我国水力冲孔卸压增透技术研究进展

韩 颖，董博文，张飞燕，吕 帅，李伟东

(1.河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南 焦作 454000；3.深井岩层控制与瓦斯抽采国家安监局科技支撑平台，河南 焦作 454000；4.河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；5.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000)

水力冲孔通过高压水射流破坏孔壁周围煤体，在钻孔内诱导小型突出，利用水流冲出煤体产生的空间，使煤体应力得以释放，渗透性得以提高，有效解决了高瓦斯低渗透煤层透气性差、瓦斯抽采难度大等问题。近年来，随着各种水力化技术的不断涌现与完善，传统及新型水力冲孔技术均得到了快速发展和广泛应用。为此，本文对我国水力冲孔卸压增透技术进行系统总结与分析，为相关研究人员提供参考与借鉴。

1 水力冲孔卸压增透机理

水力冲孔一般先施工抽采钻孔，再换用水力冲孔喷头冲击钻孔周围的煤体。较冲孔煤层而言，煤体的膨胀变形和顶底板的相向位移使煤层充分卸压，裂缝、裂隙增加，煤层渗透性大大提高，瓦斯吸附动态平衡被打破，使部分吸附气体解吸为游离气体，而游离气体通过裂隙、裂缝运动排出，煤层及围岩中的弹性势能和瓦斯膨胀得到了释放，煤的湿度增加，塑性增大，脆性降低，不仅消除了突出的动力，而且改变了突出煤层的性质。

综上所述，水的作用主要体现在两个方面：一方面冲孔孔穴使周围煤体得到一定的卸压，瓦斯气体解吸量增加；另一方面煤体被水润湿，可塑性增加，降低了煤体内的应力集中。相对于常规钻孔抽采，水力冲孔冲出形成孔穴直径较大，卸压范围扩大，有利于提高抽采效果；另外，其影响半径相对较大，间接减少了突出煤层处理的钻孔施工量，弥补了常规预抽煤层瓦斯方式的不足。

2 水力冲孔技术研究进展

2.1 水力冲孔技术发展历程

国内外科研单位和生产单位为了防止突出的发生，从防突机理和防突措施两个方面进行了研究。苏联的马凯耶夫科煤矿安全研究院率先提出了沿巷道周边开卸压槽的防突措施[1]，利用移动式水泵对开卸压槽的工艺，在顿涅茨克煤管局基罗夫煤矿的突出危险煤层进行了实验，显现出了良好的消突效果[2]。同时，马卡耶夫煤矿安全研究所提出了一种煤体水力破裂方法，并对顿巴斯等矿区进行水力疏松、水力挤出、水力冲刷和低压湿润煤体等研究和试验[3-4]。

我国水力冲孔研究起步较早，1958年南桐矿务局率先开展了水力冲孔防突工作。实践证明水力冲孔技术能够良好地应用于松软突出煤层，有效地缩短了瓦斯治理所耗费的工时[5]。 俞启香根据1958—1959年北票、焦作、南桐等地区的水力冲孔试验，对冲孔工艺、设备和系统及效果检测方法作了初步总结。此后，水力冲孔技术在全国范围得到了有效推广，近年来不少专家学者为水力冲孔技术的研究做出了新的贡献。冯丹[6]自主研制了水力冲压一体化物理模拟实验系统，并实现了试验结果的量化处理；武雪峰[7]通过冲压一体化物理模拟实验发现冲孔孔洞截面近似呈圆形，并认为冲孔转速与孔洞大小成正比，推进速度与孔洞大小成反比；于宝种[8]认为冲孔钻孔周围煤体的增透区半径随钻孔半径的增大而线性增大；蒋一峰等[9]认为冲孔孔洞周围煤体主要受拉应力和切应力的破坏作用，冲击载荷破煤过程可分为破碎积累、快速破碎2个阶段；陶云奇等[10-11]总结出基于气体压力测定抽采半径的原理，认为水力冲孔的实质是促进冲孔附近煤层孔裂隙发育进从而降低瓦斯运移阻力，并且认为钻孔的倾角大于70°时冲煤量逐渐减少，钻孔冲孔应选取在40°～70°之间；王庆国等[12]认为水力冲孔钻孔与普通预抽钻孔协同间隔网格化布置的抽采方式，可以有效提高抽采效率；孙淼[13]通过电镜扫描实验论证了水力冲孔的实质是煤体的宏观和微观孔隙改造；梁春苗等[14]通过实验发现现实测流量与理论计算流量有30%以上差别，并认为喷头后喷角度越小水射流钻孔自进力越大；杜昌华等[15]认为大倾角松软破碎厚煤层冲孔时易发生垮孔、塌孔；曹佐勇等[16]根据电磁辐射信号特征将冲孔煤体破坏过程分为微破裂、稳定破碎和异常破碎3个阶段。 经过多年实践探索，水力冲孔技术逐渐适用于各种厚度、倾角的煤层，在“三软”低渗透煤层综合治理方面成效尤为明显。

