石门揭煤局部防突措施研究进展及展望

2024-02-12梁跃辉石必明岳基伟

煤矿安全 2024年1期

梁跃辉，石必明，岳基伟 ,2，王成，胡涛

（1.安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽淮南 232001；2.煤矿深井开采灾害防治技术科技研发平台（安徽理工大学），安徽淮南 232001）

随着我国煤矿进入深部开采阶段，工作面瓦斯突出防治面临着前所未有的挑战。据统计，石门揭煤突出的平均强度至少是其他突出的6 倍，超过80% 的特大型突出事故发生在石门揭煤过程[1]，快速、有效地完成石门揭煤防突是我国目前面临的1 个卡脖子难题。突出煤层以III～V 类构造煤为主，其具有地质结构形态复杂、层理紊乱、力学性质差、渗透率低等特点，突出可造成大量瓦斯逆流达数千米[2]，较容易发生瓦斯爆炸，造成大量的人员和财产损失，给整个矿井系统带来巨大的灾难。因此，快速、高效、安全揭开突出煤层对当前煤矿安全生产工作具有重要意义。

石门揭煤中传统的局部防突措施包括钻孔抽采瓦斯、钻孔排放瓦斯、水力化措施、金属骨架、煤体固化、深孔预裂爆破等，侧重于降低煤层储能，对提高煤体强度的关注程度不够。因此，在降低煤层储能同时提高煤体强度是石门揭煤防突工作的关键一环。近年来，瓦斯防突领域中涌现出一些新的技术和思路，如液态CO2相变致裂、高压脉冲放电、低温冷冻等。

随着人工智能、云计算、物联网等技术的飞速发展，煤矿安全生产也进入了智能化发展的新阶段。王国法等[3]设计了“井上智能决策、井下自动执行、面内无人作业”的智能无人开采模式，应用于黄陵一矿，实现了采煤机自行运转、人员辅助控制的常态化生产；魏连江等[4]开发了矿井智能通风与应急决策平台，在羊场湾煤矿、付村煤矿和转龙湾煤矿进行应用，实现了矿井通风网络实时解算与异常智能诊断、应急调控及灾情研判。智能化技术能够在煤矿开采过程中提高作业效率，同时减少资源浪费，实现安全高效生产。因此，智能化防突技术是石门揭煤防突工作进一步发展的必经之路。

由于煤层储能及煤体力学性质是影响煤与瓦斯突出的主要因素，基于石门揭煤局部防突领域的研究现状及不足；为此，结合智能化技术，提出“智能钻-抽-注”一体化措施，实现“一孔多功能”，完成快速、安全石门揭煤的目标。

1 石门揭煤局部防突图谱分析

1.1 研究热点图谱分析

为了全面分析我国石门揭煤局部防突的研究发展，依托中国知网数据库高级检索功能，选择主题“石门揭煤”和“防突”或“消突”进行扩展检索，查询得到1993 年至2023 年间的4 827 篇文献。经人工筛查和去重，将3 610 篇有效文献数据导入CiteSpace 软件中生成研究热点及趋势图谱进行分析[5]。

借助CiteSpace 软件对所选文献的关键词进行汇总，进而得到石门揭煤局部防突的关键词聚类，分析研究热点及不同热点间的联系。关键词聚类分析图如图1。

图1 关键词聚类分析图Fig.1 Keywords clustering graph

关键词聚类图谱由聚类和节点组成，借助共被引耦合分析提取词汇[6]，需将聚类标签设置为“Keyword”，以聚类图谱形式展出。研究分析产出的关键词聚类图谱中，共有436 个节点，950 条连线。其节点间的连线表明2 个关键词之间存在联系，可反映石门揭煤局部防突的详细信息，检测研究该领域关键词的产生和发展情况。依据研究主题对聚类标签进行相关性筛选，选取聚类强度前10 名的聚类标签进行呈现[7]。聚类#0 位于图谱的中间部分，是该聚类团体的核心，同时也是瓦斯防突领域中主要的研究对象。

