盧義玉，黃 杉，葛兆龍，周 哲，劉文川，管婭蕊

(1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2.重慶大學 復雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400044；3.重慶大學 資源與安全學院，重慶 400044)

2021年，我國煤炭消費量占一次能源消費量比例56.0%，煤炭作為主體能源將繼續(xù)承擔國家能源安全和經(jīng)濟持續(xù)、健康發(fā)展的重任。2021全國能源工作會議定調(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，我國煤層條件復雜，具有低滲透性(<0.001×10m)、高瓦斯壓力(高達6.5 MPa)、煤質(zhì)松軟(<0.5)、構造發(fā)育等特點，且瓦斯在煤層中以吸附態(tài)為主要賦存形式，占80%～90%。隨著我國煤炭開采逐漸向深處進軍，煤與瓦斯突出風險性不斷增加，嚴重制約著煤炭安全高效開采。如何解決新形勢下煤層安全、高效增透問題，對推動我國煤炭產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展、保障國家能源安全具有重大戰(zhàn)略意義。

過去20 a以來，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因其清潔、高效等特點，逐漸成為了煤儲層卸壓增透、強化瓦斯抽采的主要技術方法，相關論文數(shù)量逐年增加，技術現(xiàn)場應用效果顯著(圖1)。根據(jù)增透機理，水力化措施可以大體分為2類：一類是增壓類，即水力壓裂，以注入高壓水的方式致裂煤體，促進裂隙發(fā)育，增加透氣性；一類是卸壓類，包括水力沖孔、水射流割縫、水射流擴孔、水力疏松、水力掏槽等多種技術，此類技術利用高壓水射流技術破碎煤體，形成自由面，為煤體提供變形空間，通過卸壓的方式增透煤層。水射流技術起源于采礦業(yè)，隨著近年技術裝備精進，經(jīng)過現(xiàn)場探索實驗、高壓裝備研發(fā)、理論及工藝迭代、技術多樣化與智能化、精準化5個階段的發(fā)展，已發(fā)展為一種技術門類齊全、應用范圍廣、能量轉化率高且清潔的實用技術，在我國強化煤層瓦斯開采領域取得了豐碩的現(xiàn)場應用成果，是煤層增透強化瓦斯抽采的有效途徑。基于此，筆者梳理了我國水射流技術卸壓增透煤層研究歷程及最新進展，提出了未來水射流強化瓦斯開發(fā)理論與技術重點發(fā)展趨勢以及展望。

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

1 水射流煤層增透理論與技術進展

20世紀初，蘇聯(lián)和中國將水射流技術應用于采煤。隨著近年來各國學者對各種射流理論及其應用技術的深入研究，空化射流、磨料射流等技術得到了進一步發(fā)展，高壓水射流技術的應用由單純的采礦工業(yè)擴大到冶金、航空等眾多領域。水射流在沖擊破碎巖石材料的過程中具有高效、清潔、低熱和低振動等特點。高速水射流到達巖石表面時首先產(chǎn)生水錘壓力，使巖石破碎，萌生剪切裂隙。同時，抗拉強度較低的巖體在拉應力作用下產(chǎn)生大量拉裂紋。此后，由于滯止壓力的持續(xù)作用，巖石進一步破碎剝落，形成沖蝕坑。水射流破巖具有脆性巖石應變率大、噴嘴結構敏感性高、破碎模式及機制復雜等特點，導致學界很難精確表征水射流破巖的內(nèi)在機理與真實物理過程，從而嚴重制約了水射流破巖技術的發(fā)展。近幾十年來，許多學者對高壓水射流破碎煤巖體的機理進行了多角度的解釋和論證，形成了一系列經(jīng)典理論，促進了高壓水射流技術的創(chuàng)新和發(fā)展。

