我國(guó)煤礦水射流卸壓增透技術(shù)進(jìn)展與戰(zhàn)略思考

盧義玉，黃 杉，葛兆龍，周 哲，劉文川，管婭蕊

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044)

2021年，我國(guó)煤炭消費(fèi)量占一次能源消費(fèi)量比例56.0%，煤炭作為主體能源將繼續(xù)承擔(dān)國(guó)家能源安全和經(jīng)濟(jì)持續(xù)、健康發(fā)展的重任。2021全國(guó)能源工作會(huì)議定調(diào)：要充分發(fā)揮煤炭“壓艙石”作用，“將能源的飯碗端在自己手里”。然而，我國(guó)煤層條件復(fù)雜，具有低滲透性(<0.001×10m)、高瓦斯壓力(高達(dá)6.5 MPa)、煤質(zhì)松軟(<0.5)、構(gòu)造發(fā)育等特點(diǎn)，且瓦斯在煤層中以吸附態(tài)為主要賦存形式，占80%～90%。隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采逐漸向深處進(jìn)軍，煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)性不斷增加，嚴(yán)重制約著煤炭安全高效開(kāi)采。如何解決新形勢(shì)下煤層安全、高效增透問(wèn)題，對(duì)推動(dòng)我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展、保障國(guó)家能源安全具有重大戰(zhàn)略意義。

過(guò)去20 a以來(lái)，包括水力割縫、水力沖孔、水力壓裂等在內(nèi)的煤層水力化卸壓增透技術(shù)因其清潔、高效等特點(diǎn)，逐漸成為了煤儲(chǔ)層卸壓增透、強(qiáng)化瓦斯抽采的主要技術(shù)方法，相關(guān)論文數(shù)量逐年增加，技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著(圖1)。根據(jù)增透機(jī)理，水力化措施可以大體分為2類(lèi)：一類(lèi)是增壓類(lèi)，即水力壓裂，以注入高壓水的方式致裂煤體，促進(jìn)裂隙發(fā)育，增加透氣性；一類(lèi)是卸壓類(lèi)，包括水力沖孔、水射流割縫、水射流擴(kuò)孔、水力疏松、水力掏槽等多種技術(shù)，此類(lèi)技術(shù)利用高壓水射流技術(shù)破碎煤體，形成自由面，為煤體提供變形空間，通過(guò)卸壓的方式增透煤層。水射流技術(shù)起源于采礦業(yè)，隨著近年技術(shù)裝備精進(jìn)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)探索實(shí)驗(yàn)、高壓裝備研發(fā)、理論及工藝迭代、技術(shù)多樣化與智能化、精準(zhǔn)化5個(gè)階段的發(fā)展，已發(fā)展為一種技術(shù)門(mén)類(lèi)齊全、應(yīng)用范圍廣、能量轉(zhuǎn)化率高且清潔的實(shí)用技術(shù)，在我國(guó)強(qiáng)化煤層瓦斯開(kāi)采領(lǐng)域取得了豐碩的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成果，是煤層增透強(qiáng)化瓦斯抽采的有效途徑?；诖?，筆者梳理了我國(guó)水射流技術(shù)卸壓增透煤層研究歷程及最新進(jìn)展，提出了未來(lái)水射流強(qiáng)化瓦斯開(kāi)發(fā)理論與技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)以及展望。

圖1 我國(guó)近20年瓦斯事故數(shù)據(jù)[5]及水力化技術(shù)瓦斯治理相關(guān)論文數(shù)量

1 水射流煤層增透理論與技術(shù)進(jìn)展

20世紀(jì)初，蘇聯(lián)和中國(guó)將水射流技術(shù)應(yīng)用于采煤。隨著近年來(lái)各國(guó)學(xué)者對(duì)各種射流理論及其應(yīng)用技術(shù)的深入研究，空化射流、磨料射流等技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，高壓水射流技術(shù)的應(yīng)用由單純的采礦工業(yè)擴(kuò)大到冶金、航空等眾多領(lǐng)域。水射流在沖擊破碎巖石材料的過(guò)程中具有高效、清潔、低熱和低振動(dòng)等特點(diǎn)。高速水射流到達(dá)巖石表面時(shí)首先產(chǎn)生水錘壓力，使巖石破碎，萌生剪切裂隙。同時(shí)，抗拉強(qiáng)度較低的巖體在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生大量拉裂紋。此后，由于滯止壓力的持續(xù)作用，巖石進(jìn)一步破碎剝落，形成沖蝕坑。水射流破巖具有脆性巖石應(yīng)變率大、噴嘴結(jié)構(gòu)敏感性高、破碎模式及機(jī)制復(fù)雜等特點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)界很難精確表征水射流破巖的內(nèi)在機(jī)理與真實(shí)物理過(guò)程，從而嚴(yán)重制約了水射流破巖技術(shù)的發(fā)展。近幾十年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)高壓水射流破碎煤巖體的機(jī)理進(jìn)行了多角度的解釋和論證，形成了一系列經(jīng)典理論，促進(jìn)了高壓水射流技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