运用LLR 算法对关键词聚类标签进行提取，得出聚类模块值Q为0.571 3，平均轮廓值S为0.770 4，调和平均值为0.656 1。经核验，上述参数均在合理区间（Q＞0.3，S＞0.7）内，呈现出的聚类结果准确且效果显著。为保证图谱的清晰度，选取节点数量在40 以上的聚类进行呈现。聚类排序靠前则表示聚类的范围广，所涉及的文献数量就越多，是重点研究的主题。由图1 可知，绝大部分聚类的结果存在重叠，但重叠区域的大小不一，体现出石门揭煤局部防突各技术方法间虽有差异，但联系紧密且主题集中。

通过对聚类的分析整理，获得石门揭煤局部防突工作中主要的技术手段为抽采瓦斯、排放瓦斯、水力化措施、金属骨架、煤体固化、深孔预裂爆破、液态CO2相变致裂、高压脉冲放电、低温冷冻，共计9 种技术方法。其中，抽采瓦斯、排放瓦斯、水力化措施在该领域的文献中出现频率最高，是消除煤与瓦斯突出的重要技术手段。液态CO2相变致裂、高压脉冲放电、低温冷冻的关键词显现频率相对较低，但为石门揭煤局部防突工作提供了新的选择，同时为现代科研工作者提供了新的研究思路和目标。

1.2 研究进展图谱分析

借助关键词聚类分析图谱，锁定了该领域研究的热点即主要防突措施，对上述文献数据形成的关键词时空分布图谱进行分析，进而展开该领域研究进展的可视化分析[8]。关键词时区分布图如图2。

图2 关键词时区分布图Fig.2 Timezone distribution of keywords

梳理出7 个主要时区，486 个节点，944 个连线，密度为0.008。为便于观察1993 年至2023 年行业热点的发展情况，利用节点大小代替领域内热点词出现频率[9]，更加清楚地体现了石门揭煤局部防突领域在各个时期内研究热点的演变规律。该领域高频关键词和突现词主要集中在石门揭煤、抽采瓦斯、排放瓦斯以及水力化措施4 个聚类。

石门揭煤时区轴中部的高频关键词数目最多，初始年份集中于1993 年至2000 年，包括有瓦斯防治、低透气性、防突措施等高频关键词，表明了该期间内石门揭煤方面的研究热点的具体信息。1995 年至2010 年关键词聚类和连线数目最多，表明研究活动频繁，为石门揭煤局部防突领域发展的高潮期，该时段也是我国煤炭行业发展的黄金期。

聚类#1 抽采瓦斯的时区分布轴线中，显现的高频关键词主要有瓦斯含量、钻孔抽采和地面井；在聚类#2 排放瓦斯方面的关注重点主要包括低透气性、消突、以孔代巷等；在聚类#3 水力化措施的时区分布轴线上，突现词的节点较小，初始年份较晚，水力割缝于2000 年以后研究较多，水力造穴在2015 年以后受到更多的关注；上述2 点是水力化措施在这5 年内的研究热点，有关学者对此讨论和探究较为活跃；图中聚类#7、#8 出现的高频关键词较少，由于其起步相对较晚，仍有很大的研究及发展空间；聚类#9 低温冷冻自2005 年后被提出，引用频率较少，表明该技术具有很大的探索和发展前景。

2 石门揭煤局部防突措施现状

2.1 钻孔抽采瓦斯

预抽瓦斯是在开采煤层或掘进前，突出危险性煤层中施工若干钻孔，随后进行封孔，借助瓦斯抽采泵运行产生的负压，通过管路系统将瓦斯抽出[10]。钻孔抽采瓦斯示意图如图3。

图3 钻孔抽采瓦斯示意图Fig.3 Diagram of drilling for gas extraction

经过数月的抽放瓦斯，使得揭煤区域内的瓦斯含量和瓦斯压力降低，瓦斯潜能得到减缓，突出煤层的煤体弹性模量增大，产生收缩变形[11]，石门工作面应力集中向远处推移，煤层透气性系数增大，从而使突出危险性减弱或消除。

其中，钻孔的有效抽放半径、预抽时间、抽采负压根据煤层的实际赋存条件而定[12]。钻孔直径通常为75～120 mm，工作面四周控制范围：下方至少3 m，其他部位至少5 m[13]。

