水力化技术防治煤与瓦斯突出研究现状及展望

2020-12-02曹垚林

煤矿安全 2020年10期

曹垚林

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122）

煤炭是我国的主体能源和重要的工业原料。目前全国共有煤矿5 695 处，其中煤与瓦斯突出煤矿757 处，高瓦斯煤矿1 024 处[1]，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占比较高，使得煤矿安全形式十分严峻。我国煤层的普遍具有煤质松软、透气性差、瓦斯含量高、地应力大等特点，并且随着煤矿开采深度的不断增加，瓦斯压力和地应力将继续增大，煤层渗透率将进一步降低，煤与瓦斯突出危险性将持续增加，防治煤与瓦斯突出的难度增大。对于突出矿井而言，经区域预测为突出危险区的煤层必须采取区域防突措施并进行区域防突措施效果检验。而《防治煤与瓦斯突出细则》中明确：区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯2 类。而不具备开采保护层条件的和保护层开采保护范围外的突出危险区的煤层必须采用预抽煤层瓦斯区域防突措施并进行区域防突措施效果检验。突出煤层透气性差导致常规的钻孔预抽很难达到消突效果。常用的卸压增透技术措施包括水力压裂、水力冲孔、水力割缝、松动爆破、深孔预裂爆破等技术，按照作用机理可分为为机械力、爆破力和水力，而机械力措施和爆破力措施操作复杂、易产生火花且卸压范围有限，应用范围较小；水力化措施效果明显、效果持续时间长，安全性较好，近年来国内科研单位和煤矿企业对水力化卸压增透措施的研发和应用处于蓬勃发展阶段。基于此，结合煤与瓦斯突出机理，回顾了水力化卸压增透措施的发展历程，简要介绍水力化卸压增透措施的作用机理、工艺及适用条件，分析了水力化卸压增透措施存在的问题，并对发展趋势进行了展望。

1 煤与瓦斯突出机理研究进展

煤与瓦斯突出的过程包括准备、激发、发展和终止4 个阶段，煤与瓦斯突出机理是指导制定防治瓦斯突出技术措施的前提，大量地国内外科研人员对煤与瓦斯突出机理开展了大量的研究和大胆假设[2-3]，形成了单因素假说、综合假说、现代假说及其他假说。

2 水力化技术防治煤与瓦斯突出研究现状

针对煤与瓦斯突出危险煤层，水力化措施是防治煤与瓦斯突出的有效途径，通过改变煤岩体中的瓦斯和地应力等煤与瓦斯突出影响因素来实现防治煤与瓦斯突出。例如可以通过煤层注水增加煤体含水率，改变煤的力学性质，改变煤体的压力分布状态；水力割缝、水力冲孔可以破碎煤体并经钻孔排出，扩大钻孔直径，钻孔周围煤体向钻孔中心方向移动，改变钻孔周围应力状态，使钻孔周围卸压范围增大，扩展、连通煤层内裂隙通道，促进煤层瓦斯解吸渗流，提高煤层瓦斯抽采效果；水力压裂可以形成若干宏观裂隙和分支裂隙，使得应力重新分布，提高煤层含水率，同时为煤层瓦斯解吸渗流提供通道，从而消除煤与瓦斯突出危险性。

2.1 单项水力化卸压增透技术措施

2.1.1 煤层注水防治煤与瓦斯突出技术

煤层注水防止煤与瓦斯突出最早在20 世纪30年代前苏联煤矿使用，20 世纪60 年代，我国煤炭科学研究院抚顺分院、北票矿务局合作采用煤层注水取得了较好的煤与瓦斯突出防治效果[10]。目前已经大量应用于国内外现场实践，并作为我国采煤工作面的局部防突措施写入《防治煤和瓦斯突出细则》。由于煤与瓦斯突出机理尚无突破，煤层注水防治煤与瓦斯突出的机理主要集中在煤岩体力学性质软塑化导致煤岩体应力环境改变和煤体湿润吸水对瓦斯解吸的封堵效应。秦文贵、张延松[11]认为煤层注水的实际意义是沟通煤体内的孔隙；蒋承林[12]基于煤与瓦斯突出的球壳理论，认为煤层注水主要是破化了球壳密封性使得瓦斯提前释放；王兆丰等[13]、刘明举等[14]认为是煤层注水能增大突出阻力，减小突出能量；大量现场实践表明煤层注水有效减少了采掘期间的瓦斯涌出量，印证了瓦斯封堵效应。