1.1 水射流破巖理論

準靜態(tài)彈性破碎理論：運用彈性力學判斷巖石的破壞，揭示了靜態(tài)沖擊力與射流滯止壓力的關系，認為當射流產(chǎn)生的應力大于巖石強度時，巖石將發(fā)生破壞。其中，較有代表性、認可度較廣的理論為密實核-劈拉破巖理論(圖2(a))：將射流破碎巖體的過程視作剛體以一定的速度壓入半無限體空間，隨著高壓射流的持續(xù)作用，高壓水在裂隙尖端產(chǎn)生應力集中，當水射流達到峰值壓力時開始發(fā)生破壞。隨著流體動能的增大，裂紋不斷向深部延伸直至貫穿整個試件。在斷口的頂端，巖粉快速熔合、穿透并最終擴展到?jīng)_擊接觸面，被剝離形成一個致密的巖心，作為射流和巖體之間的“巖墊”，并沿著自由面方向致裂巖石。應力波破碎理論(圖2(b),(c))：認為水射流沖擊作用下，巖石內(nèi)部所產(chǎn)生的應力波在巖石破壞行為中占有主導地位。受高壓水射流形成的強壓縮波影響，巖體的沖擊區(qū)處于絕對壓力下，液滴接觸巖石表面時，徑向向外流動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烈的徑向拉力，當拉力值超過巖石的破裂強度時就會產(chǎn)生裂紋。拉伸-水楔破碎理論(圖2(c))：認為巖體中發(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，導致裂隙逐漸變大并加速擴展。因裂縫的形成過程類似于嵌入煤體中的剛性楔子，因此稱之為拉伸-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)實際中的一些現(xiàn)象，得到了許多學者的認同。空化(氣蝕)破碎理論：認為水射流中存在大量氣泡，當它們沖擊到煤體表面時，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理

相比于其他儲層巖石來說，煤巖非均質(zhì)性高，具有雙重孔裂隙結構、低強度、低彈性模量和高泊松比的特點。其力學性質(zhì)、巖體結構、水射流沖擊下的斷裂機制均不同于砂巖和頁巖。CAO等以砂巖、頁巖和煤等典型儲層巖石樣品進行了超高壓水射流(UHP-WJ)沖擊破碎實驗。分析了UHP-WJ沖擊后巖石的損傷機制，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)為單個垂直裂紋的破壞特征。煤巖具有應力波效應和水楔效應雙重斷裂特征，破碎塊大小介于砂巖和頁巖之間。在水楔效應作用下，煤中孔轉化為大孔和裂縫，導致中孔減少，大孔增加。穆朝民等基于Bridgman方程以及J-H-C本構模型，數(shù)值模擬了高壓水射流沖擊煤體破壞過程。通過分析各影響因子與損傷程度之間的關系得到了各個參數(shù)變化時損傷破壞情況及相應的變化規(guī)律。研究結果對于進一步認識煤巖體變形規(guī)律具有一定意義。結果表明，壓縮應力波和拉伸應力波共同作用是高壓水射流沖擊破壞煤巖的主要因素。葛兆龍等開展了連續(xù)高壓水射流沖擊作用下不同儲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，不同于頁巖(應力波破壞為主)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角度揭示了水射流破巖機理，但受制于研究測試手段和設備的制約，無法全面捕捉?jīng)_擊破碎過程，且儲層巖石自身組構和物理力學特性差異大，響應機制不盡相同，亟待開展深入的、針對性強的水射流沖擊破巖理論研究

1.2 水力沖孔

1.2.1 增透機理

水力沖孔通過高壓水射流破壞孔壁周圍煤體，在鉆孔內(nèi)誘導小型突出，利用水流沖出煤體所產(chǎn)生的空間，使煤體應力得以釋放，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題。該方法射流壓力較低，流量較大，可以排出軟煤層沖孔過程中的大量落煤，是一種較為適合松軟煤層的卸壓增透手段。

圖3 水力沖孔卸壓機理及效果

1.2.2 發(fā)展歷程

國際社會對水力沖孔的研究始于20世紀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卸壓槽的防突措施水力沖孔技術。20世紀80年代，美國圣胡安盆地煤層氣開發(fā)工程現(xiàn)場首次開展了水力沖孔應用，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。我國水力沖孔研究起步較早，1958年重慶南桐礦務局率先開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，對沖孔工藝、設備和系統(tǒng)及效果檢測方法作了初步總結。此后，水力沖孔技術逐步在全國范圍得到推廣。