2.2 钻孔排放瓦斯

排放钻孔与外界相通，通常认为排放钻孔内瓦斯压力为0.1 MPa，突出煤层内的瓦斯压力较大且内部由远及近的瓦斯压力梯度较大[14]，因此煤层内瓦斯源源不断地通过钻孔逸散。钻孔影响区域内瓦斯含量下降后，钻孔周围应力重新分布，使得煤层趋于稳定[15]，即有效减弱或控制了突出危险性。

钻孔排放瓦斯是在井下气压的环境下，通过一定尺寸的钻孔排放瓦斯，不需要外部动力源。在减小突出危险性方面与钻孔抽采瓦斯作用机理相似，通过降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量，降低煤与瓦斯突出的储能。

2.3 水力化措施

水力化措施主要包括水力压裂、水力冲孔、水射流割缝、水射流扩孔等，该类技术破碎煤体后形成自由面，为煤体提供变形空间，从而实现对煤层的卸压增透[16]。水力冲孔示意图如图4。

图4 水力冲孔示意图Fig.4 Diagram of hydraulic punching

康向涛等[17]探究了多煤层联合水压裂缝扩展规律，通过注射高压水致裂煤体，促进裂隙发育，从而提高透气性，使得揭煤时间缩短43 d，平均瓦斯抽采体积分数提高了83%；LI[18]分析了煤层物性对水力冲孔治理瓦斯效果的影响，在赵庄煤矿进行工业化实验后发现，通过增加冲孔压力可以显著提高冲孔效率；程波等[19]基于超高压水力割缝设备，将水力割缝技术与高瓦斯煤层掘进有机结合，并在潞安一缘煤矿应用，试验发现瓦斯抽采量提高2.36～2.4 倍，日进尺量提高近2.5 倍；李生舟等[20]在桑树坪煤矿开展水射流扩孔卸压试验发现抽采钻孔瓦斯流量衰减系数降低65%～74%，自然瓦斯涌出流量提高了2～3 倍。

上述水力化措施造成钻孔周围应力发生突变，依据瓦斯渗流-扩散理论，煤层瓦斯存在渗透和扩散的混合流动过程[21]，煤层内部瓦斯流动状态得到改善，吸附态转化为游离态的瓦斯量增加，瓦斯潜能获得释放。

2.4 金属骨架

当石门工作面距突出危险煤层一定距离时，在石门上部和两帮外0.5～1.0 m 范围布置钻孔。硬煤骨架钻孔间距在0.3 m 以内，软煤骨架钻孔间距应小于0.2 m[22]。钻孔穿过煤层至岩层0.5 m 时终止，孔间距通常为0.2 m 左右，终孔应穿透整个煤层并穿透突出危险性煤层顶板应大于0.5 m。装入骨架后，向孔内灌注水泥砂浆等固化材料，增加孔内骨架与煤体的黏结性。金属骨架示意图如图5。

图5 金属骨架示意图Fig.5 Diagram of metal skeleton

通常石门可以从顶板或底板揭煤，但在底板揭煤过程中，顶板煤体容易松动，易发生掉顶、冒顶事故[23]。从而给顶板的管理带来了困难，使得巷道掘进速度缓慢、成型率低，易造成瓦斯超限或煤与瓦斯突出。此时，金属骨架被作用的压力远远大于骨架的强度，导致骨架会向巷道方向变形，致使金属骨架达到受力平衡。

超前锚杆是主动管理顶底板的工具，锚杆支护具有加固拱、悬吊、减小跨度、组合梁、围岩补强等作用[24]。通常用超前锚杆作金属骨架，其加固作用、悬吊作用和组合梁作用能够将待掘巷道与围岩分离开，从而增加井壁煤体抗压强度[25]，减少抽冒事故发生。

2.5 煤体固化

煤是一种双重孔隙介质[26]。因此，向煤体中高压注入性能适宜的固化剂，能够填充煤体的孔隙、裂隙结构，使得煤体发生固化。煤体固化后产生的效果如下：①固化液脱水固化，煤层内裂隙、孔隙得到充填，使得孔隙率大幅度降低[27]，煤体内吸附态瓦斯较难转化为游离态瓦斯，使瓦斯放散初速度降低[28]，减少了远距离瓦斯向揭煤区域的流动，抑制煤与瓦斯失稳后瓦斯膨胀能向动能的转化[29]；②煤体与岩石交界处黏结形成整体，弹塑性、脆性、韧性提高，避免了煤岩交界面的围岩应力间断，提高了煤体的内黏结力、内摩擦角及弹性模量，使得煤与瓦斯突出阻力增大，降低揭煤时突出危险性[30-32]。

