢。本文認為水力沖孔和水力割縫技術(shù)雖然在增透機理上有很大差異，但可通過改進裝備，在技術(shù)應(yīng)用上實現(xiàn)兩者統(tǒng)一，擴大技術(shù)適用范圍。水力壓裂-水力沖孔聯(lián)合增透技術(shù)應(yīng)用已相對成熟，水力沖孔-預(yù)裂爆破技術(shù)還有待推廣。無論是哪種聯(lián)合增透技術(shù)，其根本是綜合各種技術(shù)優(yōu)勢，提升改造能力；但改造能力提升的同時，不能忽視其兩面性，在多種技術(shù)耦合作用原理尚不明確的前提下，對突出煤層進行過渡改造難免會出現(xiàn)沖孔或爆破范圍過大，后期會出現(xiàn)跨孔、堵孔、抽采流量衰減較快等一系列問題，故如何實現(xiàn)多技術(shù)配套，如何優(yōu)化技術(shù)方案是下一步的研究重點。

3.3 裝備改進與智能化發(fā)展

一體化技術(shù)的發(fā)展依賴于裝備技術(shù)的提升，現(xiàn)如今鉆-沖一體化裝備已相對成熟，如何改良水壓調(diào)控與噴射轉(zhuǎn)換裝置，將成為下一步推廣鉆-沖-割一體化技術(shù)的關(guān)鍵。不僅如此，現(xiàn)有設(shè)備存在運輸、布置困難，工作環(huán)境隨著出水惡化等問題，因此與水力沖孔設(shè)備配套的運輸、輔助架設(shè)、排水等設(shè)備的研制也同樣重要。

此外，隨著我國數(shù)字化、智能化礦山的發(fā)展，信息技術(shù)的不斷升級，裝備智能化、無人化已不再是遙不可及的目標。信息技術(shù)在瓦斯壓力檢測、鉆孔布置設(shè)計、現(xiàn)場環(huán)境變化監(jiān)控等方面能否應(yīng)用，是實現(xiàn)智能礦山在煤與瓦斯突出治理方面的關(guān)鍵所在。通過智能系統(tǒng)對水力沖孔設(shè)備通用性、標準性以及自由性進行分析，控制生產(chǎn)和維修成本，提高設(shè)備視覺的美觀感與操作舒適度。水力沖孔智能化能夠為操作人員帶來更為舒適的使用環(huán)境，實現(xiàn)水力沖孔設(shè)備的標準化生產(chǎn)，提高設(shè)備通用性，推動煤與瓦斯突出治理事業(yè)不斷發(fā)展。

4 結(jié) 語

水力沖孔技術(shù)在我國經(jīng)歷了60余年的應(yīng)用和發(fā)展，特別在松軟煤層瓦斯突出治理中取得良好效果。隨著相關(guān)理論、技術(shù)應(yīng)用和裝備智能化的不斷發(fā)展與完善，水力沖孔技術(shù)將為我國煤礦安全高效生產(chǎn)提供可靠技術(shù)保障。