1.2.3 研究進展

20世紀60年代以來，國內(nèi)諸多學者針對水力沖孔后孔周應力狀態(tài)變化、微觀孔隙結構演化，水力沖孔形態(tài)特征、有效抽采半徑(圖3(c))等問題開展了研究。水力沖孔技術在我國經(jīng)歷了60余年的應用和發(fā)展，在松軟煤層瓦斯突出治理中取得了諸多階段性成果。王恩元等開展了沖孔區(qū)域地應力場、滲流場同步監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)卸區(qū)半徑是沖孔孔洞等效半徑的10倍多。寶坤等對沖孔周圍煤體的應力、位移場分布規(guī)律進行數(shù)值模擬研究，分析了沖煤量對周圍煤體應力和位移變化的影響。王峰等在某煤礦底板回風巷開展水力沖孔試驗，結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，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)場鉆孔布置成本。袁德鑄等針對現(xiàn)場應用水力沖孔增透措施后瓦斯抽采方面存在的問題及對煤巷掘進產(chǎn)生的影響進行分析，探討了水力沖孔增透合理沖孔煤量的確定方法。許江等開展不同沖孔轉速下的水力沖孔物理模擬試驗，對孔洞形態(tài)、氣體壓力、沖出煤量等關鍵參數(shù)進行了探討。

1.2.4 現(xiàn)場應用

譚東升等在某煤礦底抽巷開展現(xiàn)場試驗，并進行了沖孔與割縫卸壓增透對比試驗。結果表明，沖孔后施工時間比水力割縫減少了26.7%。劉英振等在某煤礦現(xiàn)場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施水力沖孔試驗，卸壓增透半徑最高達到5 m，相比提升至2.0倍，平均瓦斯流量提升至3.43倍。

李雷等開展了“三軟”煤層水力沖孔試驗，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)場應用效果顯著。此外，隨著研究趨于深入，眾多學者亦提出了一系列復合型技術并開展了現(xiàn)場應用(表1)。

表1 水力沖孔聯(lián)合增透關鍵參數(shù)

綜上，水力沖孔技術作為水力化措施的一個重要分支進行卸壓抽采具有顯著的應用效果，隨著相關理論、技術及裝備的不斷完善，今后將為煤礦的安全高效生產(chǎn)提供有力的技術支撐。然而，目前水射流沖孔破碎煤巖卸壓增透機理研究亟待深入。高壓水射流破煤過程中涉及到水射流-煤-瓦斯等相互作用的耦合，破煤過程極為復雜，受多重因素影響以及研究方法的限制，導致高壓水射流破煤機理還未深入解釋清楚，限制了水力沖孔技術的發(fā)展與應用。此外，在復雜地質(zhì)條件實施水力沖孔作業(yè)時，仍有瓦斯噴孔等動力現(xiàn)象顯現(xiàn)。因此，對水力沖孔設備開展集成化、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 增透機理

采用密集鉆孔等傳統(tǒng)增透技術存在鉆孔工程量大、單孔抽采范圍有限、瓦斯體積分數(shù)及抽采效率低等問題，已逐漸難以滿足我國井下作業(yè)需求。過去幾十年，我國學者圍繞水力割縫強化瓦斯抽采技術室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬及現(xiàn)場應用開展了深入的研究。水力割縫強化瓦斯開發(fā)技術，是在巷道內(nèi)向煤層中鉆孔，通過高壓水射流在抽采鉆孔煤層范圍內(nèi)定點徑向切割或煤層范圍內(nèi)上、下來回切割(圖4(a))，割縫過程中大量瓦斯和破碎煤體沿鉆孔排出，在煤層中形成圓盤形縫槽，利用水流將切割下來的煤渣帶出孔外，縫槽周圍煤體暴露面積增大，煤層內(nèi)部導流通道數(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創(chuàng)造了良好的條件。同時，高壓水射流所產(chǎn)生的應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))；且割縫過后在煤儲層中所產(chǎn)生的多組縫槽形成了充分的卸壓空間，煤體原始應力狀態(tài)、裂隙張開度均發(fā)生了改變，進而促進儲層壓力降低(圖4(c))。在將突出潛能有效釋放的同時可最大限度的緩解局部應力集中、增透煤層。