刘明等[33]分析了不同煤体强度及注浆压力下的固化效果和浆液在煤层中的扩散形态，现场注浆发现顶底板移近量最大为95 mm，两帮移近量最大为146 mm，注浆后围岩变形不大，在支护材料承受极限内，有效提高了煤层巷道的稳定性。

2.6 深孔预裂爆破

深孔预裂爆破对低透气性煤层作用效果显著，爆破后可产生和扩展裂隙[34]。在煤体中施工爆破孔，借助药柱爆炸瞬间产生的爆炸应力波和爆生气体，使煤体破裂和松动，在爆破孔周围形成裂隙网[35]，使煤层透气性提高，卸压瓦斯大量逸散，煤体和围岩中的瓦斯膨胀能和潜能得到释放。

应力波自煤体内部传播到控制孔时，应力波方向拉伸，介质质点产生径向位移。当介质抗拉强度小于切向拉伸应力时，径向裂隙会随应力波向前传播而扩展，直至爆炸应力波全部衰减到介质抗拉强度以下，裂隙停止发展。由于介质抗压强度远小于爆炸应力波所产生的压力，因此爆破孔附近介质被压缩和粉碎，形成压缩粉碎区域，介质的破碎也消耗了大部分能量[36-38]。

爆生气体随着应力波向前传播的同时自身发生膨胀，产生准静态应力场。由于爆生气体的尖劈作用，楔入已张开的裂隙中，使裂隙不断扩展，进而在炮孔周围形成环向裂隙[39-40]。

2.7 液态CO2 相变致裂

液态CO2相变致裂设备主要由加热管、储液管、注液阀、定压泄能片和释放管组成，携带轻便，操作安全便捷。通过加热储液管，让液态CO2在短时间内吸收大量热能，体积迅速膨胀约600 倍，所产生的高压气体透过排放孔迅速向外喷出，强大的冲击力破坏外围煤岩体。劈裂煤体形成新生裂隙，并进一步膨胀从而扩展和延伸原始裂隙，形成压缩粉碎区和裂隙，达到煤层致裂效果，实现卸压增透目的。

苏伟伟[41]在钻孔抽采瓦斯后实施液态CO2相变致裂，钻孔平均抽采瓦斯浓度提升22.4%，每日单孔平均抽采量增加约1.4 倍，抽采率达到48.16%，缩短抽采时间为43%；韦善阳等[42]在金佳煤矿进行CO2相变致裂现场试验，发现运用在穿层孔的效果要优于顺层孔，在钻孔瓦斯抽采的基础上减少煤层瓦斯含量6%～12%，减少煤层瓦斯压力9%～12%。

2.8 高压脉冲放电

高压脉冲放电技术已在油气开采中广泛应用，同样在石门揭煤局部防突中也具有广阔的应用前景。主要利用高压脉冲放电产生的液电效应，形成高压脉冲水激波，作用于煤体在孔裂隙发育区域、矿物质和煤基质的交界面处形成裂隙，使得煤体瓦斯运移空间增大且流动阻力降低，从而增加煤层渗透性。通常与水力压裂组合使用，具有无污染、可控性高及增透范围广等优势。

冯仁俊[43]在逢春煤矿开展试验，发现高压脉冲渗透技术的影响范围比常规压裂提高约33%；时亚军等[44]将该技术在首山一矿应用，使得排放钻孔数目减少44.4%，揭煤周期缩短了35.9%。

2.9 低温冷冻

2.9.1 低温冷冻方法

低温冷冻分为直接和间接2 种方法，在井下应用过程中，对于煤层含水率、制冷设备及管路材质存在一定要求。间接冻结法用氨压缩盐溶液，作为冷媒介在埋设的管道中流动，吸收煤层热量，不断循环制冷直至冻结。而直接冻结法无需循环制冷，利用液氮自身的相变冻结待揭的突出危险煤层，相对于间接法具有冷冻速度快、效率高、无污染、冻结强度高等特点。液氮冻结内部示意图如图6。