由于静压注水一般不会改变煤体的结构，且注水范围十分有限，钻孔工程量大。高压注水可以提高煤层注水范围，但过高压力会造成煤体内能量攀升导致煤岩体应力及瓦斯压力升高且在煤体内无法精确控制，存在诱导突出的风险。脉动注水利用注水压力短时间内的循环升降使煤体结构产生疲劳破坏，增大注水范围的同时降低注水能量，但对设备和工艺的要求较高。由于水力压裂等水力化措施对煤层结构改变等优点，煤层注水已有与其它水力化措施融合发展的趋势。

2.1.2 水力压裂防治煤与瓦斯突出技术

水力压裂首先应用于油气开发，1965 年煤炭科学研究总院抚顺分院将该技术引入煤矿开采领域，其原理是采用水压致裂改变煤岩体结构及力学性质来增加煤层透气性从而强化瓦斯抽采，以此来防治煤与瓦斯突出。由于构造及构造应力的存在，煤与瓦斯突出具有很大的不确定性，目前的突出危险性是根据瓦斯动力事故/现象或突出经验指标来鉴定，突出机理尚未完全掌握，过大能量的水力压裂对煤岩体应力扰动及结构改变是否会诱导突出尚有待进一步观察确认，因此目前水力压裂防治煤与瓦斯突出多用穿层钻孔进行。

第4年英文学、欧美史学、哲学、政学及列国交际法[注]东京大学百年史编集委员会编：《东京大学百年史》部局史1，东京：东京大学出版会，1986年，第414页。

具体根据煤层埋藏深度预压裂控制范围选择地面压裂或井下压裂。井下压裂防突技术研究主要集中在松软低透煤层增透[15-16]技术及工艺方面，研究手段有理论分析[17]、数值模拟[18]、现场实践[19-20]等，得出了积极的结论。井下压裂灵活性强，但是受到井下作业空间的限制及高压对井下作业空间的生产影响，对压裂设备及工艺的要求更高。地面钻孔压裂脱胎于石油及页岩气岩层增渗提产，其装备及工艺相对成熟，也取得了很好的瓦斯抽采效果[21-22]，但施工成本高。由于煤体是典型的双重孔隙结构，相较于油气储层，节理裂隙发育，局部应力环境差异很大，压裂效果受构造及煤层原生裂隙影响很大，压裂效果不尽相同；且压裂方向不确定问题难以解决，存在很大的压裂空白带和应力集中带，因此，单纯的地面井压裂防治煤与瓦斯突出控制技术仍需深入研究[23]。

2.1.3 水力割缝防治煤与瓦斯突出技术

水力割缝技术通过高压水射流切割破碎煤岩体，增大钻孔自由面，促使煤体大范围快速卸压，从而提高煤层透气性和减小煤层内部压力，以达到防治煤与瓦斯突出的目的，适用于煤层较厚、瓦斯含量大、煤体碎软及低渗的煤层。

20 世纪70 年代鹤壁六矿、四矿等水采矿井进行过大量试验[24]，取得了较好效果。目前，水射流割缝破煤割缝过程中缝槽扩展的时空演化机理尚未得到揭示，射流参数与煤体的切割深度、增透量化关系等方面存在空白[25]，现场应用的参数选择大多依赖以往经验，工艺技术的完善进步缺乏必要的理论指导。低压力、大流量的纯水射流切割方法最为常见，应用时容易造成工作面积水；同时，在深部高瓦斯低透煤层条件下钻孔割缝作业时容易引发塌孔，造成钻孔堵塞、排渣困难等影响成孔长度、消突效果的问题，且需要解决排水、排渣、抽采塌孔问题。近年来重庆研究院研发出超高压研制出工作压力达100 MPa 的超高压水力割缝成套装置[26]，实现了超高压状态下不退出钻杆的钻割一体化工艺和远程操作功能，割缝钻孔平均单刀出煤量为0.32 t，等效割缝半径达1.51～2.08 m，割缝后钻孔瓦斯抽采浓度同比提高了1.44 倍，瓦斯抽采纯流量提高了3 倍，有效抽采半径为对比普通钻孔的3.6 倍，钻孔施工时间缩短约30%，抽采达标时间缩短40%左右。应用表明，采用超高压水力割缝增透技术后，煤层的透气性明显改善，达到了快速卸压增透的目的。