1.1 水射流破巖理論

準(zhǔn)靜態(tài)彈性破碎理論：運(yùn)用彈性力學(xué)判斷巖石的破壞，揭示了靜態(tài)沖擊力與射流滯止壓力的關(guān)系，認(rèn)為當(dāng)射流產(chǎn)生的應(yīng)力大于巖石強(qiáng)度時(shí)，巖石將發(fā)生破壞。其中，較有代表性、認(rèn)可度較廣的理論為密實(shí)核-劈拉破巖理論(圖2(a))：將射流破碎巖體的過(guò)程視作剛體以一定的速度壓入半無(wú)限體空間，隨著高壓射流的持續(xù)作用，高壓水在裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)水射流達(dá)到峰值壓力時(shí)開(kāi)始發(fā)生破壞。隨著流體動(dòng)能的增大，裂紋不斷向深部延伸直至貫穿整個(gè)試件。在斷口的頂端，巖粉快速熔合、穿透并最終擴(kuò)展到?jīng)_擊接觸面，被剝離形成一個(gè)致密的巖心，作為射流和巖體之間的“巖墊”，并沿著自由面方向致裂巖石。應(yīng)力波破碎理論(圖2(b),(c))：認(rèn)為水射流沖擊作用下，巖石內(nèi)部所產(chǎn)生的應(yīng)力波在巖石破壞行為中占有主導(dǎo)地位。受高壓水射流形成的強(qiáng)壓縮波影響，巖體的沖擊區(qū)處于絕對(duì)壓力下，液滴接觸巖石表面時(shí)，徑向向外流動(dòng)使固液表面的壓力從水錘壓力下降為滯止壓力，壓力的急劇下降使巖體的內(nèi)部壓縮波被反射并形成強(qiáng)烈的徑向拉力，當(dāng)拉力值超過(guò)巖石的破裂強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂紋。拉伸-水楔破碎理論(圖2(c))：認(rèn)為巖體中發(fā)育諸多天然節(jié)理、微裂隙。在水射流的持續(xù)沖擊下，裂縫中的水壓持續(xù)升高，甚至接近射流在煤巖體表面形成的沖擊力，導(dǎo)致裂隙逐漸變大并加速擴(kuò)展。因裂縫的形成過(guò)程類(lèi)似于嵌入煤體中的剛性楔子，因此稱(chēng)之為拉伸-水楔破碎理論。該理論綜合考慮了煤體的大量天然裂紋和沖蝕坑的形成，很好地解釋了生產(chǎn)實(shí)際中的一些現(xiàn)象，得到了許多學(xué)者的認(rèn)同?？栈?氣蝕)破碎理論：認(rèn)為水射流中存在大量氣泡，當(dāng)它們沖擊到煤體表面時(shí)，空泡潰滅形成微射流，高速打擊巖面致使破裂發(fā)生(圖2(d))。

圖2 水射流沖擊破碎巖體機(jī)理

相比于其他儲(chǔ)層巖石來(lái)說(shuō)，煤巖非均質(zhì)性高，具有雙重孔裂隙結(jié)構(gòu)、低強(qiáng)度、低彈性模量和高泊松比的特點(diǎn)。其力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、水射流沖擊下的斷裂機(jī)制均不同于砂巖和頁(yè)巖。CAO等以砂巖、頁(yè)巖和煤等典型儲(chǔ)層巖石樣品進(jìn)行了超高壓水射流(UHP-WJ)沖擊破碎實(shí)驗(yàn)。分析了UHP-WJ沖擊后巖石的損傷機(jī)制，相比而言，煤巖表現(xiàn)為水平環(huán)形裂紋和垂直裂紋兩種破壞模式，隨著射流壓力的增加，煤樣中水平環(huán)形裂紋數(shù)量逐漸減少，逐漸顯現(xiàn)為單個(gè)垂直裂紋的破壞特征。煤巖具有應(yīng)力波效應(yīng)和水楔效應(yīng)雙重?cái)嗔烟卣?，破碎塊大小介于砂巖和頁(yè)巖之間。在水楔效應(yīng)作用下，煤中孔轉(zhuǎn)化為大孔和裂縫，導(dǎo)致中孔減少，大孔增加。穆朝民等基于Bridgman方程以及J-H-C本構(gòu)模型，數(shù)值模擬了高壓水射流沖擊煤體破壞過(guò)程。通過(guò)分析各影響因子與損傷程度之間的關(guān)系得到了各個(gè)參數(shù)變化時(shí)損傷破壞情況及相應(yīng)的變化規(guī)律。研究結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)煤巖體變形規(guī)律具有一定意義。結(jié)果表明，壓縮應(yīng)力波和拉伸應(yīng)力波共同作用是高壓水射流沖擊破壞煤巖的主要因素。葛兆龍等開(kāi)展了連續(xù)高壓水射流沖擊作用下不同儲(chǔ)層巖石破壞特征研究。相比而言，煤體沖蝕坑深度最深，以縱向劈裂破壞為主，損傷隨深度的變化不大。煤體破壞以水楔作用下的拉伸破壞為主，不同于頁(yè)巖(應(yīng)力波破壞為主)及砂巖(射流剝蝕及剪切破壞為主)。

目前的射流破巖理論雖然從多個(gè)角度揭示了水射流破巖機(jī)理，但受制于研究測(cè)試手段和設(shè)備的制約，無(wú)法全面捕捉?jīng)_擊破碎過(guò)程，且儲(chǔ)層巖石自身組構(gòu)和物理力學(xué)特性差異大，響應(yīng)機(jī)制不盡相同，亟待開(kāi)展深入的、針對(duì)性強(qiáng)的水射流沖擊破巖理論研究

1.2 水力沖孔

1.2.1 增透機(jī)理

水力沖孔通過(guò)高壓水射流破壞孔壁周?chē)后w，在鉆孔內(nèi)誘導(dǎo)小型突出，利用水流沖出煤體所產(chǎn)生的空間，使煤體應(yīng)力得以釋放，滲透性得以提高(圖3(a),(b))，可以有效解決煤層透氣性差、瓦斯抽采難度大等問(wèn)題。該方法射流壓力較低，流量較大，可以排出軟煤層沖孔過(guò)程中的大量落煤，是一種較為適合松軟煤層的卸壓增透手段。

圖3 水力沖孔卸壓機(jī)理及效果

1.2.2 發(fā)展歷程

國(guó)際社會(huì)對(duì)水力沖孔的研究始于20世紀(jì)70—80年代。1968—1972年，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(kāi)卸壓槽的防突措施水力沖孔技術(shù)。20世紀(jì)80年代，美國(guó)圣胡安盆地煤層氣開(kāi)發(fā)工程現(xiàn)場(chǎng)首次開(kāi)展了水力沖孔應(yīng)用，該盆地4 000多口井中約1/3采用水力沖孔完井，相比而言產(chǎn)量增加了3～20倍。我國(guó)水力沖孔研究起步較早，1958年重慶南桐礦務(wù)局率先開(kāi)展了水力沖孔防突工作：根據(jù)1958—1959年北票、焦作、南桐等地區(qū)的水力沖孔試驗(yàn)，對(duì)沖孔工藝、設(shè)備和系統(tǒng)及效果檢測(cè)方法作了初步總結(jié)。此后，水力沖孔技術(shù)逐步在全國(guó)范圍得到推廣。