1.3.2 試驗及模擬研究

張永將等對比現(xiàn)場試驗，利用FLAC軟件對采煤工作面在射流割縫后應力演化過程進行了研究，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。葛兆龍等通過現(xiàn)場測試及數(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，進行了不同水力割縫布置方式對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)部的應力場、位移場、滲流場及割縫周圍瓦斯壓力分布情況。李曉紅等對自主設計研發(fā)的不同結構水力割縫系統(tǒng)過渡過程壓力-流量特性進行了深入研究，分析了過渡過程中系統(tǒng)能量耗散規(guī)律。

1.3.3 現(xiàn)場應用

煤礦井下水射流割縫技術已經(jīng)在重慶大學、太原理工大學等單位，平煤、焦煤、淮南礦業(yè)、淮北、晉煤、義煤等多個集團公司取得良好經(jīng)濟效益。高亞斌等在某煤礦現(xiàn)場開展割縫卸壓現(xiàn)場應用，發(fā)現(xiàn)割縫后預抽瓦斯穿層鉆孔數(shù)減少了32.5%、鉆孔長度減少了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揭煤時間的新思路。通過某礦現(xiàn)場應用表明，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70 d以上，極大縮短了某煤礦石門揭煤時間。李宗福等采用“壓裂-割縫”復合增透預抽瓦斯，瓦斯抽采體積分數(shù)最高至7倍。陸庭侃等提出了順層鉆孔割縫技術，采用高壓(40～60 MPa)水射流割縫在寧夏某煤礦進行應用，使瓦斯抽采效率提高了3～6倍。林柏泉等針對鉆孔割縫卸壓網(wǎng)絡化增透機制開展了現(xiàn)場應用，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，抽采體積分數(shù)提高了2.3倍，預抽達標時間縮短了一半(圖4(d))。

圖4 水射流割縫卸壓增透機理

綜上所述，諸多學者針對高壓水射流割縫卸壓增透煤層理論技術以室內(nèi)相似試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場應用等為手段開展了大量深入的研究，揭示了基于深部煤層多場、多相耦合下高壓水射流破碎煤巖機理，研究了復雜地質(zhì)條件下割縫煤層卸壓響應規(guī)律，拓展了煤層水力割縫技術卸壓增透的應用前景。國內(nèi)已有多家單位參與水射流割縫卸壓技術研究和裝備開發(fā)，在理論、工藝、工程實踐等方面有顯著進展。然而，針對高壓水射流破煤理論機理仍存在分歧，現(xiàn)有假說難以全周期客觀描述破煤過程；在不同的割縫參數(shù)及復雜地質(zhì)條件下，導致高壓水射流割縫增透效果產(chǎn)生較大差別的科學問題尚未厘清；此外，基于射流割縫卸壓瓦斯抽采多相態(tài)-多物理場參數(shù)動態(tài)響應特征及耦合演化規(guī)律尚不明確。因此，如何統(tǒng)籌優(yōu)化施工參數(shù)，針對以上問題開展深入研究，是未來高壓水射流割縫卸壓增透煤層理論與技術的重要研究方向。

1.4 射流割縫復合壓裂

1.4.1 技術背景

水力壓裂技術最早在油氣田的開發(fā)中進行應用，以提高油氣井的產(chǎn)量。1965年煤炭科學研究總院沈陽研究院將水力壓裂技術應用在煤層強化抽采瓦斯領域。近幾十年來，國內(nèi)眾多學者開展了多方面的理論、現(xiàn)場及試驗、數(shù)值模擬研究，取得了階段性的進展。然而，考慮到常規(guī)水力壓裂的裂縫擴展形態(tài)無序、主要受制于地應力方向，在煤礦井下應用時，不可避免的會出現(xiàn)增透“空白帶”的問題(圖5(a))：由于水壓裂縫在原始地應力的控制下只會在最大主應力方向擴展，而主裂縫兩側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有得到顯著的改善。煤礦井下水射流割縫復合壓裂增透技術，即采用水射流割縫的方法布置壓裂孔以及導向鉆孔，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向水壓裂縫的起裂及延伸，減小因注水壓力過大而引起煤層頂?shù)装迤茐摹Ｔ摷夹g能夠控制水壓裂縫在煤層中均衡擴展，避免裂縫的無序擴展出現(xiàn)瓦斯抽采“空白帶” (圖5(b))。同時能夠降低壓裂區(qū)域內(nèi)有效應力，減緩裂縫的閉合、強化裂縫的導流能力，繼而達到有效治理瓦斯、高效抽采煤層氣的目的(表2)。