2.1.4 水力冲孔造穴防治煤与瓦斯突出技术

水力冲孔是以保护煤岩岩柱或煤柱作为安全屏障，向利用高压水冲击、破坏有自喷能力的突出煤层施工钻孔，并在孔内利用高压水冲击、破坏钻孔周围煤体，诱导和控制喷孔，形成空洞，周围煤体在地应力和瓦斯压力作用下发生径向位移，钻孔周边应力重新并产生裂隙，增加煤层透气性，通过抽采有效降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量；同时钻孔周围煤体湿润，降低煤体弹性，增加煤体塑性，增大工作面超前卸压带长度，进而降低煤层突出潜能，达到防治煤与瓦斯突出的目的。

我国是世界上主要采煤国家中研究和应用水力冲孔技术较早的国家之一，1958 年，重庆煤科院、重庆南桐矿务局共同进行了水力冲孔研究，并在重庆南桐矿务局鱼田堡矿取得水力冲孔试验成功[27]。此后水力冲孔措施在南桐、焦作等矿区得到推广应用，应用表明煤质是影响水力冲孔效果的诸多因素中最主要的因素。2010 年，魏建平等[28]、刘明举等[29]在淮南多地煤矿等地进行水力冲孔试验，试验表明淮南矿区的得出了水为冲孔最佳的破煤压力、水力冲孔和有效影响范围。2012 年，彭伟[30]在总结现有水力冲孔增透技术的基础上，对水力冲孔水射流动力特性、影响水射流破煤因素、一些常见的煤体破坏准则和水射流破煤机理等方面做了进一步的进行了分析和归纳，一致认为水力冲孔使煤层得到充分卸压，促进瓦斯解吸和排放。冲孔装备和工艺尚需进一步研究以提高其集成性和易用性。

2.1.5 可控冲击波增透防治煤与瓦斯突出技术

瓦斯是煤与瓦斯突出的动力来源，抽采突出煤层瓦斯可实现煤与瓦斯突出防治的目的。西安交通大学张永民等[31]以电脉冲冲击波为动力源，以清水为介质耦合到煤层，破坏煤体结构、提高煤层透气性、降低煤层应力并促进瓦斯解吸，以此防治煤与瓦斯突出。其技术优点是精细、均衡、可控，在保德煤矿和中井煤矿等企业应用，钻孔工程量节约80%、瓦斯抽采量提高11 倍、抽采达标时间缩短61%。

2.2 复合水力化防治煤与瓦斯突出防治措施

单一的水力化煤与瓦斯突出防治技术特点明显，各有其针对性和适用性。由于煤矿井下条件复杂限制了部分水力化措施的使用，如煤层注水对低渗透煤层效果有限，水力压裂难以在高应力粉碎煤中产生长久裂隙；且不同的水力化措施在工艺和设备方面存在共性，如注水泵和高压胶管等，因此催生了复合水力化煤与瓦斯突出防治技术。

1）“钻-冲-割”耦合卸压防突措施技术。针对在以往的工作实践中，水力冲孔和水力割缝均表现出具有局限性，在此基础上，高亚斌等[32]提出了一种“钻-冲-割”耦合卸压防突技术，结合水力冲孔和水力割缝的技术优势，将该技术应用于穿层钻孔施工中，以“低压钻进-中压冲孔-高压割缝”的耦合形式将冲孔与割缝相结合，提高卸压范围；同时根据不同的现场施工条件和煤层赋存条件，将普通钻孔与卸压钻孔的施工布置方式进行优化，使不同钻孔之间功能配合更加趋于合理化，效果达到最优。并利用FLAC3D进行了数值模拟研究，结果表明：采用“钻-冲-割”耦合卸压后，钻孔周围的煤体的受到扰动范围和程度均明显增加，卸压范围明显增大，塑性区明显增大，瓦斯流动通道增多，有效防治了煤与瓦斯突出。在现场试验中，试验结果表明：“钻-冲-割”耦合卸压防突技术可以有效优化钻孔施工布置方式，穿层钻孔数量减少约32.5%，钻孔施工总长度减少42.9%，在区域验证达标后，掘进工作面可实现连续进尺，显著提升了掘进速度，同事提高卸压增透效果。