1.2.3 研究進(jìn)展

20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者針對(duì)水力沖孔后孔周應(yīng)力狀態(tài)變化、微觀孔隙結(jié)構(gòu)演化，水力沖孔形態(tài)特征、有效抽采半徑(圖3(c))等問(wèn)題開(kāi)展了研究。水力沖孔技術(shù)在我國(guó)經(jīng)歷了60余年的應(yīng)用和發(fā)展，在松軟煤層瓦斯突出治理中取得了諸多階段性成果。王恩元等開(kāi)展了沖孔區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)同步監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)卸區(qū)半徑是沖孔孔洞等效半徑的10倍多。寶坤等對(duì)沖孔周?chē)后w的應(yīng)力、位移場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了沖煤量對(duì)周?chē)后w應(yīng)力和位移變化的影響。王峰等在某煤礦底板回風(fēng)巷開(kāi)展水力沖孔試驗(yàn)，結(jié)果表明水力沖孔沖煤量及瓦斯抽采效果隨鉆孔角度的減小而增大。劉曉等以穩(wěn)態(tài)蠕變理論為基礎(chǔ)，研究了沖孔前后煤體滲透率的演化規(guī)律。魏建平等研究了沖孔有效范圍，極大減少了現(xiàn)場(chǎng)鉆孔布置成本。袁德鑄等針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用水力沖孔增透措施后瓦斯抽采方面存在的問(wèn)題及對(duì)煤巷掘進(jìn)產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，探討了水力沖孔增透合理沖孔煤量的確定方法。許江等開(kāi)展不同沖孔轉(zhuǎn)速下的水力沖孔物理模擬試驗(yàn)，對(duì)孔洞形態(tài)、氣體壓力、沖出煤量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了探討。

1.2.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

譚東升等在某煤礦底抽巷開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并進(jìn)行了沖孔與割縫卸壓增透對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，沖孔后施工時(shí)間比水力割縫減少了26.7%。劉英振等在某煤礦現(xiàn)場(chǎng)采用煤層底板巷水力沖孔方法消突后，巷道瓦斯抽采總量提高了2.58倍。徐東方等在某煤礦底板巷實(shí)施水力沖孔試驗(yàn)，卸壓增透半徑最高達(dá)到5 m，相比提升至2.0倍，平均瓦斯流量提升至3.43倍。

李雷等開(kāi)展了“三軟”煤層水力沖孔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采濃度最大增加了2.4倍、流量最大增加了9.22倍，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著。此外，隨著研究趨于深入，眾多學(xué)者亦提出了一系列復(fù)合型技術(shù)并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用(表1)。

表1 水力沖孔聯(lián)合增透關(guān)鍵參數(shù)

綜上，水力沖孔技術(shù)作為水力化措施的一個(gè)重要分支進(jìn)行卸壓抽采具有顯著的應(yīng)用效果，隨著相關(guān)理論、技術(shù)及裝備的不斷完善，今后將為煤礦的安全高效生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐。然而，目前水射流沖孔破碎煤巖卸壓增透機(jī)理研究亟待深入。高壓水射流破煤過(guò)程中涉及到水射流-煤-瓦斯等相互作用的耦合，破煤過(guò)程極為復(fù)雜，受多重因素影響以及研究方法的限制，導(dǎo)致高壓水射流破煤機(jī)理還未深入解釋清楚，限制了水力沖孔技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。此外，在復(fù)雜地質(zhì)條件實(shí)施水力沖孔作業(yè)時(shí)，仍有瓦斯噴孔等動(dòng)力現(xiàn)象顯現(xiàn)。因此，對(duì)水力沖孔設(shè)備開(kāi)展集成化、智能化方面的系統(tǒng)性研發(fā)，具有重要意義。

1.3 高壓水射流割縫卸壓增透

1.3.1 增透機(jī)理

采用密集鉆孔等傳統(tǒng)增透技術(shù)存在鉆孔工程量大、單孔抽采范圍有限、瓦斯體積分?jǐn)?shù)及抽采效率低等問(wèn)題，已逐漸難以滿(mǎn)足我國(guó)井下作業(yè)需求。過(guò)去幾十年，我國(guó)學(xué)者圍繞水力割縫強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用開(kāi)展了深入的研究。水力割縫強(qiáng)化瓦斯開(kāi)發(fā)技術(shù)，是在巷道內(nèi)向煤層中鉆孔，通過(guò)高壓水射流在抽采鉆孔煤層范圍內(nèi)定點(diǎn)徑向切割或煤層范圍內(nèi)上、下來(lái)回切割(圖4(a))，割縫過(guò)程中大量瓦斯和破碎煤體沿鉆孔排出，在煤層中形成圓盤(pán)形縫槽，利用水流將切割下來(lái)的煤渣帶出孔外，縫槽周?chē)后w暴露面積增大，煤層內(nèi)部導(dǎo)流通道數(shù)量與連通性(微觀裂隙)增加，為煤層內(nèi)部卸壓瓦斯解吸和流動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件。同時(shí)，高壓水射流所產(chǎn)生的應(yīng)力波和聲振波可減弱瓦斯的吸附力，為瓦斯脫附提供能量(圖4(b))；且割縫過(guò)后在煤儲(chǔ)層中所產(chǎn)生的多組縫槽形成了充分的卸壓空間，煤體原始應(yīng)力狀態(tài)、裂隙張開(kāi)度均發(fā)生了改變，進(jìn)而促進(jìn)儲(chǔ)層壓力降低(圖4(c))。在將突出潛能有效釋放的同時(shí)可最大限度的緩解局部應(yīng)力集中、增透煤層。