圖5 割縫導向壓裂機理及成套裝備示意

表2 煤層增透技術對比

割縫復合壓裂時，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向；當裂縫進入原巖應力區(qū)后，受地應力主導，延伸方向開始轉變，為避免其無序發(fā)展，施工割縫導向鉆孔，使其形成的塑性區(qū)和壓裂孔裂縫形成的塑性區(qū)交接，加速裂縫擴展(圖5(d))?；诖?，采用水射流在煤層中割縫后壓裂，則可以起到控制裂縫擴展方向、擴大壓裂范圍、提高抽采效率的作用，同時可以減少壓裂、抽采鉆孔的施工量，縮短煤層瓦斯抽采時間。

1.4.2 研究現(xiàn)狀

射流割縫導向水力壓裂增透技術已在鄭煤、山西焦煤、淮南礦業(yè)、中興煤業(yè)等大型煤礦中推廣應用，并取得了顯著社會經(jīng)濟效益。李棟等提出多孔水射流割縫定向壓裂增透方法并應用于渝貴高鐵特大斷面瓦斯隧道揭煤工程，結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，揭煤時間比預期縮短了50%。程玉剛開展了割縫導向壓裂裂縫起裂及擴展規(guī)律室內(nèi)實驗(圖6(a)～(c))，揭示了割縫偏差角及水平應力差異系數(shù)對割縫導向壓裂裂縫定向擴展方向的影響規(guī)律；在某煤礦開展了割縫導向壓裂現(xiàn)場試驗，后發(fā)現(xiàn)初抽平均單孔瓦斯純量提高了0.75倍，匯總濃度衰減趨勢較為緩慢(圖6(d))。李艷增等在丁集煤礦開展水力割縫復合壓裂技術應用，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)場開展射流割縫復合壓裂應用，發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采純量提高了11.26倍，抽采體積分數(shù)提高了2.12倍。馮仁俊等開展現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)水射流割縫導向壓裂時，增透范圍提高了約33%，單孔瓦斯抽采純量提高10.6倍，瓦斯抽采體積分數(shù)提高了2.25倍。王磊等室內(nèi)相似試驗，同時采集壓裂孔內(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，最后進行水力壓裂。現(xiàn)場試驗結果表明，瓦斯抽放量相比而言增加了11.26倍，抽采體積分數(shù)增加了2.12倍。黃炳香等在某煤礦進行水射流割縫預開槽，對堅硬頂板水力裂縫的擴展起到了定向作用。黃旭超等將聯(lián)合壓裂增透技術應用于石門揭煤，在新疆某煤礦開展應用，發(fā)現(xiàn)日均抽采瓦斯體積分數(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%，抽采時間縮短約60%，整個工期縮短約70%。

圖6 割縫導向水力壓裂室內(nèi)試驗及現(xiàn)場應用效果

在理論研究與數(shù)值計算方面，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展模型及擴展準則，使用ANSYS-APDL語言建立了煤巖體鉆孔水力壓裂數(shù)學模型。閆發(fā)志等采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗的方法，分析了水射流割縫鉆孔與壓裂鉆孔協(xié)同布置時不同條件下壓裂裂縫擴展規(guī)律，現(xiàn)場試驗表明協(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下的水射流割縫導向壓裂數(shù)值模型，研究了導向孔的距離、布置方式、控制水壓3個主要因素對導向壓裂作用效果。朱海燕等建立了套管井定向射孔時孔眼的起裂壓力和起裂角的預測模型。富向等選取雞西城山煤礦現(xiàn)場實例，利用RFPA2D-Flow軟件分析了穿煤層鉆孔定向水壓致裂前后應力、水壓的分布與變化規(guī)律，研究了損傷區(qū)域、卸壓區(qū)域的形成與擴展過程。宋晨鵬等通過建立水壓裂縫遇天然裂縫二維模型，對裂縫擴展規(guī)律及天然裂縫破壞機理進行研究。張小東等根據(jù)多孔介質(zhì)孔隙度及水力強化過程中裂縫擴展的分形特征建立了分形煤儲層宏觀物性參數(shù)孔隙度與滲透率的理論關系模型，并基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行了矯正。袁學浩等開展了多場耦合數(shù)值模擬分析，依托沁水盆地某儲層工程背景，分析了水壓裂縫起裂及穿層擴展規(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)值模擬方法開展研究。模擬了地應力與孔隙壓力等因素影響下的裂隙擴展規(guī)律。程玉剛等開展了定向水力壓裂物理相似模擬實驗，揭示了裂縫擴展的控制機理。