图6 液氮冻结内部示意图Fig.6 Diagram of liquid nitrogen freezing inside

基于石门揭煤过程，冯涛等[45]、谢雄刚[46]对冻结温度场和注液冻结作用进行了实验研究和可行性论证，借助ANSYS 数值模拟和RFPA2D分析软件对冻结煤层瓦斯突出过程进行了模拟研究；翟成等[47]、周震等[48]采用核磁共振技术测试分析了低温冷冻石门揭煤过程煤样中未冻结水分的变化，利用温度测量、红外热成像、单轴压缩分析冻结情况下的煤样温度和应力随时间变化的特征。

2.9.2 冷冻煤体力学性能

为探究低温冷冻对煤体力学性质的影响，测试了不同温度、不同含水率（5%、10%、15%）下冷冻煤体抗拉强度、抗压强度和弹性模量的变化[49]，从而验证低温冷冻技术对于石门揭煤局部防突工作的有效性。不同温度下煤体力学性能变化如图7。

图7 不同温度下煤体力学性能变化Fig.7 Variation of mechanical properties of coal bodies at different temperatures

在0 ℃以下，煤体抗拉强度随着温度的降低呈线性增长。并且随着煤体含水率的增加，抗拉强度的变化越明显。例如，冷冻温度为-30 ℃时，水分含量5%、10%、15%对应条件下的抗拉强度分别提高了32%、46%、62%。

通过煤样在不同冷冻温度下的单轴抗压强度测试可知，当温度低于0 ℃时，抗压强度随着温度的降低而线性增加。由于煤体裂隙中的水分子在冻结时有效地黏合了煤基，因此含水量越大，胶结效果越好。煤和水被冻结成一个整体，抗压强度显著提升。

冷冻煤体的弹性模量与抗压强度的变化趋势相似。即冷冻温度越低，弹性模量越大。例如，当冻结温度达-30 ℃时，含水量5%、10%、15%对应的煤体弹性模量增幅达25%、26%、34%。

2.9.3 冷冻煤体吸附性能

在恒温条件下，开展冷冻煤体的高压等温吸附试验[50]，分析低温冷冻对煤体吸附性能的影响。不同温度下煤体吸附瓦斯量变化如图8。

图8 不同温度下煤体吸附瓦斯量变化Fig.8 Adsorption isotherm at different temperatures

温度对煤体瓦斯吸附曲线影响明显，即温度越低，煤体吸附瓦斯量越大。当温度保持恒定时，煤体的吸附瓦斯能力伴随瓦斯压力的升高而增大，当瓦斯压力升到阈值时，煤体吸附能力趋于饱和，随后其吸附量不再随瓦斯压力的增大而增加。

由于温度对煤体吸附具有活化作用，温度越低，煤体吸附瓦斯的能力越高，游离态瓦斯则越少。故当瓦斯压力一定时，随着温度的降低，煤体瓦斯吸附量呈上升趋势。

2.9.4 冷冻煤体瓦斯压力

为分析低温冷冻对煤体瓦斯压力的影响，在相同初始温度（20 ℃）和吸附平衡压力（1.7 MPa）下，测试不同含水率煤体在不同温度下的吸附平衡压力变化[49]。不同温度下煤体瓦斯压力变化如图9。

图9 不同温度下煤体瓦斯压力变化Fig.9 Changes of gas pressure in coal body at different temperatures

随着温度的降低，煤样罐中的瓦斯压力迅速下降；而在同一温度下，煤体含水量越小，瓦斯压力越低。表明低温冷冻不仅能增强煤体吸附性能（即吸附瓦斯量增加），还能降低游离瓦斯压力。由于水分子在煤体中占据一部分吸附位点，而煤体含水量越大，残留的吸附位点越少。因此，当煤体含水率较高时，瓦斯吸附能力下降，游离瓦斯压力也相对较大。

2.9.5 低温冷冻技术特点及适用性

低温冷冻在石门揭煤防突方面的作用如下：①冻结后煤体的抗拉强度、抗压强度、弹性模量增大即煤层的力学性能增强；②随着温度降低，煤体吸附瓦斯的能力越高，游离态瓦斯减少；③冻结后的煤层瓦斯压力降低；④冻结温度达阈值时，卸压带强度和宽度能够阻止煤体内部积聚的弹性潜能和瓦斯膨胀能释放，降低突出危险性。