1.3.2 試驗(yàn)及模擬研究

張永將等對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，利用FLAC軟件對(duì)采煤工作面在射流割縫后應(yīng)力演化過(guò)程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)割縫區(qū)域內(nèi)平均微震事件能量下降18%、瓦斯抽采量提高4.1倍。葛兆龍等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值模擬方法研究了不同條件煤層的割縫鉆孔抽采影響半徑。唐巨鵬等以平頂山某煤礦深部突出煤層為例，進(jìn)行了不同水力割縫布置方式對(duì)煤層卸壓防突效果影響的數(shù)值模擬研究。饒培軍等利用ABAQUS軟件建立水力割縫模型，模擬水力割縫后煤層內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲流場(chǎng)及割縫周?chē)咚箟毫Ψ植记闆r。李曉紅等對(duì)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的不同結(jié)構(gòu)水力割縫系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程壓力-流量特性進(jìn)行了深入研究，分析了過(guò)渡過(guò)程中系統(tǒng)能量耗散規(guī)律。

1.3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

煤礦井下水射流割縫技術(shù)已經(jīng)在重慶大學(xué)、太原理工大學(xué)等單位，平煤、焦煤、淮南礦業(yè)、淮北、晉煤、義煤等多個(gè)集團(tuán)公司取得良好經(jīng)濟(jì)效益。高亞斌等在某煤礦現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展割縫卸壓現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)割縫后預(yù)抽瓦斯穿層鉆孔數(shù)減少了32.5%、鉆孔長(zhǎng)度減少了42.9%。盧義玉等提出了利用自激振蕩脈沖水射流在煤層中割縫增透以縮短石門(mén)揭煤時(shí)間的新思路。通過(guò)某礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，割縫后瓦斯釋放量提高了44倍，鉆孔數(shù)量減少了60%，縮短工期達(dá)70 d以上，極大縮短了某煤礦石門(mén)揭煤時(shí)間。李宗福等采用“壓裂-割縫”復(fù)合增透預(yù)抽瓦斯，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)最高至7倍。陸庭侃等提出了順層鉆孔割縫技術(shù)，采用高壓(40～60 MPa)水射流割縫在寧夏某煤礦進(jìn)行應(yīng)用，使瓦斯抽采效率提高了3～6倍。林柏泉等針對(duì)鉆孔割縫卸壓網(wǎng)絡(luò)化增透機(jī)制開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)卸壓后透氣性系數(shù)提高了122倍，鉆孔抽采流量提高了3.5倍，抽采體積分?jǐn)?shù)提高了2.3倍，預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短了一半(圖4(d))。

圖4 水射流割縫卸壓增透機(jī)理

綜上所述，諸多學(xué)者針對(duì)高壓水射流割縫卸壓增透煤層理論技術(shù)以室內(nèi)相似試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等為手段開(kāi)展了大量深入的研究，揭示了基于深部煤層多場(chǎng)、多相耦合下高壓水射流破碎煤巖機(jī)理，研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下割縫煤層卸壓響應(yīng)規(guī)律，拓展了煤層水力割縫技術(shù)卸壓增透的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)已有多家單位參與水射流割縫卸壓技術(shù)研究和裝備開(kāi)發(fā)，在理論、工藝、工程實(shí)踐等方面有顯著進(jìn)展。然而，針對(duì)高壓水射流破煤理論機(jī)理仍存在分歧，現(xiàn)有假說(shuō)難以全周期客觀描述破煤過(guò)程；在不同的割縫參數(shù)及復(fù)雜地質(zhì)條件下，導(dǎo)致高壓水射流割縫增透效果產(chǎn)生較大差別的科學(xué)問(wèn)題尚未厘清；此外，基于射流割縫卸壓瓦斯抽采多相態(tài)-多物理場(chǎng)參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征及耦合演化規(guī)律尚不明確。因此，如何統(tǒng)籌優(yōu)化施工參數(shù)，針對(duì)以上問(wèn)題開(kāi)展深入研究，是未來(lái)高壓水射流割縫卸壓增透煤層理論與技術(shù)的重要研究方向。

1.4 射流割縫復(fù)合壓裂

1.4.1 技術(shù)背景

水力壓裂技術(shù)最早在油氣田的開(kāi)發(fā)中進(jìn)行應(yīng)用，以提高油氣井的產(chǎn)量。1965年煤炭科學(xué)研究總院沈陽(yáng)研究院將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用在煤層強(qiáng)化抽采瓦斯領(lǐng)域。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者開(kāi)展了多方面的理論、現(xiàn)場(chǎng)及試驗(yàn)、數(shù)值模擬研究，取得了階段性的進(jìn)展。然而，考慮到常規(guī)水力壓裂的裂縫擴(kuò)展形態(tài)無(wú)序、主要受制于地應(yīng)力方向，在煤礦井下應(yīng)用時(shí)，不可避免的會(huì)出現(xiàn)增透“空白帶”的問(wèn)題(圖5(a))：由于水壓裂縫在原始地應(yīng)力的控制下只會(huì)在最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，而主裂縫兩側(cè)的煤巖體很難受到裂縫影響，因此該部分的煤層滲透率并沒(méi)有得到顯著的改善。煤礦井下水射流割縫復(fù)合壓裂增透技術(shù)，即采用水射流割縫的方法布置壓裂孔以及導(dǎo)向鉆孔，使煤層中形成深度縫槽。裂隙的形成能夠改變煤層受力分布狀態(tài)，從而降低起裂壓力并導(dǎo)向水壓裂縫的起裂及延伸，減小因注水壓力過(guò)大而引起煤層頂?shù)装迤茐?。該技術(shù)能夠控制水壓裂縫在煤層中均衡擴(kuò)展，避免裂縫的無(wú)序擴(kuò)展出現(xiàn)瓦斯抽采“空白帶” (圖5(b))。同時(shí)能夠降低壓裂區(qū)域內(nèi)有效應(yīng)力，減緩裂縫的閉合、強(qiáng)化裂縫的導(dǎo)流能力，繼而達(dá)到有效治理瓦斯、高效抽采煤層氣的目的(表2)。