綜上可見，諸多學者在煤層導向壓裂增透機理、技術工藝，瓦斯運移規(guī)律等方面取得了創(chuàng)新性的理論及技術成果。然而，面對深部煤層瓦斯動力災害的突變性，目前割縫導向壓裂仍存在技術協(xié)同性不夠等問題，難以適應開采條件的復雜變化。如何在深部煤巖體復雜地質(zhì)條件下有的放矢地開展水力割縫導向壓裂強化煤與瓦斯共采，是未來相關理論及技術的重要發(fā)展方向。

1.5 水力噴射樹狀鉆孔均衡增透

1.5.1 技術背景

對于低透煤層來說，煤層內(nèi)瓦斯的導流通道數(shù)量是決定煤層瓦斯抽采效果的主要因素。常規(guī)方法往往通過穿層鉆孔采用“線”抽采或“面”抽采的方式開采煤層瓦斯，而樹狀鉆孔增透抽采方法的主要目的是在抽采單元內(nèi)構造多層次多方向的深長分支孔：首先，以高壓水射流為動力，使自進式鉆頭先在巖層母孔中前進；自進式鉆頭到達目的層位的預定位置后，使用小曲率自進式拐彎鉆孔裝置實現(xiàn)分支孔轉向，鉆鑿出樹狀子孔(圖7(a),(b))，卸壓誘導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裂、擴展，通過微裂縫、誘導裂縫形成大量與主導流通道連通的均衡導流裂隙網(wǎng)絡，為煤層瓦斯快速解吸、流出提供通道，達到對煤層瓦斯均衡“體”抽采的目的(圖7(c))。此外，重慶大學葛兆龍等提出了煤層樹狀壓裂均衡增透技術，該技術與傳統(tǒng)壓裂技術的最大區(qū)別是壓裂前在煤層內(nèi)直接施工多層定向深長孔(樹狀支孔)，突破了傳統(tǒng)技術僅圍繞穿層鉆孔“做文章”的思路，解決了煤層全面高效增透的難題(圖7(d))。水力噴射樹狀鉆孔煤層增透技術具有高效、安全等特點，且因其不會產(chǎn)生火花與煤塵，在煤層卸壓的同時也為作業(yè)人員提供了良好的安全保證。此外，能夠縮短鉆孔總長度、節(jié)約鉆孔成本、縮短鉆孔時間，實現(xiàn)煤層均衡增透。樹狀壓裂技術具有裂縫分布均勻、壓裂范圍可控、起裂壓力低等特點，是當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。

1.5.2 研究現(xiàn)狀

筆者團隊發(fā)明了一種煤礦井下水力噴射樹狀鉆孔復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，將均勻分布的自進式鉆孔作為“樹狀”鉆孔子孔，再對該“樹狀”孔網(wǎng)進行封孔壓裂。與常規(guī)水力壓裂相比能夠對低透氣煤層進行均勻壓裂，增大單個穿層鉆孔的壓裂范圍，實現(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頂?shù)装逶斐善茐牡热秉c。該方法操作簡單，增透范圍大，增透效果好，為煤礦井下安全生產(chǎn)提供保障。張亮開展了多分支孔卸壓煤層多場響應機理研究，利用多尺度多相耦合模型分析了水力噴射樹狀鉆孔儲層改造后瓦斯流動規(guī)律。葛兆龍等發(fā)明了煤礦井下水力噴射樹狀鉆孔組合鉆具及導向裝備。張瀾濤等在某煤礦抽放巷工程現(xiàn)場開展了水力噴射樹狀鉆孔煤層增透技術的研究，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狀壓裂裂縫起裂規(guī)律，揭示了樹狀支孔誘導水力裂縫擴展并均勻分布控制機理，研究了樹狀壓裂煤層瓦斯流動特性及增透效果。