2.2 新型水力冲孔技术研究进展

随着科技发展及研究工作深入，众多研究者基于传统水力冲孔技术提出了一系列新型、复合型技术，限于篇幅，本文重点论述钻-冲一体化技术、钻-冲-割一体化技术、水力压裂-冲孔联合增透技术以及水力冲孔-预裂爆破联合增透技术，各项技术参数对比见表1。

表1 技术参数对照表

2.2.1 钻冲一体化技术

由于钻头技术条件限制，目前常规水力冲孔施工都是采用先打钻穿煤层，再退钻更换喷头后冲孔两步进行，工序繁琐。并且遇到松软煤层时钻孔成型困难，极易发生塌孔、堵孔现象，影响后期冲孔作业。针对该问题，国内学者专家积极改良冲孔钻头，优化控制结构，实现“钻冲一体化”作业，避免了钻孔垮塌所带来的不利因素，有效提高冲孔作业质量。

邵国杰[17]研制随钻型压力可调节式水力冲孔器，可以和两种直径钻头配套使用，利用调节流量控制高低压转换机构，实现对不同流量下高低压临界状态控制；钻头正常钻进时使用低压水，需要进行冲孔作业时只需增大泵量即可实现高压转换，高压水流自动从合金喷嘴喷出，实现冲孔作业。王志坚等[18]研发的煤层穿层钻孔钻冲一体化设备，可将高压泵固定在作业巷道外，并利用高压胶管实现高压水的远距离传输。王进尚等[19]研发了可同时实现“钻-冲-割”综合作业的水力冲孔设备，如图1所示，该设备主要由钻头、冲孔装置外壳和高压密封钻杆组成，喷头体将压力能转化为动能，喷出水射流可将煤体粉碎、切割和润湿。钻冲一体化技术和钻冲割一体化技术基于对冲孔设备改良和创新，实现了工序简化，有效提高作业效率，降低工人劳动强度。

图1 “钻-冲-割”一体化钻头结构示意图

2.2.2 水力压裂-冲孔联合增透技术

目前，国内广泛采用的水力造穴与水力冲孔压力一般为5～20 MPa，压力较低[20]，在较为坚硬的煤层中应用不理想，冲煤量少，无法达到预期卸压效果，为此国内众多科研人员将两者结合起来以达到联合增透的目的。水力压裂在煤层中形成主裂缝，构造瓦斯气体高速运移通道，煤层渗透性得以提高，且强度降低；水力冲孔冲出煤体，又使孔洞周围煤体进一步膨胀变形，裂缝数目明显提高；与此同时，水力冲孔诱导钻孔内小型煤与瓦斯突出，其周围裂隙在瓦斯释放的作用下产生以拉伸为主，径向引张裂隙、周缘引张裂隙、剪切裂隙和转向裂隙为辅，多种裂隙共存。

丰安祥等[21]认为重复注水卸压可以有效增加注水卸压半径，将穿层钻孔“重复压裂”及“先压后冲”相结合的压裂技术应用于“三软”煤层中，将抽采量提高3倍，抽采浓度提高了1/3以上，实现了煤层可抽性的有效改善；刘晓[22]基于“单元压裂缝网增透，单孔出煤卸压增透”的原则，在控制单元内形成初次裂隙，根据裂缝进行冲孔，实现煤层卸压增透；徐涛等[23]以“水力压裂单元增透，水力冲孔出煤卸压”为技术思路，探讨了其技术流程、卸压增透及多级裂缝的形成机理；许胜铭等[24]提出了“水力压裂-水力冲孔-孔间压裂-二次冲孔”多重水力卸压增透技术相结合，具体方法如下：首先在压裂钻场两侧布置冲孔钻场，并垂直于底板抽采巷道布置实验钻孔，如图2所示；其次，选择注水压裂钻场的b钻孔、i钻孔作为注水钻孔进行第一次压裂，压裂后在压裂影响区域内施工穿层钻孔，进行水力冲孔作业；然后，将2#钻场钻孔、4#钻场钻孔、6#钻场钻孔、7#钻场钻孔、9#钻场钻孔、11#钻场钻孔作为自由面，对1#钻场钻孔、3#钻场钻孔、5#钻场钻孔、8#钻场钻孔、10#钻场钻孔逐个实施孔间煤体压裂；最后选择自由钻场钻孔进行二次冲孔，保证冲出煤量大于1 t/m。