2）“钻-割-压-抽”综合防突措施。在实际工作中出现的煤层构造复杂、质地松软等原因，传统的水力压裂技术会造成水力压裂方向并不容易控制，水力压裂效果大打折扣，影响目标煤层整体的增透效果。针对上述所产生的相关实际工程问题，王耀锋等[16，33]提出了一种新型的“导向槽定向水力压裂”技术。该技术通过射流深穿透射孔技术或水力割缝技术在煤体中预先形成导向槽，控制水力压穿的方向，使钻孔之间的煤体形成裂隙网，达到可观的增透效果。技术可以总结为4 步：钻-割-压-抽。首先，按照设计在煤体中施工钻孔；然后利用预置导向槽进行割缝；再用高压水流对煤体进行压裂；最后连接瓦斯抽放管路进行瓦斯抽采。利用数值模拟方法确定中心钻孔为常规孔、周边孔为扩孔且中心孔周边孔同时进行压裂的施工方案效果最好。该技术在河南演马庄矿进行现场试验，钻孔压穿数量高达65%，单个钻孔的水力压裂增透有效影响范围提高1 倍，施工后钻孔的瓦斯抽采浓度提高了1.27 倍，平均百米钻孔瓦斯抽采流量提高了2.67 倍，使预抽时间缩短了22%。在山西屯兰煤矿开展工业性应用表明：高压水射流能够预置直径555～696 mm 的导向槽，瓦斯浓度比传统钻孔提升了1.34 倍，瓦斯抽采量对比传统钻孔提升了2.79 倍，措施效果检验合格，确保煤巷顺利掘进。

3）“压-钻-冲”一体化综合防突技术。作为区域化煤层防突增透技术，水力压裂影响范围大、增透效果好，但由于煤层地质条件的影响，裂缝方向不易控制，裂缝发育不均匀，局部区域存在压裂不充分现象，而在压裂钻孔影响范围边界又容易形成瓦斯富集和应力集中区[34]。为解决这一问题，沈阳研究院提出了“压-钻-冲”一体化技术，结合了保压水力压裂、径向回转钻进、大直径分级冲孔造穴3 技术，在保压水力压裂基础上通过径向回转钻进在煤层中形成“十”字型通道增加煤体暴露面积，再通过大直径分级冲孔造穴装置将钻孔周围的煤体分多次大量冲出，形成直径可达1.8 m 的球型孔洞，大幅度地释放了煤层中的弹性潜能和瓦斯的膨胀能[35]，解决瓦斯富集和应力集中区的问题。“压-钻-冲”一体化综合防突技术在沈阳焦煤股份有公司开展了现场应用试验，“压-钻-冲”一体化单元平均单孔瓦斯抽采量较常规抽采钻孔提高了4.07 倍，钻孔抽采浓度提高了1.64 倍，抽采效果优势明显，抽采钻孔施工量减少40.1%；效果检验中突出危险次数相较水力压裂区段减少了93.6%，掘进速度提高了128.6%，“压-钻-冲”一体化措施增透防突效果显著，为深部突出煤层水力化防突增透提供了新的思路。

4）基于保压水力压裂的超声增透防突技术。超声波卸压增透技术作为近年来新兴的卸压增透措施，其作用原理是超声波的机械振动作用使煤岩骨架及颗粒相互摩擦和松动产生微裂隙，同时液体中微小气泡核在超声场的作用下空化，冲破裂煤体，从而提高煤体渗透性能[36]。在超声波致裂煤体过程中水分起着重要作用，水为超声波提供了足够的空化核，空化核的快速膨胀收缩和溃灭可以对煤体内产生强大冲击波，形成新的孔隙并增加煤体内壁的连通性，提高煤体渗透性。实验表明，超声波激励实验中高含水率的煤样新产生的孔隙更多，致裂效果更明显[37]。基于此，沈阳研究院提出了基于保压水力压裂的超声增透防突技术。其工艺流程为：采取保压水力压裂措施后对煤层瓦斯进行抽采，当钻孔瓦斯抽采量明显下降时，在水力压裂影响范围内施工超声波增透钻孔，在孔内送入超声波换能器和注水管路并封孔注水，后利用大功率超声波进行周期性激励作业，改善周围煤体透气性状况，提高瓦斯抽采量。该技术在红阳二矿进行现场试验，增透时间为20 h，抽采浓度由增透前的3.8%提高至6.16%，比值为1.62 倍；在增透后0～24 h、增透后24～50 h内浓度基本稳定在6%左右。抽采纯量由0.077 3 m3/min 提高至0.167 1 m3/min，比值为2.16 倍。

3 水力化防治煤与瓦斯突出措施存在不足及展望

3.1 现有研究存在的不足

历经半个世纪的研究，我国水力化卸压增透技术的研究和应用取得诸多有益进展。由于煤与瓦斯突出机理不明、煤矿进入深部开采造成煤层瓦斯赋存地质条件更加复杂、煤岩力学性质发生明显变化，突出矿井的开采方式及区域防突措施各异，以及矿井智能化开采的蓬勃发展，造成国内现有的水力化卸压增透技术和装备在工程应用中还存在诸多需要改进完善的的地方。