圖7 樹狀鉆孔均衡增透機理及成套裝備示意

煤礦井下自進式水力噴射樹狀鉆孔技術成孔率高、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化抽采效率，降低了防突工程量，在煤礦現(xiàn)場應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，自進式鉆頭在煤層內(nèi)的軌跡很難控制，此外，該技術不適用極松軟煤層。我國各處煤礦賦存條件有所差異，煤層深孔鉆進的難易程度差別很大，對于松軟煤層，煤層氣開發(fā)極易造成塌孔現(xiàn)象，特別是水的進入，進一步軟化煤體，影響技術實施成功率。

2 戰(zhàn)略思考

隨著淺部煤炭資源日趨枯竭，我國大量礦井進入深部開采，瓦斯災害威脅極其嚴重。雖然國內(nèi)多家研究機構對水力化技術的研究促進了該類技術的迅速發(fā)展，并在部分煤礦取得了初步效果，但是面對深部煤層瓦斯動力災害的復雜性、特殊性和突變性，目前水射流強化瓦斯開發(fā)技術仍然沒有形成成熟的體系，尚存在技術協(xié)同性不夠等問題，難以適應開采條件的復雜變化。

2.1 深化交叉學科理論研究

瓦斯以吸附和游離2種狀態(tài)儲集于煤層內(nèi)，原始煤體是煤、吸附瓦斯和游離瓦斯組成的類三相體，吸附瓦斯和游離瓦斯處于一種動平衡狀態(tài)，其中吸附瓦斯體積分數(shù)占80%～90%。在復雜地質(zhì)條件下水射流破煤的過程中必然會涉及到瓦斯解吸、運移、煤巖損傷、裂縫擴展等多場多相耦合過程，相比于射流破巖而言更為復雜，極大提高了理論和實驗研究的難度；且現(xiàn)場實驗成本高、周期長，井下環(huán)境條件復雜﹐得出的結論并不具備普適性。這造成了理論研究滯后于實際工程應用，使水射流破煤機理的客觀、全面揭示成為難題。未來的射流破煤理論研究，應動用多學科交叉(巖石力學、滲流力學、地質(zhì)學、化學等)資源，著力于將現(xiàn)場實驗和數(shù)值模擬有機結合，以現(xiàn)場多場-多相耦合地質(zhì)條件為參考、以客觀還原原位破煤機理為導向開展研究。

2.2 增透裝備一體化、無人化

由于煤層瓦斯賦存的地質(zhì)條件十分復雜，煤礦井下巷道布置方式多樣﹐國內(nèi)現(xiàn)有的水射流增透技術和裝備在工程應用中還存在不配套、不完善等多方面的問題，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、沖孔多為不同設備，導致設備數(shù)量多、移動不便、施工周期長、人力物力消耗量大等問題。應針對煤礦井下用高壓水射流裝備存在以上問題針對性優(yōu)化其結構、材質(zhì)和外觀設計，整合多方資源推進成套設備研發(fā)。將射流方式和噴嘴結構及理論研究有機組合，增強水射流切割能力，提高施工效率。此外，以信息化、智能化、自動化為手段，降低煤礦井下作業(yè)人員數(shù)量，在充分提高作業(yè)效率的同時保障員工人身安全。推進水射流增透裝備一體化、無人化，是響應國家保障能源穩(wěn)定安全供應、增強綠色發(fā)展支撐力戰(zhàn)略目標的關鍵，也是未來礦井智能化發(fā)展的必然。

2.3 技術工藝集成化、系列化

各水力化措施在實踐中均有各自獨特的優(yōu)勢，也都存在相應局限性。對于樹狀鉆孔而言，由于煤層本身的非均質(zhì)特性，樹狀鉆孔自進式鉆頭在煤層內(nèi)的軌跡很難控制，且不適用極松軟煤層。割縫導向壓裂的局限性在于，面對深部煤層瓦斯動力災害的復雜性，目前仍存在工藝優(yōu)化(導向孔排布、縫槽參數(shù)等)、協(xié)同性、針對性不足等問題，難以適應開采條件的復雜變化。