圖5 割縫導(dǎo)向壓裂機(jī)理及成套裝備示意

表2 煤層增透技術(shù)對(duì)比

割縫復(fù)合壓裂時(shí)，破碎區(qū)煤體首先起裂，裂縫在破碎區(qū)和塑性區(qū)內(nèi)的起裂方向受縫槽導(dǎo)向；當(dāng)裂縫進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)后，受地應(yīng)力主導(dǎo)，延伸方向開(kāi)始轉(zhuǎn)變，為避免其無(wú)序發(fā)展，施工割縫導(dǎo)向鉆孔，使其形成的塑性區(qū)和壓裂孔裂縫形成的塑性區(qū)交接，加速裂縫擴(kuò)展(圖5(d))。基于此，采用水射流在煤層中割縫后壓裂，則可以起到控制裂縫擴(kuò)展方向、擴(kuò)大壓裂范圍、提高抽采效率的作用，同時(shí)可以減少壓裂、抽采鉆孔的施工量，縮短煤層瓦斯抽采時(shí)間。

1.4.2 研究現(xiàn)狀

射流割縫導(dǎo)向水力壓裂增透技術(shù)已在鄭煤、山西焦煤、淮南礦業(yè)、中興煤業(yè)等大型煤礦中推廣應(yīng)用，并取得了顯著社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。李棟等提出多孔水射流割縫定向壓裂增透方法并應(yīng)用于渝貴高鐵特大斷面瓦斯隧道揭煤工程，結(jié)果表明壓裂后煤層透氣性系數(shù)提高了35～187倍，平均瓦斯抽采純量分別提高了4～12倍，揭煤時(shí)間比預(yù)期縮短了50%。程玉剛開(kāi)展了割縫導(dǎo)向壓裂裂縫起裂及擴(kuò)展規(guī)律室內(nèi)實(shí)驗(yàn)(圖6(a)～(c))，揭示了割縫偏差角及水平應(yīng)力差異系數(shù)對(duì)割縫導(dǎo)向壓裂裂縫定向擴(kuò)展方向的影響規(guī)律；在某煤礦開(kāi)展了割縫導(dǎo)向壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，后發(fā)現(xiàn)初抽平均單孔瓦斯純量提高了0.75倍，匯總濃度衰減趨勢(shì)較為緩慢(圖6(d))。李艷增等在丁集煤礦開(kāi)展水力割縫復(fù)合壓裂技術(shù)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)抽采效果提升了4倍左右。夏彬偉等在某煤礦現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展射流割縫復(fù)合壓裂應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采純量提高了11.26倍，抽采體積分?jǐn)?shù)提高了2.12倍。馮仁俊等開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水射流割縫導(dǎo)向壓裂時(shí)，增透范圍提高了約33%，單孔瓦斯抽采純量提高10.6倍，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高了2.25倍。王磊等室內(nèi)相似試驗(yàn)，同時(shí)采集壓裂孔內(nèi)壓力和表面裂縫數(shù)據(jù)研究了超臨界CO壓裂煤巖體的起裂及裂縫擴(kuò)展規(guī)律。劉勇等利用高壓水射流在井眼內(nèi)平行于煤層傾角射孔，最后進(jìn)行水力壓裂?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，瓦斯抽放量相比而言增加了11.26倍，抽采體積分?jǐn)?shù)增加了2.12倍。黃炳香等在某煤礦進(jìn)行水射流割縫預(yù)開(kāi)槽，對(duì)堅(jiān)硬頂板水力裂縫的擴(kuò)展起到了定向作用。黃旭超等將聯(lián)合壓裂增透技術(shù)應(yīng)用于石門(mén)揭煤，在新疆某煤礦開(kāi)展應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)日均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)和瓦斯純量約提高2.3倍和3.8倍，鉆孔工程量大約減少75%，抽采時(shí)間縮短約60%，整個(gè)工期縮短約70%。

圖6 割縫導(dǎo)向水力壓裂室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在理論研究與數(shù)值計(jì)算方面，袁志剛等基于煤巖體變形模型、裂縫面內(nèi)流體壓降模型和裂縫擴(kuò)展模型及擴(kuò)展準(zhǔn)則，使用ANSYS-APDL語(yǔ)言建立了煤巖體鉆孔水力壓裂數(shù)學(xué)模型。閆發(fā)志等采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，分析了水射流割縫鉆孔與壓裂鉆孔協(xié)同布置時(shí)不同條件下壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明協(xié)同壓裂鉆孔的瓦斯抽采純量是壓裂鉆孔的2.1倍，普通鉆孔的5倍。程玉剛等建立了孔隙壓力梯度場(chǎng)下的水射流割縫導(dǎo)向壓裂數(shù)值模型，研究了導(dǎo)向孔的距離、布置方式、控制水壓3個(gè)主要因素對(duì)導(dǎo)向壓裂作用效果。朱海燕等建立了套管井定向射孔時(shí)孔眼的起裂壓力和起裂角的預(yù)測(cè)模型。富向等選取雞西城山煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，利用RFPA2D-Flow軟件分析了穿煤層鉆孔定向水壓致裂前后應(yīng)力、水壓的分布與變化規(guī)律，研究了損傷區(qū)域、卸壓區(qū)域的形成與擴(kuò)展過(guò)程。宋晨鵬等通過(guò)建立水壓裂縫遇天然裂縫二維模型，對(duì)裂縫擴(kuò)展規(guī)律及天然裂縫破壞機(jī)理進(jìn)行研究。張小東等根據(jù)多孔介質(zhì)孔隙度及水力強(qiáng)化過(guò)程中裂縫擴(kuò)展的分形特征建立了分形煤儲(chǔ)層宏觀物性參數(shù)孔隙度與滲透率的理論關(guān)系模型，并基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了矯正。袁學(xué)浩等開(kāi)展了多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬分析，依托沁水盆地某儲(chǔ)層工程背景，分析了水壓裂縫起裂及穿層擴(kuò)展規(guī)律。賈文超等以鶴壁煤礦某煤層為工程背景作為參考，使用RFPA-2D數(shù)值模擬方法開(kāi)展研究。模擬了地應(yīng)力與孔隙壓力等因素影響下的裂隙擴(kuò)展規(guī)律。程玉剛等開(kāi)展了定向水力壓裂物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，揭示了裂縫擴(kuò)展的控制機(jī)理。