依据煤与瓦斯突出机理，煤与瓦斯突出是煤层储能失稳并突破煤体抵抗能力的结果，因此局部防突工作需从能量和强度2 方面的影响机制开展研究。通过上述防突措施现状及对比分析，发现当前石门揭煤局部防突措施主要通过降低煤层储能达到防突目的，对于提高煤体强度方面的兼顾性不足。而低温冷冻技术具有降低煤层储能、提高煤体强度的双重功效，该技术已广泛应用于含流沙地层、破碎地层等特殊条件下的井筒开凿和巷道开挖。其冷冻凿井过程对石门揭煤中煤与瓦斯突出防治工作具有一定参考价值。含瓦斯煤体是具有“气-液-固耦合”特征的非常规岩体，利用低温冷冻技术进行局部防突将具有特殊性。

在石门揭煤局部防突工作中，传统防突措施需耗时近10 个月，特别是对于松软煤层，施工成本较高。而低温冷冻技术在可以2 个月左右实现冻结[49]，能快速安全地进行石门揭煤，产生了极大的间接经济效益。相对于传统防突措施，该技术工程量小、施工难度低，不产生有毒、有害气体，具备更高的经济性及安全性。因此，将该技术应用于低透气性或深部开采的石门揭煤瓦斯突出工作面，对于减少煤矿瓦斯灾害事故具有重要的作用。

石门揭煤局部防突措施对比分析见表1。

表1 石门揭煤局部防突措施对比分析表Table 1 Comparative analysis table of local outburst prevention measures of rock cross-cut coal uncovering