1）煤与瓦斯突出机理仍然有待进一步深入研究。国内外学者对煤与瓦斯突出机理的研究取得了丰硕的研究成果，但大多是在综合假说的基础上简化分析得到的，突出发生的条件、影响因素和发生、发展、演化过程仍需要深入研究。已有研究将煤的物理力学性质、地应力、瓦斯、温度等和突出条件割裂为多个因素未进行系统研究，导致各因素在煤与瓦斯突出中的作用阐述不清。深部的煤岩力学性质、破坏形式以及瓦斯赋存运移规律发生重大改变，造成研究成果主要为定性描述煤与瓦斯突出现象，不能确定主要影响因素及具体量化各因素的权重，影响防治煤与瓦斯突出措施的针对性和有效性。

2）深部煤岩体动力灾害孕育条件发生变化。进入深部开采后，突出煤层及围岩的物理性质、应力条件、瓦斯赋存等发生显著改变，围岩应力增大，煤岩体也经历了弹性变形破坏、脆塑性转变和大面积屈服等阶段，具有变形大和强流变性的特点，煤层瓦斯含量和瓦斯压力增加，开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大且呈突发性，煤与瓦斯突出灾害、冲击地压并存，甚至治理过程中出现相互转化。极高的地应力水平、瓦斯和突出煤体将导致深部围岩大范围塑性破坏并伴随大量级、大规模的强烈动力失稳，现有的防突技术措施已难以适用。

3）现有卸压增透措施难以满足智能化开采的要求。我国煤矿开采作业环境恶劣和开采条件危险，导致煤炭开采对机器替代人有天然的渴求。随着数字化、信息化、智能化技术、先进制造装备技术与煤炭开采的深度融合，使得煤矿实现智能化无人开采成为可能。2014 年以来，我国在薄煤层、中厚煤层、大采高及特厚煤层综放智能化开采技术与装备等方面取得了多项成果，但对于突出煤层而言，瓦斯治理仍需要煤矿工人井下打钻施工，煤层卸压增透措施需要煤矿工人近距离实际操作或者远程操作，卸压增透措施达到智能化开采需要时间长，不能满足智慧矿山和智能化开采的需求。

4）现有水力化卸压增透措施工程量大，瓦斯治理时间长。目前的综合水力化防突措施工程量巨大，施工工期长，需要充足的瓦斯治理时间；不同水力化措施都有各自的局限性，例如水力压裂作用范围大，但产生的裂隙仍较小，冲、割等技术增大了局部煤体孔隙、裂隙，但增大的范围仍显不足；缺乏水力化措施效果实时评估和评价手段，特别是水力压裂的压裂影响范围的边界仍缺乏有效手段进行准确测量。

3.2 水力化防治煤与瓦斯突出措施展望

1）进一步开展煤与瓦斯突出机理研究。进一步研究突出发生的条件、影响因素和发生、发展、演化过程，把煤的物理力学性质、地应力、瓦斯、温度和突出条件作为整体研究，明确各因素在突出中的作用机理。针对深部煤岩特点，研发大尺寸、大煤量的煤与瓦斯突出模拟装置，综合考虑地质构造、地应力、煤体强度、瓦斯含量及施工过程等影响因素下的不同煤质、不同矿区的突出现象进行定量模拟分析。

2）开展深部煤岩体复合动力灾害一体化技术研究。针对深部煤岩体复合动力灾害，需要同时治理煤与瓦斯突出、冲击地压灾害，开展深部煤岩体复合动力灾害预测研究，明确灾害类型，针对不同灾害类型，在采前、采中、采后的整个生产过程中采取有针对性的消减瓦斯内能和释放煤岩弹性能措施，根本上实现复合动力灾害的一体化防治。

3）开展智能化水力卸压增透技术及装备研究。随着我国智慧矿山、智能化采煤工作面如火如荼的建设，加强水力化卸压增透技术及装备与数字化、信息化、智能化技术、先进制造的深度融合，使得智能化水力卸压增透成为可能。对于突出煤层而言，研制智能化钻机，能够实现各种钻孔的无人化、智能化施工；研发新的卸压增透技术或者对现有的水力化煤层卸压增透措施进行改造实现无人化、智能化卸压增透，降低瓦斯治理时间，满足智慧矿山和智能化开采的需求。