綜上可見(jiàn)，諸多學(xué)者在煤層導(dǎo)向壓裂增透機(jī)理、技術(shù)工藝，瓦斯運(yùn)移規(guī)律等方面取得了創(chuàng)新性的理論及技術(shù)成果。然而，面對(duì)深部煤層瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的突變性，目前割縫導(dǎo)向壓裂仍存在技術(shù)協(xié)同性不夠等問(wèn)題，難以適應(yīng)開(kāi)采條件的復(fù)雜變化。如何在深部煤巖體復(fù)雜地質(zhì)條件下有的放矢地開(kāi)展水力割縫導(dǎo)向壓裂強(qiáng)化煤與瓦斯共采，是未來(lái)相關(guān)理論及技術(shù)的重要發(fā)展方向。

1.5 水力噴射樹(shù)狀鉆孔均衡增透

1.5.1 技術(shù)背景

對(duì)于低透煤層來(lái)說(shuō)，煤層內(nèi)瓦斯的導(dǎo)流通道數(shù)量是決定煤層瓦斯抽采效果的主要因素。常規(guī)方法往往通過(guò)穿層鉆孔采用“線”抽采或“面”抽采的方式開(kāi)采煤層瓦斯，而樹(shù)狀鉆孔增透抽采方法的主要目的是在抽采單元內(nèi)構(gòu)造多層次多方向的深長(zhǎng)分支孔：首先，以高壓水射流為動(dòng)力，使自進(jìn)式鉆頭先在巖層母孔中前進(jìn)；自進(jìn)式鉆頭到達(dá)目的層位的預(yù)定位置后，使用小曲率自進(jìn)式拐彎鉆孔裝置實(shí)現(xiàn)分支孔轉(zhuǎn)向，鉆鑿出樹(shù)狀子孔(圖7(a),(b))，卸壓誘導(dǎo)煤體破裂形成宏觀裂縫并激發(fā)原始煤體節(jié)理裂隙在分支孔間開(kāi)裂、擴(kuò)展，通過(guò)微裂縫、誘導(dǎo)裂縫形成大量與主導(dǎo)流通道連通的均衡導(dǎo)流裂隙網(wǎng)絡(luò)，為煤層瓦斯快速解吸、流出提供通道，達(dá)到對(duì)煤層瓦斯均衡“體”抽采的目的(圖7(c))。此外，重慶大學(xué)葛兆龍等提出了煤層樹(shù)狀壓裂均衡增透技術(shù)，該技術(shù)與傳統(tǒng)壓裂技術(shù)的最大區(qū)別是壓裂前在煤層內(nèi)直接施工多層定向深長(zhǎng)孔(樹(shù)狀支孔)，突破了傳統(tǒng)技術(shù)僅圍繞穿層鉆孔“做文章”的思路，解決了煤層全面高效增透的難題(圖7(d))。水力噴射樹(shù)狀鉆孔煤層增透技術(shù)具有高效、安全等特點(diǎn)，且因其不會(huì)產(chǎn)生火花與煤塵，在煤層卸壓的同時(shí)也為作業(yè)人員提供了良好的安全保證。此外，能夠縮短鉆孔總長(zhǎng)度、節(jié)約鉆孔成本、縮短鉆孔時(shí)間，實(shí)現(xiàn)煤層均衡增透。樹(shù)狀壓裂技術(shù)具有裂縫分布均勻、壓裂范圍可控、起裂壓力低等特點(diǎn)，是當(dāng)前有望消除水力壓裂起裂壓力高、存在增透“空白區(qū)”等不足并可大范圍推廣的新技術(shù)。

1.5.2 研究現(xiàn)狀

筆者團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種煤礦井下水力噴射樹(shù)狀鉆孔復(fù)合壓裂均衡增透的方法及成套裝備(圖7(d))，該方法將瓦斯抽采孔作為母孔，將均勻分布的自進(jìn)式鉆孔作為“樹(shù)狀”鉆孔子孔，再對(duì)該“樹(shù)狀”孔網(wǎng)進(jìn)行封孔壓裂。與常規(guī)水力壓裂相比能夠?qū)Φ屯笟饷簩舆M(jìn)行均勻壓裂，增大單個(gè)穿層鉆孔的壓裂范圍，實(shí)現(xiàn)均勻增透，克服了常規(guī)水力壓裂穿層鉆孔利用率低和單一主裂縫對(duì)頂?shù)装逶斐善茐牡热秉c(diǎn)。該方法操作簡(jiǎn)單，增透范圍大，增透效果好，為煤礦井下安全生產(chǎn)提供保障。張亮開(kāi)展了多分支孔卸壓煤層多場(chǎng)響應(yīng)機(jī)理研究，利用多尺度多相耦合模型分析了水力噴射樹(shù)狀鉆孔儲(chǔ)層改造后瓦斯流動(dòng)規(guī)律。葛兆龍等發(fā)明了煤礦井下水力噴射樹(shù)狀鉆孔組合鉆具及導(dǎo)向裝備。張瀾濤等在某煤礦抽放巷工程現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了水力噴射樹(shù)狀鉆孔煤層增透技術(shù)的研究，平均瓦斯抽采濃度最高提升至1.8倍。左少杰分析了含瓦斯煤層樹(shù)狀壓裂裂縫起裂規(guī)律，揭示了樹(shù)狀支孔誘導(dǎo)水力裂縫擴(kuò)展并均勻分布控制機(jī)理，研究了樹(shù)狀壓裂煤層瓦斯流動(dòng)特性及增透效果。