3 当前存在的不足

3.1 钻孔抽采与排放瓦斯

1）对透气性系数低和高地应力的煤层适用效果较差、工程量大、抽排时间长，需要提前进行施工，容易造成采掘接替紧张。

2）虽然钻孔抽采量随时间增大，但变化率是降低的，预抽时间达到特定值时，会达到动态平衡，进而累计抽采量不再增大，因此瓦斯抽采具有时效性和空间性。

3）该类措施会对煤体造成一定程度的破坏，瓦斯潜能虽然得到释放，但煤体强度的降低也会影响煤体对突出的抵抗作用。

3.2 水力化措施

1）水力冲孔为下向孔时，煤渣要克服自身的重力排出钻孔，水力化措施适用效果较差，同时对于立井揭煤工作面不宜采用水力冲孔。

2）在水射流割缝、水力扩孔破煤及自激振荡脉冲水射流割缝的过程中，当煤屑脱离煤体时，煤体与煤屑的接触面会产生吸附态的瓦斯解吸。

3）水力压裂后留在孔内的钢管影响后期采掘作业，在水力压裂控制范围内很难保证煤体均匀卸压且不留空白带。

4）实施水力化措施后，钻孔周围煤体强度会降低，虽然瓦斯潜能得到释放，但未考虑煤体抗压强度的影响。

3.3 金属骨架

1）金属骨架间接提高了煤岩支撑稳定性，但未从地应力、瓦斯压力、煤体的力学性质方面消除煤与瓦斯突出的危险性。

2）对于厚度超过4 m 的煤层，金属骨架容易失去稳定性。

3）施工过程中常出现塌孔，使得安装骨架材料过程缓慢。

4）对于缓倾斜煤层，金属骨架所受到的应力较大，造成使用效果较差。

3.4 煤体固化

1）固化液选取、配比过程较为繁琐，并且注入过程中需要其它辅助设备同时运行，否则瓦斯不能得到有效排放。

2）注入的浆体在钻孔内分布可能不均匀，使得固化效果降低。

3）若揭煤工期延长，固化部分反而会使钻孔周围瓦斯流动、排放受阻，造成煤层内部瓦斯压力升高，突出危险程度增大。

3.5 深孔预裂爆破

1）爆破后会对巷道围岩造成一定程度的破坏，为避免冒顶事故，往往选择短循环掘进，这又将延长揭煤工期。

2）爆破所需炸药较难获得，同时为井下安全管理工作增加了难度。

3）该类措施对钻孔参数和施工工艺要求程度高，若煤体松软，钻孔施工存在困难，即使成孔也存在塌孔的风险。

4）深孔预裂爆破依托一定厚度的保安岩柱，若被破坏或稳定性不足，将会引发巷道误揭煤层，诱导突出事故的发生。

3.6 液态CO2 相变致裂

1）加热管属于公安管制用品，尚无明确的安全标准进行规范管理，施工成本较高。

2）在瓦斯压力、地应力以及煤岩坚固性系数等多因素影响下，增透范围和强度不及炸药，较难实现定向增透。

3）布孔参数设置尚无明确依据，相变致裂后煤层抽采有效半径与预抽时间的关系及影响规律有待进一步研究。

3.7 高压脉冲放电

1）常用的电源装置体积较大，若将电源置于井上，又存在一定的能量损耗问题。因此，亟需研发高储能密度的电容应用于井下有限空间作业。

2）实验装置在运行过程中，往往出现强烈电磁干扰，存在电流、电压突变和烧蚀电极等问题。结合井下环境，研制导电性能好、抗烧蚀的电极是亟须解决的技术难题。

3）煤岩围压对裂缝起裂和扩展有抑制作用。液相介质及煤岩的导电率同样对高压脉冲放电致裂效果存在影响，需进一步探索。

3.8 低温冷冻

1）当前冷冻煤体力学性能的相关研究中缺少对含瓦斯煤体的分析与探究。

2）当煤层中积聚的能量超过煤体承载能力时，可能会发生煤与瓦斯突出，而低温冷冻会引起含瓦斯煤体能量的重新分布，其影响规律仍需进一步研究。

3）根据煤层赋存条件，要消除石门揭煤的突出危险性，冻结液的用量需要进行精密的计算，并对井下制备及存储工作存在考验。

4）由于冻结液的消耗速度快，需人工配合注料，难以实现长时间不间断注入。

4 石门揭煤局部防突措施展望

4.1 低温冷冻研究展望

石门揭煤过程是一项危险性较高的生产工序，传统防突措施往往具有较大的动力过程，对煤体存在一定程度的扰动，存在诱导突出的隐患。近年来，瓦斯防突领域中涌现出如液态CO2相变致裂、高压脉冲放电等防突新技术，侧重于降低煤层储能，未能同时考虑提高煤体强度。仍需进一步加强相关理论研究，并尝试将传统防突措施中的优势与新兴技术有机结合，从而有效推进石门揭煤局部防突措施发展。

通过建立多物理场耦合模型、理论分析、工程实践验证3 方面相结合，为低温冷冻技术在石门揭煤局部防突中的应用提供理论依据。

围绕低温冷冻条件下含瓦斯煤体强度和煤层储能的变化，从以下6 个方面展开研究：①瓦斯、水、煤层冻结后形成冻结体，冻结后含瓦斯煤层的力学性能；②石门揭煤工作面冷冻过程中温度场演化规律；③岩石与煤层之间的热传导特性研究；④在深低温环境下冻结管材料的选择；⑤在保证冻结效果和安全、快速揭露冻结煤层下，冷冻液用量方面的研究；⑥将数值模拟、理论分析结果与石门揭煤工程实践相互验证，修正和完善模型参数。

4.2 智能液氮冻结系统

当前低温冷冻技术存在井下防突信息反馈时效性差、人为操作失误等不足。因此，构建智能液氮冻结系统提升石门揭煤的信息化、可视化、安全化水平，是其局部防突技术升级的重要一步。

基于智能化技术，以实现系统本质安全为目标，建立合理可行的智能“人-机-环”系统，有效发挥操作人员的主体作用，为石门揭煤创造安全、经济、高效的作业条件。在石门和关键点位安装信号基站，利用井下管网，构建“井下钻抽注→传感器监测→服务器调控→地面监控及预警”，实现地面与井下间信息互联互通，为煤层信息监测和局部防突工作提供技术保障。

为实现快速、安全揭开突出危险性煤层的目标，该系统设计构建“防突数据实时监控”和“智能钻-抽-注”2 大功能模块。将瓦斯抽采技术与低温冷冻技术有效融合，实时监测和分析石门揭煤过程的煤层瓦斯动态，通过信号基站及局域网络进行监控及响应，实现精准防突。智能液氮冻结系统构架图如图10。