2.2.3 水力冲孔-预裂爆破联合增透技术

水力冲孔-预裂爆破联合增透技术是通过爆破产生的应力波传播至冲孔孔洞中形成反射拉伸，由于煤岩的抗拉强度低，煤层中生成反射拉伸裂隙从而提升煤层渗透性。李冠良[25]利用水力冲孔孔洞对爆破裂隙的诱导作用，先对爆破孔周围的抽采孔进行水力冲孔，冲孔孔洞为爆破提供了良好的自由面和移动的空间，爆破效果得到改善，实现了抽采量提高5～10倍，抽采浓度提高4～8倍的良好效果。张开加[26]在联合增透的基础上，引入CO2致裂爆破技术，提高了施工作业安全性，具体方法如图3所示。首先施工a组穿层钻孔并进行冲孔；其次，施工b组钻孔，将CO2致裂爆破孔布置在a组和b组之间，依次爆破，并在爆破后封孔、接通抽采管路；在b组另一侧布置第下一组爆孔，此后施工工序以此类推。

图2 穿层钻孔布置示意图

图3 钻孔布置示意图

3 存在问题及研究方向

3.1 理论及参数测定

如今水力冲孔的研究问题在于：由冲孔作用原理推广到技术参数设计匹配依旧困难，多数实地应用仍停留在经验估计层面；现场应用效果多依据冲煤量、抽采流量与抽采纯度是否提升来判断增透效果，这些数据难以准确测量和分析。

国内学者对冲孔机理做了大量研究，但大多通过理论分析、实验室试验和现场实测的方式进行。由于水力冲孔体系的研究涉及固-液-气多场耦合，实验成本高，开展难度大，且井底环境条件特殊，得出的结论不利于推广使用，多数学者选用数值模拟的方法进行研究，并取得了一定成果。但这种研究方式模型相对简化和理想化，难免会得出与实际不符的结论。目前国内固-液-气耦合冲孔物理模拟研究尚处于萌芽阶段，进展相对缓慢，部分实验数据与实际现象有很大出入，相关实验设备和实验方法都亟需改进。综合目前研究进展，无论采用哪种研究方式，理论分析一定要抓住实质，实验实测一定要保证准确。

目前确定水力冲孔影响半径的判断方法较为单一，主要依靠瓦斯压力降低法和SF6气体示踪法。这两种方法都受到煤层和顶底板岩层条件的限制。并且在实际现场试验中，测试钻孔数量较少，往往只有5～7个，最终得到的影响半径只是某个区间值；但如果一直增加测压孔数量来提高测量精度，孔与孔之间的相互影响作用便会显著提高。因此，如何提高测试精度，能否从能量的角度来创新冲孔影响范围检测方法，是亟待解决的重要问题。

3.2 技术创新与推广

目前，钻冲一体化技术发展相对良好，实现了工序上的简化，但钻-冲-割一体化的进展相对缓慢。本文认为水力冲孔和水力割缝技术虽然在增透机理上有很大差异，但可通过改进装备，在技术应用上实现两者统一，扩大技术适用范围。水力压裂-水力冲孔联合增透技术应用已相对成熟，水力冲孔-预裂爆破技术还有待推广。无论是哪种联合增透技术，其根本是综合各种技术优势，提升改造能力；但改造能力提升的同时，不能忽视其两面性，在多种技术耦合作用原理尚不明确的前提下，对突出煤层进行过渡改造难免会出现冲孔或爆破范围过大，后期会出现跨孔、堵孔、抽采流量衰减较快等一系列问题，故如何实现多技术配套，如何优化技术方案是下一步的研究重点。

3.3 装备改进与智能化发展

一体化技术的发展依赖于装备技术的提升，现如今钻-冲一体化装备已相对成熟，如何改良水压调控与喷射转换装置，将成为下一步推广钻-冲-割一体化技术的关键。不仅如此，现有设备存在运输、布置困难，工作环境随着出水恶化等问题，因此与水力冲孔设备配套的运输、辅助架设、排水等设备的研制也同样重要。

此外，随着我国数字化、智能化矿山的发展，信息技术的不断升级，装备智能化、无人化已不再是遥不可及的目标。信息技术在瓦斯压力检测、钻孔布置设计、现场环境变化监控等方面能否应用，是实现智能矿山在煤与瓦斯突出治理方面的关键所在。通过智能系统对水力冲孔设备通用性、标准性以及自由性进行分析，控制生产和维修成本，提高设备视觉的美观感与操作舒适度。水力冲孔智能化能够为操作人员带来更为舒适的使用环境，实现水力冲孔设备的标准化生产，提高设备通用性，推动煤与瓦斯突出治理事业不断发展。

4 结 语

水力冲孔技术在我国经历了60余年的应用和发展，特别在松软煤层瓦斯突出治理中取得良好效果。随着相关理论、技术应用和装备智能化的不断发展与完善，水力冲孔技术将为我国煤矿安全高效生产提供可靠技术保障。