圖7 樹(shù)狀鉆孔均衡增透機(jī)理及成套裝備示意

煤礦井下自進(jìn)式水力噴射樹(shù)狀鉆孔技術(shù)成孔率高、完整性好、抽采半徑大，鉆孔數(shù)量少，大幅提高了低透氣性煤層強(qiáng)化抽采效率，降低了防突工程量，在煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了階段性成效。然而，由于煤層本身的非均質(zhì)特性，自進(jìn)式鉆頭在煤層內(nèi)的軌跡很難控制，此外，該技術(shù)不適用極松軟煤層。我國(guó)各處煤礦賦存條件有所差異，煤層深孔鉆進(jìn)的難易程度差別很大，對(duì)于松軟煤層，煤層氣開(kāi)發(fā)極易造成塌孔現(xiàn)象，特別是水的進(jìn)入，進(jìn)一步軟化煤體，影響技術(shù)實(shí)施成功率。

2 戰(zhàn)略思考

隨著淺部煤炭資源日趨枯竭，我國(guó)大量礦井進(jìn)入深部開(kāi)采，瓦斯災(zāi)害威脅極其嚴(yán)重。雖然國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)對(duì)水力化技術(shù)的研究促進(jìn)了該類(lèi)技術(shù)的迅速發(fā)展，并在部分煤礦取得了初步效果，但是面對(duì)深部煤層瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的復(fù)雜性、特殊性和突變性，目前水射流強(qiáng)化瓦斯開(kāi)發(fā)技術(shù)仍然沒(méi)有形成成熟的體系，尚存在技術(shù)協(xié)同性不夠等問(wèn)題，難以適應(yīng)開(kāi)采條件的復(fù)雜變化。

2.1 深化交叉學(xué)科理論研究

瓦斯以吸附和游離2種狀態(tài)儲(chǔ)集于煤層內(nèi)，原始煤體是煤、吸附瓦斯和游離瓦斯組成的類(lèi)三相體，吸附瓦斯和游離瓦斯處于一種動(dòng)平衡狀態(tài)，其中吸附瓦斯體積分?jǐn)?shù)占80%～90%。在復(fù)雜地質(zhì)條件下水射流破煤的過(guò)程中必然會(huì)涉及到瓦斯解吸、運(yùn)移、煤巖損傷、裂縫擴(kuò)展等多場(chǎng)多相耦合過(guò)程，相比于射流破巖而言更為復(fù)雜，極大提高了理論和實(shí)驗(yàn)研究的難度；且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，井下環(huán)境條件復(fù)雜﹐得出的結(jié)論并不具備普適性。這造成了理論研究滯后于實(shí)際工程應(yīng)用，使水射流破煤機(jī)理的客觀、全面揭示成為難題。未來(lái)的射流破煤理論研究，應(yīng)動(dòng)用多學(xué)科交叉(巖石力學(xué)、滲流力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、化學(xué)等)資源，著力于將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬有機(jī)結(jié)合，以現(xiàn)場(chǎng)多場(chǎng)-多相耦合地質(zhì)條件為參考、以客觀還原原位破煤機(jī)理為導(dǎo)向開(kāi)展研究。

2.2 增透裝備一體化、無(wú)人化

由于煤層瓦斯賦存的地質(zhì)條件十分復(fù)雜，煤礦井下巷道布置方式多樣﹐國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的水射流增透技術(shù)和裝備在工程應(yīng)用中還存在不配套、不完善等多方面的問(wèn)題，煤礦井下打鉆及水射流成套裝備普及度不高。此外，由于現(xiàn)階段煤礦井下打鉆與割縫、沖孔多為不同設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備數(shù)量多、移動(dòng)不便、施工周期長(zhǎng)、人力物力消耗量大等問(wèn)題。應(yīng)針對(duì)煤礦井下用高壓水射流裝備存在以上問(wèn)題針對(duì)性?xún)?yōu)化其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和外觀設(shè)計(jì)，整合多方資源推進(jìn)成套設(shè)備研發(fā)。將射流方式和噴嘴結(jié)構(gòu)及理論研究有機(jī)組合，增強(qiáng)水射流切割能力，提高施工效率。此外，以信息化、智能化、自動(dòng)化為手段，降低煤礦井下作業(yè)人員數(shù)量，在充分提高作業(yè)效率的同時(shí)保障員工人身安全。推進(jìn)水射流增透裝備一體化、無(wú)人化，是響應(yīng)國(guó)家保障能源穩(wěn)定安全供應(yīng)、增強(qiáng)綠色發(fā)展支撐力戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵，也是未來(lái)礦井智能化發(fā)展的必然。

2.3 技術(shù)工藝集成化、系列化

各水力化措施在實(shí)踐中均有各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，也都存在相應(yīng)局限性。對(duì)于樹(shù)狀鉆孔而言，由于煤層本身的非均質(zhì)特性，樹(shù)狀鉆孔自進(jìn)式鉆頭在煤層內(nèi)的軌跡很難控制，且不適用極松軟煤層。割縫導(dǎo)向壓裂的局限性在于，面對(duì)深部煤層瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的復(fù)雜性，目前仍存在工藝優(yōu)化(導(dǎo)向孔排布、縫槽參數(shù)等)、協(xié)同性、針對(duì)性不足等問(wèn)題，難以適應(yīng)開(kāi)采條件的復(fù)雜變化。

對(duì)此，筆者團(tuán)隊(duì)提出了“地面定向井+水力割縫”卸壓方法：在地面定向井鉆井完井之后，開(kāi)展分段水力割縫煤層增透(圖8)。在深部煤層中割縫形成多個(gè)盤(pán)狀縫槽之后提高儲(chǔ)層滲透率，增加煤層氣井產(chǎn)量。此方法通過(guò)地面井及水力割縫卸壓，避免了水力壓裂過(guò)程中高壓注入流體導(dǎo)致應(yīng)力向煤層深部傳遞，更適應(yīng)深部煤層高地應(yīng)力條件。同時(shí)，規(guī)避了進(jìn)行常規(guī)壓裂作業(yè)時(shí)壓裂液對(duì)儲(chǔ)層造成傷害的可能。對(duì)于傳統(tǒng)地面定向井鉆井技術(shù)而言，由于鉆孔孔徑往往較大，對(duì)松軟煤層適應(yīng)性較低。而此方法對(duì)不同煤質(zhì)適應(yīng)性較強(qiáng)，在軟煤層中的應(yīng)用效果更為顯著。此外，此方法卸壓空間遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)水力噴射孔眼和徑向水力鉆孔孔眼尺寸，有望為深部煤層氣資源地面開(kāi)發(fā)開(kāi)辟新的途徑。