對此，筆者團隊提出了“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盤狀縫槽之后提高儲層滲透率，增加煤層氣井產(chǎn)量。此方法通過地面井及水力割縫卸壓，避免了水力壓裂過程中高壓注入流體導致應力向煤層深部傳遞，更適應深部煤層高地應力條件。同時，規(guī)避了進行常規(guī)壓裂作業(yè)時壓裂液對儲層造成傷害的可能。對于傳統(tǒng)地面定向井鉆井技術而言，由于鉆孔孔徑往往較大，對松軟煤層適應性較低。而此方法對不同煤質(zhì)適應性較強，在軟煤層中的應用效果更為顯著。此外，此方法卸壓空間遠大于傳統(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發(fā)開辟新的途徑。

圖8 煤層氣水平井+水力割縫卸壓方法示意[24]

針對水力化增透措施協(xié)同性不夠等問題，筆者團隊提出了“復雜難增透構造區(qū)割縫卸壓-簡單易增透區(qū)導向壓裂增透”模式，即在復雜構造煤層進行水力割縫形成卸壓空間，誘導產(chǎn)生塑性破壞裂隙，連通煤層中弱面結構形成復雜的裂隙網(wǎng)絡；簡單構造區(qū)煤層進行導向壓裂，控制壓裂裂隙有序擴展溝通天然裂隙，形成大規(guī)模滲流縫網(wǎng)。極大地增強了面對深部礦井復雜儲層地質(zhì)條件下水力化增透措施的適應性，有助于高效開展針對性工程實踐。

總之，要充分發(fā)揮不同單項技術的長處并形成優(yōu)勢互補，在深部煤巖體復雜地質(zhì)條件下有的放矢地開展卸壓增透強化瓦斯開發(fā)。水射流技術工藝集成化、系列化是未來的重要發(fā)展趨勢，亦是必經(jīng)之路。

2.4 評估系統(tǒng)可視化、智能化

我國不同產(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)境復雜，有關瓦斯的信息資料不準確，制約著水力化措施的針對性開展。為了解決這一問題，必須進行煤與瓦斯突出預測及增透效果監(jiān)測研究，通過對現(xiàn)場采集到的原始數(shù)據(jù)進行科學處理，從而得到適合該地區(qū)實際情況的預測模型和參數(shù)。實現(xiàn)對工作面開采過程中的動態(tài)監(jiān)控。目前，煤礦建設的大部分系統(tǒng)都是獨立運行的，各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不能得到有效的利用和深度的融合。應充分運用大數(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)，搭建煤層氣賦存風險識別和增透效果量化分析平臺，形成針對性的水射流增透措施對不同變質(zhì)程度的煤巖、應力條件、瓦斯壓力等復雜地質(zhì)環(huán)境適用性標準，提高水射流煤層增透技術實施成功率。

3 結 語

回顧過去，歷經(jīng)60余年的研究，我國水射流煤層增透技術已經(jīng)取得許多階段性進展。水射流技術適應國家建立煤炭﹑煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)機制的要求，符合煤礦瓦斯抽采達標的需要，已成為煤礦瓦斯治理、提高瓦斯抽采率的關鍵技術手段，具有良好的應用前景。該技術的持續(xù)、快速發(fā)展必將整體提升我國礦井瓦斯防治和煤層氣產(chǎn)業(yè)科技自主創(chuàng)新能力。前期國內(nèi)大量的研究和應用，為技術的發(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體系將日趨完善，在未來的煤炭開采和煤層氣開發(fā)中將發(fā)揮更大的作用。

展望未來，如何統(tǒng)籌優(yōu)化施工參數(shù)，以理論研究為基石、現(xiàn)場試驗為指導、數(shù)值模擬為延伸，針對我國深部礦井煤炭開采的高應力、高瓦斯、強吸附性、低滲透性等特征開展深入研究，是未來高壓水射流卸壓增透煤層理論與技術的重要研究方向。要開展地面和井下相結合的煤與瓦斯共采模式，持續(xù)研究針對不同地質(zhì)條件下的深部煤礦瓦斯抽采關鍵技術及裝備；同時，探索形成以技術為主導、市場為向導、政策為引導的產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展新構想，不斷完善技術及裝備適用條件并形成標準體系?？傊?，水射流強化瓦斯開發(fā)是為我國提供礦山安全保障的重要環(huán)節(jié)。要深刻認識新形勢下保障國家能源安全的極端重要性，切實發(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，真正實現(xiàn)煤層高效增透、瓦斯安全開發(fā)，為我國煤礦安全保駕護航。