圖8 煤層氣水平井+水力割縫卸壓方法示意[24]

針對(duì)水力化增透措施協(xié)同性不夠等問(wèn)題，筆者團(tuán)隊(duì)提出了“復(fù)雜難增透構(gòu)造區(qū)割縫卸壓-簡(jiǎn)單易增透區(qū)導(dǎo)向壓裂增透”模式，即在復(fù)雜構(gòu)造煤層進(jìn)行水力割縫形成卸壓空間，誘導(dǎo)產(chǎn)生塑性破壞裂隙，連通煤層中弱面結(jié)構(gòu)形成復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)；簡(jiǎn)單構(gòu)造區(qū)煤層進(jìn)行導(dǎo)向壓裂，控制壓裂裂隙有序擴(kuò)展溝通天然裂隙，形成大規(guī)模滲流縫網(wǎng)。極大地增強(qiáng)了面對(duì)深部礦井復(fù)雜儲(chǔ)層地質(zhì)條件下水力化增透措施的適應(yīng)性，有助于高效開(kāi)展針對(duì)性工程實(shí)踐。

總之，要充分發(fā)揮不同單項(xiàng)技術(shù)的長(zhǎng)處并形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在深部煤巖體復(fù)雜地質(zhì)條件下有的放矢地開(kāi)展卸壓增透強(qiáng)化瓦斯開(kāi)發(fā)。水射流技術(shù)工藝集成化、系列化是未來(lái)的重要發(fā)展趨勢(shì)，亦是必經(jīng)之路。

2.4 評(píng)估系統(tǒng)可視化、智能化

我國(guó)不同產(chǎn)煤區(qū)域地質(zhì)條件及瓦斯賦存情況具有很大差異性。由于地下環(huán)境復(fù)雜，有關(guān)瓦斯的信息資料不準(zhǔn)確，制約著水力化措施的針對(duì)性開(kāi)展。為了解決這一問(wèn)題，必須進(jìn)行煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)及增透效果監(jiān)測(cè)研究，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)處理，從而得到適合該地區(qū)實(shí)際情況的預(yù)測(cè)模型和參數(shù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面開(kāi)采過(guò)程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。目前，煤礦建設(shè)的大部分系統(tǒng)都是獨(dú)立運(yùn)行的，各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不能得到有效的利用和深度的融合。應(yīng)充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)等數(shù)字化手段，綜合考慮煤層瓦斯賦存的主要特征參數(shù)，搭建煤層氣賦存風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和增透效果量化分析平臺(tái)，形成針對(duì)性的水射流增透措施對(duì)不同變質(zhì)程度的煤巖、應(yīng)力條件、瓦斯壓力等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境適用性標(biāo)準(zhǔn)，提高水射流煤層增透技術(shù)實(shí)施成功率。

3 結(jié) 語(yǔ)

回顧過(guò)去，歷經(jīng)60余年的研究，我國(guó)水射流煤層增透技術(shù)已經(jīng)取得許多階段性進(jìn)展。水射流技術(shù)適應(yīng)國(guó)家建立煤炭﹑煤層氣協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)機(jī)制的要求，符合煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的需要，已成為煤礦瓦斯治理、提高瓦斯抽采率的關(guān)鍵技術(shù)手段，具有良好的應(yīng)用前景。該技術(shù)的持續(xù)、快速發(fā)展必將整體提升我國(guó)礦井瓦斯防治和煤層氣產(chǎn)業(yè)科技自主創(chuàng)新能力。前期國(guó)內(nèi)大量的研究和應(yīng)用，為技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支撐，取得了一批階段性成果。隨著增透機(jī)理研究的不斷深入和裝備水平的不斷提高，水射流煤層增透技術(shù)體系將日趨完善，在未來(lái)的煤炭開(kāi)采和煤層氣開(kāi)發(fā)中將發(fā)揮更大的作用。

展望未來(lái)，如何統(tǒng)籌優(yōu)化施工參數(shù)，以理論研究為基石、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為指導(dǎo)、數(shù)值模擬為延伸，針對(duì)我國(guó)深部礦井煤炭開(kāi)采的高應(yīng)力、高瓦斯、強(qiáng)吸附性、低滲透性等特征開(kāi)展深入研究，是未來(lái)高壓水射流卸壓增透煤層理論與技術(shù)的重要研究方向。要開(kāi)展地面和井下相結(jié)合的煤與瓦斯共采模式，持續(xù)研究針對(duì)不同地質(zhì)條件下的深部煤礦瓦斯抽采關(guān)鍵技術(shù)及裝備；同時(shí)，探索形成以技術(shù)為主導(dǎo)、市場(chǎng)為向?qū)А⒄邽橐龑?dǎo)的產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展新構(gòu)想，不斷完善技術(shù)及裝備適用條件并形成標(biāo)準(zhǔn)體系?？傊?，水射流強(qiáng)化瓦斯開(kāi)發(fā)是為我國(guó)提供礦山安全保障的重要環(huán)節(jié)。要深刻認(rèn)識(shí)新形勢(shì)下保障國(guó)家能源安全的極端重要性，切實(shí)發(fā)揮煤炭的兜底保障作用，形成高校、科研院所、煤炭企業(yè)協(xié)作共贏的合力，真正實(shí)現(xiàn)煤層高效增透、瓦斯安全開(kāi)發(fā)，為我國(guó)煤礦安全保駕護(hù)航。